螺桿式空壓機(jī)的工作原理與作用

對空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造具有改善電機(jī)的啟動和運(yùn)行方式、減少設(shè)備的機(jī)械磨損、在一定范圍內(nèi)節(jié)約電能等效果。

螺桿式空壓機(jī)廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)中，在其控制中采用加載-卸載閥來控制空壓機(jī)的供氣。由于用氣設(shè)備的工作周期或是生產(chǎn)工藝的差別，使得用氣量發(fā)生波動，有時會造成空壓機(jī)頻繁加載、卸載。空壓機(jī)卸載后電機(jī)仍然工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅浪費(fèi)電能而且增加設(shè)備的機(jī)械磨損；空壓機(jī)加載過程是突然加載，也會對設(shè)備和電網(wǎng)造成較大的沖擊。因此對空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造具有改善電機(jī)的啟動和運(yùn)行方式、減少設(shè)備的機(jī)械磨損、在一定范圍內(nèi)節(jié)約電能等效果。

一、螺桿式空壓機(jī)的工作原理

以單螺桿空壓機(jī)為例說明空氣壓縮機(jī)工作原理，如圖1所示為單螺桿空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。螺桿式空氣壓縮機(jī)的工作過程分為吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個過程。當(dāng)螺桿在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動時，螺桿與殼體的齒溝相互嚙合，空氣由進(jìn)氣口吸入，同時也吸入機(jī)油，由于齒溝嚙合面轉(zhuǎn)動將吸入的油氣密封并向排氣口輸送；在輸送過程中齒溝嚙合間隙逐漸變小，油氣受到壓縮；當(dāng)齒溝嚙合面旋轉(zhuǎn)至殼體排氣口時，較高壓力的油氣混合氣體排出機(jī)體。

二、壓縮氣供氣系統(tǒng)組成及空壓機(jī)控制原理

1、壓縮氣供氣系統(tǒng)組成

工廠空氣壓縮氣供氣系統(tǒng)一般由空氣壓縮機(jī)、冷干機(jī)、過濾器、儲氣罐、管路、閥門和用氣設(shè)備組成。如圖2所示為壓縮氣供氣系統(tǒng)組成示意圖。

2、空氣壓縮機(jī)的控制原理

在工廠的空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中，普遍采用后端管道上安裝的壓力繼電器來控制空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行。空壓機(jī)啟動時，加載閥處于不工作態(tài)，加載氣缸不動作，空壓機(jī)頭進(jìn)氣口關(guān)閉，電機(jī)空載啟動。當(dāng)空氣壓縮機(jī)啟動運(yùn)行后，如果后端設(shè)備用氣量較大，儲氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達(dá)到壓力上限值，則控制器動作加載閥，打開進(jìn)氣口，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行，不斷地向后端管路產(chǎn)生壓縮氣。如果后端用氣設(shè)備停止用氣，后端管路和儲氣罐中壓縮氣壓力漸漸升高，當(dāng)達(dá)到壓力上限設(shè)定值時，壓力控制器發(fā)出卸載信號，加載閥停止工作，進(jìn)氣口關(guān)閉，電機(jī)空載運(yùn)行。圖3為某品牌空氣壓縮機(jī)的系統(tǒng)原理圖。

三?、螺桿式空氣壓縮機(jī)變頻改造

空壓機(jī)工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行的比較：

空壓機(jī)電機(jī)功率一般較大，啟動方式多采用空載（卸載）星-三角啟動，加載和卸載方式都為瞬時。這使得空壓機(jī)在啟動時會有較大的啟動電流，加載和卸載時對設(shè)備機(jī)械沖擊較大；不光引起電源電壓波動，也會使壓縮氣源產(chǎn)生較大的波動；同時這種運(yùn)行方式還會加速設(shè)備的磨損，降低設(shè)備的使用年限。

對空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，能夠使電機(jī)實現(xiàn)軟起軟停，減小啟動沖擊，延長設(shè)備使用年限；同時由于電機(jī)運(yùn)行頻率可變，實現(xiàn)了空壓機(jī)根據(jù)用氣量的大小自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少了電機(jī)頻繁的加載和卸載，使得供氣系統(tǒng)氣壓維持恒定，在一定程度上節(jié)約了電能。

空壓機(jī)主電路和控制電路的變頻改造：

以某品牌空壓機(jī)為例，圖4是其電路原理圖。可以看出該品牌型號的空壓機(jī)采用星-三角啟動方式，在主電路改造時，將變頻器串接進(jìn)原有的電源進(jìn)線中；斷開原加載閥控制回路，將原加載閥控制輸出改為一個時間繼電器JS，時間繼電器的線圈一端與220V控制電路零線接通，另一端連接到PLC的加載輸出點(diǎn)，將加載閥的一端直接和220V控制電路零線接通，另一端通過時間繼電器JS的一對常開觸點(diǎn)與220V控制電路火線接通，通過時間繼電器延長加載時間。變頻器的正轉(zhuǎn)信號端子FWD，通過電機(jī)主電路上的交流接觸器KM1的一對常開觸點(diǎn)，與變頻器公共控制端CM接通。變頻器的模擬量反饋信號C1和GND端子，與壓縮氣輸送管路上的壓力傳感器相連接。圖5是變頻改造后的電路原理圖。

