变频技术在螺杆空气压缩机中的应用研究

□ 杜巧连 □ 陈旭辉

1.浙江师范大学 行知学院 浙江金华 321004

2.浙江金华市技师学院 浙江金华 321000

变频技术在螺杆空气压缩机中的应用研究

□ 杜巧连1□ 陈旭辉2

1.浙江师范大学 行知学院 浙江金华 321004

2.浙江金华市技师学院 浙江金华 321000

以双螺杆空气压缩机为研究对象，分析了变频式螺杆空气压缩机的工作原理及结构特点，阐述了变频技术在传统螺杆空气压缩机中的应用，并对应用变频技术改造后的空气压缩机的性能进行了研究分析。研究表明，在空气压缩机中使用变频技术有利生产设备的稳定运行，同时也会产生较好的节能效果。

空气压缩机 变频技术 节能

空气压缩机是一种用以提高气体压力的机械，由于其动力的方便性和灵活性，用途极为广泛，几乎遍及工业、农业、交通运输、医疗卫生、国防、科研乃至生活的许多领域，在国民经济中占有相当重要的地位。近几年，国内空气压缩机年销售总量在120亿元以上，并且连续数年均以20%以上的速度增长，广阔的市场越来越受到国内外厂商的密切关注。

我国是一个能源紧缺的国家，节能减排工作是我国长期而艰巨的任务，据不完全统计，在我国，电能的60%是被各行各业中广泛使用的风机、水泵等通用机械所消耗，而空气压缩机则占了其中的15%左右。厂家在设计空气压缩机系统的过程中，不能排除空气压缩机在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以，只能按最大的需要来决定电动机的容量，为此设计余量一般偏大。而实际生产过程中，空气压缩机是处于变工况状态，空气压缩机的负荷率平均约为67%，在这样的工作负荷下，空气压缩机浪费了大量的电能。对空气压缩机进行变频改造，能够使电机实现软启软停，减小启动冲击，延长设备使用年限；同时由于电机运行频率可变，实现了空气压缩机根据用气量的大小自动调节电机转速，减少了电机频繁加载和卸载，使供气系统气压维持恒定，在一定程度上节约了电能。

1 螺杆空气压缩机的工作原理

据统计，2010年国内动力用双螺杆压缩机的销售总量已达到80亿元左右，占压缩机销售总量的40%多，空气压缩机在工业中用途的广泛性，为变频螺杆压缩机的发展展示了一个美好的前景。

一般意义上的螺杆空气压缩机是指双螺杆压缩机，它诞生于20世纪30年代，由一对相互啮合的转子和机壳组成，依靠运转时容积的变化来吸入、压缩和排出空气，具有结构简单、可靠性高和动力平衡性好的特点，操作和维护也十分方便。螺杆空气压缩机是通过一对转子在机壳内作回转运动来改变工作容积，使气体体积缩小、密度增加，从而提高气体的压力。

螺杆空气压缩机由螺杆机头、电动机、油气分离桶、冷却系统、空气滤清器、润滑系统、安全阀和控制系统等组成，整机装在一个箱体内，自成一体，直接放在平整的水泥地面上即可，无需用地脚螺栓固定在基础上，如图1所示。

螺杆机头是一种双轴容积式回转型压缩机头，一对高精密主（阳）、副（阴）转子平行地装于机壳内部，主（阳）转子有4个齿，而副（阴）转子有6个齿，主转子直径大，副转子直径小。齿为螺旋状，两者相互啮合。主副转子两端分别由轴承支承定位，工作时电动机通过连轴器（或皮带）直接带动主转子，由于两转子相互啮合，主转子直接带动副转子一同旋转。

