馮東生 張時東 崔天龍
（成都佳靈電氣制造有限公司 成都佳靈變頻器廠）

摘 要 本文介紹了螺桿式空氣壓縮機的工作原理和電氣控制原理，對變頻節(jié)能改造進行了可行性分析，介紹了主電路和控制電路的改造方法，也指出了改造中的注意事項。事實證明，基比系列通用型變頻器應用于螺桿式空氣壓縮機運行穩(wěn)定、性能良好，具有較高的推廣和應用價值。


Application of Frequency Converter Rebuild in Screw Air Compressor Machine
Fong Dongsheng Zhang Shidong Cui Tianlong
Jaling Electric Manufacture Ltd., Co. Jaling frequency inverter Manufacture Plant

Abstract: This study is introduces the screw air compressor machine’s theory of operation and electrical control principle. It is not only analyst feasibility of energy saving after frequency rebuild, but also describes the rebuild method of main circuit and control circuit. The practice has proved that the JP6C frequency converter applied in screw air compressor machines has run efficiently and steadily, which is worth popularizing its applications.
Keywords: Screw Air Compressor Machine Energy Saving and Frequency Rebuild General Frequency Converter


0 前言
螺桿式空壓機廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)中，在其控制中采用加載-卸載閥來控制空壓機的供氣。由于用氣設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，有時會造成空壓機頻繁加載、卸載。空壓機卸載后電機仍然工頻運轉(zhuǎn)，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(wǎng)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(nèi)節(jié)約電能等效果。


1 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(jié)構(gòu)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(nèi)轉(zhuǎn)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(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體。


2 壓縮氣供氣系統(tǒng)組成及空壓機控制原理
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、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(tǒng)組成示意圖。



2 空氣壓縮機的控制原理
在工廠的空氣壓縮機控制系統(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的運行?？諌簷C啟動時，加載閥處于不工作態(tài)，加載氣缸不動作，空壓機頭進氣口關(guān)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(chǎn)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(fā)出卸載信號，加載閥停止工作，進氣口關(guān)閉，電機空載運行。圖3為某品牌空氣壓縮機的系統(tǒng)原理圖。


3 螺桿式空氣壓縮機變頻改造
1 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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)了空壓機根據(jù)用氣量的大小自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，減少了電機頻繁的加載和卸載，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。



2 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?？梢钥闯鲈撈放菩吞柕目諌簷C采用星-三角啟動方式，在其控制電路上有加載繼電器（注意該機的控制PLC為日系產(chǎn)品，PLC的數(shù)字量輸出端為低電平）。在主電路改造時，將變頻器串接進原有的電源進線中；控制電路中增加一個時間繼電器JS，時間繼電器的線圈一端與220V控制電路零線接通，另一端通過電機主電路上的交流接觸器KM1的一對常開觸點與220V控制電路火線接通。同時將加載閥中間繼電器與PLC的連線松開，將加載閥中間繼電器的一端直接和220V控制電路零線接通，另一端通過時間繼電器JS的一對常開觸點與220V控制電路火線接通。變頻器的正轉(zhuǎn)信號端子FWD，通過電機主電路上的交流接觸器KM1的一對常開觸點，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。



3 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，交流接觸器KM1的常開觸點沒有閉合，變頻器FWD端子與CM端子沒有接通，變頻器不啟動、無輸出；當PLC控制交流接觸器轉(zhuǎn)換為三角形接法后，KM1的常開觸點閉合，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。當變頻器啟動電機完成后，時間繼電器JS動作加載閥，變頻器自動變頻運行。


4 螺桿式空氣壓縮機變頻改造注意事項
1在進行變頻改造時應該注意，盡量保持原有設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，這保證了空壓機在變頻和工頻狀態(tài)下都可以運行，也使得改造時可以不用重新編寫PLC程序。
2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。
3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。
4變頻器的下限運行頻率一般要設在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，造成空壓機漏油現(xiàn)象。但要根據(jù)實際情況具體來考慮設定下限頻率值，因為不同的空壓機其機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。
5管路上的壓力傳感器的安裝位置要盡量靠近空壓機，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，空壓機不停機并發(fā)生爆炸危險。還應該保留空壓機原來的壓力停機保護開關(guān)。
6使用變頻器下限頻率延時停機功能。
7按生產(chǎn)工藝要求，變頻改造后，適當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。


5 螺桿式空氣壓縮機變頻改造節(jié)能分析

如圖6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)拉動物體做直線運動，移動位移S。拉力F在時間T內(nèi)作的功率P為 （式1）



由數(shù)學知識可知線速度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。
(式2)
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
(式3)
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（忽略機械效率損失，認為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機械效率損失，同時忽略空壓機機械效率因為電機轉(zhuǎn)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(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工頻運行時的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)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(zhuǎn)速成一次方正比例關(guān)系?？諌簷C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，空壓機在周期T（t1+ t2）內(nèi)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(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(jié)能功率和節(jié)能電量（忽略機械效率η的變化）。