變頻技術(shù)在螺桿空氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用研究

□ 杜巧連 □ 陳旭輝

1.浙江師范大學(xué) 行知學(xué)院 浙江金華 321004

2.浙江金華市技師學(xué)院 浙江金華 321000

變頻技術(shù)在螺桿空氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用研究

□ 杜巧連1□ 陳旭輝2

1.浙江師范大學(xué) 行知學(xué)院 浙江金華 321004

2.浙江金華市技師學(xué)院 浙江金華 321000

以雙螺桿空氣壓縮機(jī)為研究對(duì)象，分析了變頻式螺桿空氣壓縮機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了變頻技術(shù)在傳統(tǒng)螺桿空氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用，并對(duì)應(yīng)用變頻技術(shù)改造后的空氣壓縮機(jī)的性能進(jìn)行了研究分析。研究表明，在空氣壓縮機(jī)中使用變頻技術(shù)有利生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。

空氣壓縮機(jī) 變頻技術(shù) 節(jié)能

空氣壓縮機(jī)是一種用以提高氣體壓力的機(jī)械，由于其動(dòng)力的方便性和靈活性，用途極為廣泛，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防、科研乃至生活的許多領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有相當(dāng)重要的地位。近幾年，國(guó)內(nèi)空氣壓縮機(jī)年銷售總量在120億元以上，并且連續(xù)數(shù)年均以20%以上的速度增長(zhǎng)，廣闊的市場(chǎng)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外廠商的密切關(guān)注。

我國(guó)是一個(gè)能源緊缺的國(guó)家，節(jié)能減排工作是我國(guó)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)，電能的60%是被各行各業(yè)中廣泛使用的風(fēng)機(jī)、水泵等通用機(jī)械所消耗，而空氣壓縮機(jī)則占了其中的15%左右。廠家在設(shè)計(jì)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的過(guò)程中，不能排除空氣壓縮機(jī)在滿負(fù)荷狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以，只能按最大的需要來(lái)決定電動(dòng)機(jī)的容量，為此設(shè)計(jì)余量一般偏大。而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，空氣壓縮機(jī)是處于變工況狀態(tài)，空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷率平均約為67%，在這樣的工作負(fù)荷下，空氣壓縮機(jī)浪費(fèi)了大量的電能。對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行變頻改造，能夠使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟軟停，減小啟動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用年限；同時(shí)由于電機(jī)運(yùn)行頻率可變，實(shí)現(xiàn)了空氣壓縮機(jī)根據(jù)用氣量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少了電機(jī)頻繁加載和卸載，使供氣系統(tǒng)氣壓維持恒定，在一定程度上節(jié)約了電能。

1 螺桿空氣壓縮機(jī)的工作原理

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年國(guó)內(nèi)動(dòng)力用雙螺桿壓縮機(jī)的銷售總量已達(dá)到80億元左右，占?jí)嚎s機(jī)銷售總量的40%多，空氣壓縮機(jī)在工業(yè)中用途的廣泛性，為變頻螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展展示了一個(gè)美好的前景。

一般意義上的螺桿空氣壓縮機(jī)是指雙螺桿壓縮機(jī)，它誕生于20世紀(jì)30年代，由一對(duì)相互嚙合的轉(zhuǎn)子和機(jī)殼組成，依靠運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容積的變化來(lái)吸入、壓縮和排出空氣，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和動(dòng)力平衡性好的特點(diǎn)，操作和維護(hù)也十分方便。螺桿空氣壓縮機(jī)是通過(guò)一對(duì)轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)改變工作容積，使氣體體積縮小、密度增加，從而提高氣體的壓力。

螺桿空氣壓縮機(jī)由螺桿機(jī)頭、電動(dòng)機(jī)、油氣分離桶、冷卻系統(tǒng)、空氣濾清器、潤(rùn)滑系統(tǒng)、安全閥和控制系統(tǒng)等組成，整機(jī)裝在一個(gè)箱體內(nèi)，自成一體，直接放在平整的水泥地面上即可，無(wú)需用地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上，如圖1所示。