螺杆式空气压缩机的工作原理为螺杆机头、油气分离桶通过吸气过滤器和进气控制阀吸气，同时油注入空气压缩室，对机头进行冷却、密封以及对螺杆及轴承进行润滑，空气压缩室产生压缩空气。压缩后生成的油气混合气体排放到油气分离桶内，由于机械离心力和重力的作用，绝大多数的油从油气混合体中分离出来。空气经过由硅酸硼玻璃纤维制成的油气分离筒芯，几乎所有的油雾都被分离出来，从油气分离筒芯分离出来的油通过回油管回到螺杆机头内。在回油管上装有油过滤器，回油过滤后，洁净的油流回至螺杆机头内。当油被分离出来后，压缩空气经过最小压力控制阀离开油气筒进入后冷却器。后冷却器把压缩空气冷却后排到贮气罐供各用气单位使用，冷凝水则集中在贮气罐内，通过自动排水器或手动排出。

2 变频技术在螺杆空气压缩机中的应用

传统的螺杆空气压缩机存在的不足之处有：电机功率一般较大，启动方式多采用空载（卸载）星、三角启动，加载和卸载方式都为瞬时，使空气压缩机在启动时会有较大的启动电流，加载和卸载时对设备机械冲击较大，不仅会引起电源电压波动，也会使压缩气源产生较大的波动，这种运行方式还会加速设备的磨损，降低设备的使用年限。以上这些因素严重制约了空气压缩机的进一步的发展，要想解决这些不足之处，需要对空气压缩机进行变频改造。变频器作为一种能将频率固定的交流电（三相或单相）变换成频率连续可调的三相交流电源的设备，用它来控制空气压缩机的电动机，能十分方便地改变压缩机的转速，连续调节供气量，使系统压力始终维持在所要求的数值上，达到恒压供气的目的。一般而言，工业中常用的螺杆空气压缩机所配备的电动机小到22 kW，最大可达250 kW，以笼型异步电动机为主，属于典型的中小型电动机范围。变频技术能够通过控制电动机转速进而改变压缩机主机的速度来保证压缩空气的供气与用气相匹配，进而达到稳定系统压力，降低系统流量负荷的目的。因此，变频技术不仅有利生产设备的稳定运行，而且会产生较好的节能效果。

▲图1 螺杆空气压缩机机工作流程图

2.1 变频系统构成

变频控制系统由电源切换柜、变频器、智能PID控制器、传感器和空气压缩机等组成，系统中安装电源切换柜是为了保证变频系统出现故障时仍能保证空气压缩机的正常运行。螺杆压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制，系统组成及原理框图如图2所示。

2.2 变频工作原理

变频控制系统是通过安装在压缩空气系统总管上的压力传感器将检测到的系统压力变化传给PID控制器，PID控制器按照设定压力输出一个电流信号送到变频器。当压力传感器检测到的压力信号大于目标压力设定值时，PID控制器输出的信号减弱，使变频器输出频率降低，空气压缩机电动机转速降低，输送到管网的气量减少，系统压力降低；当压力传感器检测到的压力信号小于目标压力设定值时，PID控制器输出的信号增强，使变频器输出频率增加，空气压缩机电动机转速上升，空气压缩机输送到管网的气量增加，系统压力升高，从而达到稳定系统压力的目的。

空气压缩机变频控制电动机转速和电源频率的关系可由下式表示：

式中：n为电动机转速；s为电动机转差率；f为电源频率；p为电动机极对数。

▲图2 系统组成及原理图

2.3 变频控制方案设计

变频控制方案采用双变频控制设计，如图3所示。主电动机变频器作用有使气压稳定、节能、启动无冲击、噪声低、对储气罐容量要求小等特点；冷却风扇电机变频器作用有使冷却风扇在所有的工况下都能安全可靠的工作，使系统温度保持在最佳状态等特点。

变频启动与运行情况为：空气压缩机启动时，加载电磁阀处于失电状态，进气阀关闭，仅靠进气阀阀片小孔进气建立内压，机组空载启动，运行频率从0 Hz提升至50 Hz，缓缓加速启动。一段时间（在此设置为10 s）后，加载电磁阀打开，空气压缩机开始加载运行。

如果用气量较大，压缩气体压力未达到压力上限值，则机组会在50 Hz状态下全速加载运行；如果用气量稍少，则通过压力检测进行无级变速跟踪产气，频率在下限（20 Hz）与上限（50 Hz）之间，在保持排气压力不变的状况下，满足仅需要的产气量；如果用气量较小或已不用气，运行频率下降至下限频率，当压力达到上限设定值时，加载电磁阀停止工作，进气阀关闭，电机空载运行，进入停机模式。

