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螺桿式空氣壓縮機變頻改造方案
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一、 概述
螺桿式空壓機廣泛地用于工業生產中，在其控制中采用加載-卸載閥來控制空壓機的供氣。由于用氣設備的工作周期或是生產工藝的差別，使得用氣量發生波動，有時會造成空壓機頻繁加載、卸載。空壓機卸載后電機仍然工頻運轉，不僅浪費電能而且增加設備的機械磨損；空壓機加載過程是突然加載，也會對設備和電網造成較大的沖擊。因此對空壓機進行變頻改造具有改善電機的啟動和運行方式、減少設備的機械磨損、在一定范圍內節約電能等效果。
二、螺桿式空壓機的工作原理
以單螺桿空壓機為例說明空氣壓縮機工作原理，如圖1所示為單螺桿空氣壓縮機的結構原理圖。螺桿式空氣壓縮機的工作過程分為吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個過程。當螺桿在殼體內轉動時，螺桿與殼體的齒溝相互嚙合，空氣由進氣口吸入，同時也吸入機油，由于齒溝嚙合面轉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；當齒溝嚙合面旋轉至殼體排氣口時，較高壓力的油氣混合氣體排出機體。
三、 壓縮氣供氣系統組成及空壓機控制原理
⑴、壓縮氣供氣系統組成
工廠空氣壓縮氣供氣系統一般由空氣壓縮機、冷干機、過濾器、儲氣罐、管路、閥門和用氣設備組成。如圖2所示為壓縮氣供氣系統組成示意圖。
工廠空氣壓縮氣供氣系統一般由空氣壓縮機、冷干機、過濾器、儲氣罐、管路、閥門和用氣設備組成。如圖2所示為壓縮氣供氣系統組成示意圖。
⑵、空氣壓縮機的控制原理
在工廠的空氣壓縮機控制系統中，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的運行。空壓機啟動時，加載閥處于不工作態，加載氣缸不動作，空壓機頭進氣口關閉，電機空載啟動。當空氣壓縮機啟動運行后，如果后端設備用氣量較大，儲氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達到壓力上限值，則控制器動作加載閥，打開進氣口，電機負載運行，不斷地向后端管路產生壓縮氣。如果后端用氣設備停止用氣，后端管路和儲氣罐中壓縮氣壓力漸漸升高，當達到壓力上限設定值時，壓力控制器發出卸載信號，加載閥停止工作，進氣口關閉，電機空載運行。圖3為某品牌空氣壓縮機的系統原理圖。
四、 螺桿式空氣壓縮機變頻改造
⑴、空壓機工頻運行和變頻運行的比較
空壓機電機功率一般較大，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。這使得空壓機在啟動時會有較大的啟動電流，加載和卸載時對設備機械沖擊較大；不光引起電源電壓波動，也會使壓縮氣源產生較大的波動；同時這種運行方式還會加速設備的磨損，降低設備的使用年限。
對空壓機進行變頻改造，能夠使電機實現軟起軟停，減小啟動沖擊，延長設備使用年限；同時由于電機運行頻率可變，實現了空壓機根據用氣量的大小自動調節電機轉速，減少了電機頻繁的加載和卸載，使得供氣系統氣壓維持恒定，在一定程度上節約了電能。
對空壓機進行變頻改造，能夠使電機實現軟起軟停，減小啟動沖擊，延長設備使用年限；同時由于電機運行頻率可變，實現了空壓機根據用氣量的大小自動調節電機轉速，減少了電機頻繁的加載和卸載，使得供氣系統氣壓維持恒定，在一定程度上節約了電能。
⑵、空壓機主電路和控制電路的變頻改造
以某品牌空壓機為例，圖4是其電路原理圖。可以看出該品牌型號的空壓機采用星-三角啟動方式，在其控制電路上有加載繼電器。在主電路改造時，將變頻器串接進原有的電源進線中；并適當修改控制回路，實現變頻器的啟停。
⑶、空壓機變頻改造后的啟動和運行方式
空壓機變頻改造后，電機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，角形交流接觸器的常開觸點沒有閉合，變頻器不啟動、無輸出；當PLC控制交流接觸器轉換為三角形接法后，變頻器開始空載變頻啟動電機。當變頻器啟動電機完成后，變頻器自動變頻運行。
五、螺桿式空氣壓縮機變頻改造后的工頻運行
在考慮變頻器發生故障或是檢修時，空壓機能按原有的工頻控制方式運行，這保證了空壓機在變頻和工頻狀態下都可以運行，也使得改造時可以不用重新編寫PLC程序，為此增加了一套工頻、變頻自由切換電路，以方便系統的切換。
六、螺桿式空氣壓縮機變頻改造節能分析
如式1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內拉動物體做直線運動，移動位移S。拉力F在時間T內作的功率P為
由數學知識可知線速度v和旋轉角速度ω之間的關系如式2所示,式中f為旋轉體的旋轉頻率。
將式2代入式1可以求得旋轉物體摩擦阻力功率如式3所示
由式3可以知道,克服旋轉體的摩擦阻力使旋轉體勻速轉動,需要向旋轉體提供的功率按式3公式計算（忽略機械效率損失，認為η為1）。式3中F’為旋轉體的旋轉摩擦阻力，r為旋轉體的旋轉半徑，f為旋轉體的旋轉頻率。所以我們可以在忽略空氣壓縮機機械效率損失，同時忽略空壓機機械效率因為電機轉速變化而變化的情況下，即始終認為空壓機機械效率η為1，可以近似地認為變頻器的輸出功率與空壓機電機的轉速成正比，即成一次方正比例關系。
如圖7所示是螺桿式空壓機工頻運行時的轉速/功率-周期示意圖。t1是空壓機加栽運行時間，t2是空壓機卸栽運行時間，加栽/卸栽時的轉速和功率分別為P1/n1和P2/n2。忽略空壓機機械效率η的變化，W1和W2分別為空壓機加栽運行時間t1和卸栽運行時間t2中由電源輸送給空壓機電機的能量。其中W1轉換為壓縮空氣勢能、動能和熱能等形式的能量，供設備使用。而W2則轉換為機械的摩擦熱能和聲音、震動等形式的能量損失掉。
所以螺桿式空壓機經過變頻改造后，由于電機處于變速運行情況下，而通過式3的推導知道電機的平均功率與電機的平均轉速成一次方正比例關系。空壓機變頻改造后，是根據用氣系統的用氣量恒壓變流供氣；所以變頻改造后，空壓機在周期T（t1+ t2）內所作的功W，等于同等工況下，空壓機工頻運行時，加載運行時間t1內所作的功W1。如圖8所示。
通過以上分析，可知只要知道螺桿式空壓機工頻改造前卸載運行時間和卸載電流，就可以大致計算出，相同工況下變頻改造后的節能功率和節能電量（忽略機械效率η的變化）。
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