螺桿機(jī)頭是一種雙軸容積式回轉(zhuǎn)型壓縮機(jī)頭，一對(duì)高精密主（陽(yáng)）、副（陰）轉(zhuǎn)子平行地裝于機(jī)殼內(nèi)部，主（陽(yáng)）轉(zhuǎn)子有4個(gè)齒，而副（陰）轉(zhuǎn)子有6個(gè)齒，主轉(zhuǎn)子直徑大，副轉(zhuǎn)子直徑小。齒為螺旋狀，兩者相互嚙合。主副轉(zhuǎn)子兩端分別由軸承支承定位，工作時(shí)電動(dòng)機(jī)通過(guò)連軸器（或皮帶）直接帶動(dòng)主轉(zhuǎn)子，由于兩轉(zhuǎn)子相互嚙合，主轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)副轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。

螺桿式空氣壓縮機(jī)的工作原理為螺桿機(jī)頭、油氣分離桶通過(guò)吸氣過(guò)濾器和進(jìn)氣控制閥吸氣，同時(shí)油注入空氣壓縮室，對(duì)機(jī)頭進(jìn)行冷卻、密封以及對(duì)螺桿及軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，空氣壓縮室產(chǎn)生壓縮空氣。壓縮后生成的油氣混合氣體排放到油氣分離桶內(nèi)，由于機(jī)械離心力和重力的作用，絕大多數(shù)的油從油氣混合體中分離出來(lái)?？諝饨?jīng)過(guò)由硅酸硼玻璃纖維制成的油氣分離筒芯，幾乎所有的油霧都被分離出來(lái)，從油氣分離筒芯分離出來(lái)的油通過(guò)回油管回到螺桿機(jī)頭內(nèi)。在回油管上裝有油過(guò)濾器，回油過(guò)濾后，潔凈的油流回至螺桿機(jī)頭內(nèi)。當(dāng)油被分離出來(lái)后，壓縮空氣經(jīng)過(guò)最小壓力控制閥離開(kāi)油氣筒進(jìn)入后冷卻器。后冷卻器把壓縮空氣冷卻后排到貯氣罐供各用氣單位使用，冷凝水則集中在貯氣罐內(nèi)，通過(guò)自動(dòng)排水器或手動(dòng)排出。

2 變頻技術(shù)在螺桿空氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的螺桿空氣壓縮機(jī)存在的不足之處有：電機(jī)功率一般較大，啟動(dòng)方式多采用空載（卸載）星、三角啟動(dòng)，加載和卸載方式都為瞬時(shí)，使空氣壓縮機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有較大的啟動(dòng)電流，加載和卸載時(shí)對(duì)設(shè)備機(jī)械沖擊較大，不僅會(huì)引起電源電壓波動(dòng)，也會(huì)使壓縮氣源產(chǎn)生較大的波動(dòng)，這種運(yùn)行方式還會(huì)加速設(shè)備的磨損，降低設(shè)備的使用年限。以上這些因素嚴(yán)重制約了空氣壓縮機(jī)的進(jìn)一步的發(fā)展，要想解決這些不足之處，需要對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行變頻改造。變頻器作為一種能將頻率固定的交流電（三相或單相）變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源的設(shè)備，用它來(lái)控制空氣壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)，能十分方便地改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，使系統(tǒng)壓力始終維持在所要求的數(shù)值上，達(dá)到恒壓供氣的目的。一般而言，工業(yè)中常用的螺桿空氣壓縮機(jī)所配備的電動(dòng)機(jī)小到22 kW，最大可達(dá)250 kW，以籠型異步電動(dòng)機(jī)為主，屬于典型的中小型電動(dòng)機(jī)范圍。變頻技術(shù)能夠通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變壓縮機(jī)主機(jī)的速度來(lái)保證壓縮空氣的供氣與用氣相匹配，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，降低系統(tǒng)流量負(fù)荷的目的。因此，變頻技術(shù)不僅有利生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，而且會(huì)產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。

▲圖1 螺桿空氣壓縮機(jī)機(jī)工作流程圖

2.1 變頻系統(tǒng)構(gòu)成

變頻控制系統(tǒng)由電源切換柜、變頻器、智能PID控制器、傳感器和空氣壓縮機(jī)等組成，系統(tǒng)中安裝電源切換柜是為了保證變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)仍能保證空氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。螺桿壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制，系統(tǒng)組成及原理框圖如圖2所示。