当空气压缩机连续运行，压缩机主体温度升高，当温度达到一定程度时，风扇变频器启动风机，进入机组恒温控制运行状态。

2.4 变频改造后的应用效果分析

（1）供气压力稳定。变频螺杆空气压缩机利用变频器的无级调速特点，根据用户设定期望压力和实际用气量进行无级变速产气，对压力实现快速调节控制，实现恒定排气压力目的。图4为变频后供气压力图。

（2）节约电能。原来的系统当储气罐内的气体压力达到设定压力值后，一般有两种节能方法：一种是空气压缩机卸荷运行，不产生压缩气体，电机处于空载运行，其用电量仍为满负载的30%～60%，这部分电能被白白浪废掉。另一种方法是停止空气压缩机运行，等气压不够时再启动空气压缩机，这样就带来了电动机的频繁启动，空气压缩机的空载启动电流大约是额定电流的5～7倍，对电网及其它用电设备冲击较大，电能损耗较大，同时使空气压缩机的使用寿命也会缩短。采用改造后的系统解决了上述问题，节约了大量的电能，节电效果大概在30%以上。尽管工频螺杆空气压缩机采取了各种节能措施，但变频螺杆机是根据用户实际用气量来实时调整电动机转速，用气量低的时候空气压缩机自动进入休眠状态，因此大大减少了能源的浪费。

（3）启动无冲击。变频器是一个软启动装置，启动电流最大在额定电流的两倍左右，与工频启动（额定电流的4～6倍）相比，对电网的冲击及整个机械系统的冲击将大大减少。图5为工频控制与变频控制电流特性对比图。

（4）降低噪声。稳定运行时，频率一般都小于工频50 Hz，没有加卸载伺服系统，机械噪声下降，机械磨损小。若风机也采用变频驱动，能显著降低空气压缩机工作时的噪声。

（5）交流电源的电压适应性更好。由于变频器采用的过调制技术，在交流电源电压稍低时仍可输出足够的力矩，驱动电动机工作；当电压稍高时，也不会导致输出到电动机的电压偏高。

（6）对储气罐容量要求小，节省成本。变频螺杆压缩机和普通螺杆压缩机相比具有一定的优势，主要体现在空载耗电和压差耗电两个部分：①压缩机处于变工况的工作状态，按平均67%的负荷率运行，其中33%为空载卸荷；② 普通压缩机卸荷运行过程中，为了避免压缩机进气阀的频繁调节，供气系统内的压力要求一个上限控制值，一般高出1 bar，增加了因压缩比增大而消耗的功。以37 kW机组为例，机组平均负荷率为：一年运行8 000 h，其空载耗电4.4万kW·h，压差耗电2.8万kW·h，单台 37 kW变频螺杆压缩机和普通机组相比，每年可直接节电7.2万kW·h；③机组可靠性得到提高，供气压力系统维持稳定，噪声降低，热排放量减少。

▲图3 变频驱动系统图

▲图4 变频后供气压力图

▲图5 工频控制与变频控制电流特性对比图

3 结束语

研究表明，空气压缩机使用变频技术不仅有利生产设备的稳定运行，而且会产生较好的节能效果。此外，采用变频技术还需注意的几个问题：① 空气压缩机是大转动惯量负载，这种负载的启动容易引起变频器在启动时出现过载保护，若采用具有高启动转矩的直接转矩控制（DTC）变频器，具有转矩动态响应速度快且无超调、控制结构简单等优点，既能实现恒压供气的连续性，又可保证设备稳定的运行；②空气压缩机不允许长时间在低频下运行，工作下限应不低于20 Hz；③建议功率选用比空气压缩机功率大一等级的变频器，以免空气压缩机启动时出现频繁跳闸的情况；④为了有效滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器滤波，还可以减少电动机运行的噪声。

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（编辑 丁 罡）

TH113.2+3；TP272

A

1000-4998（2015）02-0068-04

2014年8月