空壓機(jī)變頻改造后，電機(jī)啟動時原有的交流接觸器仍然由其控制PLC按星-三角方式動作，但在交流接觸器連接為星型時，交流接觸器KM1的常開觸點(diǎn)沒有閉合，變頻器FWD端子與CM端子沒有接通，變頻器不啟動、無輸出；當(dāng)PLC控制交流接觸器轉(zhuǎn)換為三角形接法后，KM1的常開觸點(diǎn)閉合，變頻器FWD端子與CM端子接通，時間繼電器JS處于延時狀態(tài)，加載閥不動作，變頻器開始空載變頻啟動電機(jī)。當(dāng)變頻器啟動電機(jī)完成后，時間繼電器JS動作加載閥，變頻器自動變頻運(yùn)行。

四、?螺桿式空氣壓縮機(jī)變頻改造注意事項

在進(jìn)行變頻改造時應(yīng)該注意，盡量保持原有設(shè)備主電路和控制電路的完整性，對其電路的改動越少越好；這有利于在變頻器發(fā)生故障或是檢修時，空壓機(jī)可以很方便地改動回到原有的控制方式上去，這保證了空壓機(jī)在變頻和工頻狀態(tài)下都可以運(yùn)行，也使得改造時可以不用重新編寫PLC程序。

必須保留空壓機(jī)的工頻運(yùn)行模式，萬一變頻器出出故障，可以直接切換到工頻模式下運(yùn)行，不至對對生產(chǎn)造成影響。

變頻器的啟動信號由角形接法交流接觸器KM1控制，既在星形時變頻器不啟動無輸出。

時間繼電器JS的整定時間要大于等于變頻器的啟動時間，這保證變頻器空載變頻啟動，有效避免變頻器低頻啟動時過負(fù)荷跳閘。

變頻器的下限運(yùn)行頻率一般要設(shè)在35赫茲或以上，如果赫茲數(shù)太低，可能會造成油氣分離器無法有效分離油氣，造成空壓機(jī)漏油現(xiàn)象。但要根據(jù)實際情況具體來考慮設(shè)定下限頻率值，因為不同的空壓機(jī)其機(jī)械配合磨損和效率不盡相同，其不漏油的下限頻率也不一定相同。

管路上的壓力傳感器的安裝位置要盡量靠近空壓機(jī)，不要安裝在過濾器或是閥門以后，同時切記壓力傳感器和空壓機(jī)之間的管路上不能安裝任何閥門元件，防止過濾器堵塞或是閥門關(guān)閉后，空壓機(jī)不停機(jī)并發(fā)生爆炸危險。還應(yīng)該保留空壓機(jī)原來的壓力停機(jī)保護(hù)開關(guān)。

使用變頻器下限頻率延時停機(jī)休眠功能。

按生產(chǎn)工藝要求，變頻改造后，適當(dāng)降低壓縮氣供氣系統(tǒng)的供氣壓力，將原來的高壓變流量供氣改變?yōu)樽冾l恒壓變流量供氣方式。

五、螺桿式空氣壓縮機(jī)變頻改造節(jié)能分析

如以下公式所示拉力F與摩擦力F’大小相等、方向相反，拉力F在時間T內(nèi)拉動物體做直線運(yùn)動，移動位移S。拉力F在時間T內(nèi)作的功率P為

由數(shù)學(xué)知識可知線速度v和旋轉(zhuǎn)角速度ω之間的關(guān)系如式2所示,式中f為旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)頻率。

將式2代入式1可以求得旋轉(zhuǎn)物體摩擦阻力功率如式3所示

由式3可以知道,克服旋轉(zhuǎn)體的摩擦阻力使旋轉(zhuǎn)體勻速轉(zhuǎn)動,需要向旋轉(zhuǎn)體提供的功率按式3公式計算（忽略機(jī)械效率損失，認(rèn)為η為1）。式3中F’為旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)摩擦阻力，r為旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)半徑，f為旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)頻率。所以我們可以在忽略空氣壓縮機(jī)機(jī)械效率損失，同時忽略空壓機(jī)機(jī)械效率因為電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化的情況下，即始終認(rèn)為空壓機(jī)機(jī)械效率η為1，可以近似地認(rèn)為變頻器的輸出功率與空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，即成一次方正比例關(guān)系。

如圖7所示是螺桿式空壓機(jī)工頻運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速/功率-周期示意圖。t1是空壓機(jī)加栽運(yùn)行時間，t2是空壓機(jī)卸栽運(yùn)行時間，加栽/卸栽時的轉(zhuǎn)速和功率分別為P1/n1和P2/n2。忽略空壓機(jī)機(jī)械效率η的變化，W1和W2分別為空壓機(jī)加栽運(yùn)行時間t1和卸栽運(yùn)行時間t2中由電源輸送給空壓機(jī)電機(jī)的能量。其中W1轉(zhuǎn)換為壓縮空氣勢能、動能和熱能等形式的能量，供設(shè)備使用。而W2則轉(zhuǎn)換為機(jī)械的摩擦熱能和聲音、震動等形式的能量損失掉。

所以螺桿式空壓機(jī)經(jīng)過變頻改造后，由于電機(jī)處于變速運(yùn)行情況下，而通過式3的推導(dǎo)知道電機(jī)的平均功率與電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速成一次方正比例關(guān)系?？諌簷C(jī)變頻改造后，是根據(jù)用氣系統(tǒng)的用氣量恒壓變流供氣；所以變頻改造后，空壓機(jī)在周期T（t1+ t2）內(nèi)所作的功W，等于同等工況下，空壓機(jī)工頻運(yùn)行時，加載運(yùn)行時間t1內(nèi)所作的功W1。如圖8所示。

通過以上分析，可知只要知道螺桿式空壓機(jī)工頻改造前卸載運(yùn)行時間和卸載電流，就可以大致計算出，相同工況下變頻改造后的節(jié)能功率和節(jié)能電量（忽略機(jī)械效率η的變化）。

編輯：黃飛

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