2.2 變頻工作原理

變頻控制系統(tǒng)是通過(guò)安裝在壓縮空氣系統(tǒng)總管上的壓力傳感器將檢測(cè)到的系統(tǒng)壓力變化傳給PID控制器，PID控制器按照設(shè)定壓力輸出一個(gè)電流信號(hào)送到變頻器。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)大于目標(biāo)壓力設(shè)定值時(shí)，PID控制器輸出的信號(hào)減弱，使變頻器輸出頻率降低，空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，輸送到管網(wǎng)的氣量減少，系統(tǒng)壓力降低；當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)小于目標(biāo)壓力設(shè)定值時(shí)，PID控制器輸出的信號(hào)增強(qiáng)，使變頻器輸出頻率增加，空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，空氣壓縮機(jī)輸送到管網(wǎng)的氣量增加，系統(tǒng)壓力升高，從而達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的目的。

空氣壓縮機(jī)變頻控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率的關(guān)系可由下式表示：

式中：n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；f為電源頻率；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

▲圖2 系統(tǒng)組成及原理圖

2.3 變頻控制方案設(shè)計(jì)

變頻控制方案采用雙變頻控制設(shè)計(jì)，如圖3所示。主電動(dòng)機(jī)變頻器作用有使氣壓穩(wěn)定、節(jié)能、啟動(dòng)無(wú)沖擊、噪聲低、對(duì)儲(chǔ)氣罐容量要求小等特點(diǎn)；冷卻風(fēng)扇電機(jī)變頻器作用有使冷卻風(fēng)扇在所有的工況下都能安全可靠的工作，使系統(tǒng)溫度保持在最佳狀態(tài)等特點(diǎn)。

變頻啟動(dòng)與運(yùn)行情況為：空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，加載電磁閥處于失電狀態(tài)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，僅靠進(jìn)氣閥閥片小孔進(jìn)氣建立內(nèi)壓，機(jī)組空載啟動(dòng)，運(yùn)行頻率從0 Hz提升至50 Hz，緩緩加速啟動(dòng)。一段時(shí)間（在此設(shè)置為10 s）后，加載電磁閥打開(kāi)，空氣壓縮機(jī)開(kāi)始加載運(yùn)行。

如果用氣量較大，壓縮氣體壓力未達(dá)到壓力上限值，則機(jī)組會(huì)在50 Hz狀態(tài)下全速加載運(yùn)行；如果用氣量稍少，則通過(guò)壓力檢測(cè)進(jìn)行無(wú)級(jí)變速跟蹤產(chǎn)氣，頻率在下限（20 Hz）與上限（50 Hz）之間，在保持排氣壓力不變的狀況下，滿足僅需要的產(chǎn)氣量；如果用氣量較小或已不用氣，運(yùn)行頻率下降至下限頻率，當(dāng)壓力達(dá)到上限設(shè)定值時(shí)，加載電磁閥停止工作，進(jìn)氣閥關(guān)閉，電機(jī)空載運(yùn)行，進(jìn)入停機(jī)模式。

當(dāng)空氣壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)行，壓縮機(jī)主體溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，風(fēng)扇變頻器啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，進(jìn)入機(jī)組恒溫控制運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 變頻改造后的應(yīng)用效果分析

（1）供氣壓力穩(wěn)定。變頻螺桿空氣壓縮機(jī)利用變頻器的無(wú)級(jí)調(diào)速特點(diǎn)，根據(jù)用戶設(shè)定期望壓力和實(shí)際用氣量進(jìn)行無(wú)級(jí)變速產(chǎn)氣，對(duì)壓力實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)恒定排氣壓力目的。圖4為變頻后供氣壓力圖。

（2）節(jié)約電能。原來(lái)的系統(tǒng)當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體壓力達(dá)到設(shè)定壓力值后，一般有兩種節(jié)能方法：一種是空氣壓縮機(jī)卸荷運(yùn)行，不產(chǎn)生壓縮氣體，電機(jī)處于空載運(yùn)行，其用電量仍為滿負(fù)載的30%～60%，這部分電能被白白浪廢掉。另一種方法是停止空氣壓縮機(jī)運(yùn)行，等氣壓不夠時(shí)再啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，這樣就帶來(lái)了電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)，空氣壓縮機(jī)的空載啟動(dòng)電流大約是額定電流的5～7倍，對(duì)電網(wǎng)及其它用電設(shè)備沖擊較大，電能損耗較大，同時(shí)使空氣壓縮機(jī)的使用壽命也會(huì)縮短。采用改造后的系統(tǒng)解決了上述問(wèn)題，節(jié)約了大量的電能，節(jié)電效果大概在30%以上。盡管工頻螺桿空氣壓縮機(jī)采取了各種節(jié)能措施，但變頻螺桿機(jī)是根據(jù)用戶實(shí)際用氣量來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，用氣量低的時(shí)候空氣壓縮機(jī)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，因此大大減少了能源的浪費(fèi)。

（3）啟動(dòng)無(wú)沖擊。變頻器是一個(gè)軟啟動(dòng)裝置，啟動(dòng)電流最大在額定電流的兩倍左右，與工頻啟動(dòng)（額定電流的4～6倍）相比，對(duì)電網(wǎng)的沖擊及整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊將大大減少。圖5為工頻控制與變頻控制電流特性對(duì)比圖。

（4）降低噪聲。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，頻率一般都小于工頻50 Hz，沒(méi)有加卸載伺服系統(tǒng)，機(jī)械噪聲下降，機(jī)械磨損小。若風(fēng)機(jī)也采用變頻驅(qū)動(dòng)，能顯著降低空氣壓縮機(jī)工作時(shí)的噪聲。

（5）交流電源的電壓適應(yīng)性更好。由于變頻器采用的過(guò)調(diào)制技術(shù)，在交流電源電壓稍低時(shí)仍可輸出足夠的力矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作；當(dāng)電壓稍高時(shí)，也不會(huì)導(dǎo)致輸出到電動(dòng)機(jī)的電壓偏高。

（6）對(duì)儲(chǔ)氣罐容量要求小，節(jié)省成本。變頻螺桿壓縮機(jī)和普通螺桿壓縮機(jī)相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在空載耗電和壓差耗電兩個(gè)部分：①壓縮機(jī)處于變工況的工作狀態(tài)，按平均67%的負(fù)荷率運(yùn)行，其中33%為空載卸荷；② 普通壓縮機(jī)卸荷運(yùn)行過(guò)程中，為了避免壓縮機(jī)進(jìn)氣閥的頻繁調(diào)節(jié)，供氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力要求一個(gè)上限控制值，一般高出1 bar，增加了因壓縮比增大而消耗的功。以37 kW機(jī)組為例，機(jī)組平均負(fù)荷率為：一年運(yùn)行8 000 h，其空載耗電4.4萬(wàn)kW·h，壓差耗電2.8萬(wàn)kW·h，單臺(tái) 37 kW變頻螺桿壓縮機(jī)和普通機(jī)組相比，每年可直接節(jié)電7.2萬(wàn)kW·h；③機(jī)組可靠性得到提高，供氣壓力系統(tǒng)維持穩(wěn)定，噪聲降低，熱排放量減少。

▲圖3 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖

▲圖4 變頻后供氣壓力圖

▲圖5 工頻控制與變頻控制電流特性對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

研究表明，空氣壓縮機(jī)使用變頻技術(shù)不僅有利生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，而且會(huì)產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。此外，采用變頻技術(shù)還需注意的幾個(gè)問(wèn)題：① 空氣壓縮機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，這種負(fù)載的啟動(dòng)容易引起變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，若采用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）變頻器，具有轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快且無(wú)超調(diào)、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，既能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設(shè)備穩(wěn)定的運(yùn)行；②空氣壓縮機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行，工作下限應(yīng)不低于20 Hz；③建議功率選用比空氣壓縮機(jī)功率大一等級(jí)的變頻器，以免空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)頻繁跳閘的情況；④為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器濾波，還可以減少電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲。

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（編輯 丁 罡）

TH113.2+3；TP272

A

1000-4998（2015）02-0068-04

2014年8月