永磁变频螺杆空压机节能环保技术分析与应用

曾燕平 李东方 黄增阳

摘 要：螺杆空压机是压缩空气系统的动力装置，能够为系统提供压力与流量的压缩空气，在矿山工业、钢铁冶金、石油化工、有色金属品制备、医疗器械等行业有着广泛的应用。然而，随着环保要求越来越严格、低能耗节能要求越来越急迫，永磁变频螺杆空压机在我国鼓励节能减排、降能耗的技术背景下应运而生。本研究介绍了螺杆空压机的工作特点以及工作原理，分析了永磁变频技术在螺杆压缩机节能环保技术中的应用。

关键词：永磁变频;螺杆空压机;节能减排

中图分类号：TH45   文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）2-0039-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.009

Analysis and Application of Energy Saving and Environmental Protection Technology for Permanent Magnet Frequency Conversion Screw Air compressor

ZENG Yanping1    LI Dongfang2    HUANG Zengyang3

（1.Zhengjiang Sunhi-Mach Co.，Ltd.， Quzhou 324000，China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Quzhou College of Technology， Quzhou 324000，China; 3. Qu zhou Institute of Metroloyy and Quanhity Inepection， Quzhou 324000，China）

Abstract： The screw air compressor is the power unit of the compressed air system. It provides the pressure and flow compressed air for the system， in the mining industry， iron and steel metallurgy， petrochemical， non-ferrous metal products， medical equipment and other industries have a wide range of applications. However， with more and more stringent environmental protection requirements， low energy consumption and energy saving requirements become more urgent， permanent magnet variable frequency screw air compressor in China to encourage the technical background of emission reduction， energy consumption reduction. This study introduces the working characteristics and working principle of screw air compressor， and analyzes the application of permanent magnet permanent magnet frequency conversion technology in screw compressor for energy saving and environmental protection.

Keywords： ermanent magnet frequency conversion; screw air compressor; energy saving and emission reduction

0 引言

一般情况下，空压机整机寿命周期内，成本主要涵盖有生产采购、日常维护以及能源消耗费用。尤其是后期使用过程中的能源消耗费用占据着巨大的比例，这一比例[1]通常占工厂总电量消耗量的1/5～1/4，尤其是以气动工具为主的厂矿企业，少数甚至可达1/2，因此空压机的节能就显得尤为重要和必要。针对螺杆空压机型来讲，有两种节能手段，分别是普通变频型和永磁变频型。普通变频型是利用外接式的变频器来对电机进行调速，从而实现节能的目的。然而，普通变频型往往是非满负载运行状态。故此空气压缩机的节能优化设计或者改造，就为节能降耗的实现提供了许多空间。据不完全统计，螺杆空气压缩机的装机量达到总装机量的65%左右。本研究主要从螺杆空压机工作原理（工作过程）、螺杆空压机装机电机类型、螺杆空压机永磁同步电机节能机理以及永磁变频螺杆空压机技能技术等方面对永磁变频螺杆空压机节能环保技术及应用进行分析。

1 螺杆空压机工作原理（工作过程）介绍

图1为螺杆压缩机工作原理（工作过程）图。螺杆空压机机体内部有一双平行布置而又同时啮合的螺杆做旋转运动。阴阳转子带动进口的空气旋转，进而被压缩发生体积变化，主要包含4个过程[2]，即吸气过程、压缩过程、压缩气体与喷油过程，以及排气过程。

整过工作过程简述如下：永磁同步电机通过联轴器驱动螺杆转子，外界空气充满了主从螺杆齿沟空間，当螺杆转子进气的一侧转离了进气口时，在空间内的气体被主从螺杆和机体之间的空间所密封，从而完成吸气。被压缩的空气进一步随着螺杆转子与机体之间的密封空间伴随着螺杆转子的角度转动而变小，呈现着“螺旋移动”的状态，这个过程被称为压缩过程。被压缩的空气随着螺杆螺旋线被运送至出口的过程中，其容积不断减小。随着气体不断被压缩，气体的温度也随之升高，与此同时，喷入的润滑油也被压缩雾化，起到对压缩空气降温密封以及对机械结构润滑的功用。再当螺杆转子密封齿峰转到机体排气口时，被压缩的气体开始排放，进而完成排气过程。同一时刻，进口的气体持续不断地重复着上述过程，这样，气体从入口被源源不断地压缩输送至压缩机出口。

在压缩空气进行调控的系统中，待压缩空气通过进气口的过滤器除去空气中的诸如杂质和尘埃等，过滤后的空气通过进气阀门流入压缩机的吸气端口，在这个过程中，进来的气体会被混合进润滑油。其次，通过压缩的油气两相混合气液体通过单向阀进入气-油分离器，分别进行一次分离和二次分离，再然后，通过2次分离后的油气通过最小压阀、冷却器和气-水分离器后，才能够被输送到压缩气体储存系统中。

压缩过程中气体的压力p与体积V的关系如图2所示[3]。其中3'-1段为等温压缩过程曲线，假如是采用单级压缩，则压缩过程中所消耗的功率为6-1-3"-4-6所包含区域;当采用两级压缩，则压缩过程中所消耗的功率为6-1-2-5-6和5-2'-3-4-5所包含区域之和。由此可见，节省的功率就相当于2'-2-3"-3-2'所在区域。不难看出，与折合等温压缩过程相比，功率消耗仍然是2'-3-3'-2以及1-2-2'-1的区域之和。

2 永磁变频空压机节能技术原理分析

2.1 螺杆空压机装机电机类型分析

一般地，通用工频电动机驱动的螺杆空压机称为工频螺杆空压机;而当配用变频器控制的变频电机时，则称为变频螺杆空压机。当配用的电机是异步启动的永磁同步电动机时，则称为永磁螺杆空压机;而当配用的电机为永磁同步电动机时，则称为永磁变频螺杆空压机[4-6]。永磁同步电动机与变频器高度集成，转子采用磁性最强、磁性最稳定的永磁体，定子绕组采用真空压力浸漆加上环氧树脂进行真空灌封而成。某公司生产的螺杆空压机铭牌，如图3所示。LG-350型螺杆空压机的排气量为40.0 m3/min，额定排气压力为0.7 MPa，电机的输入功率为 250 kW，机组的输入比功率为6.6 kW/（m3/min），额定转速为2 975 r/min，重量为4 500 kg，外形尺寸为3 450 mm×2 100 mm×2 000 mm。

2.2 螺杆空压机永磁同步电机节能机理分析

由永磁电机效率核算公式[7]可知，永磁电机的总损耗由铁损、铜损、机械损耗以及其他杂散损耗构成。而且在总损耗中，铁铜损耗占4/5以上。因此，螺杆空压机永磁同步电机的节能要求主要考虑以下几点。

2.2.1 高效率η。螺杆空压机永磁同步电机的磁场产生于永磁体。永磁体的使用降低了励磁电流的相关能量耗损。永磁同步电动机具有较宽的高效区域，特别是电机在低速运行时。这个特性远远高于Y系列笼式异步电动机。通过对比Y系列异步电动和永磁同步电机的转速n-效率η曲线图（见图4）[8]，可以看出，虽然两种电机的最大效率比较相似，然而n（转速）在0.15n1～n1（n1为同步转速）范围内，永磁同步电机的效率始终接近于最大效率ηmax。但是在相同转速范围内，Y系列笼式异步电动机的效率η分布在0.20～0.95。由此可见，永磁同步电机具有极高的效率η，永磁同步电机的使用使节能效果特别明显。

2.2.2 大启动力矩T。一般情况下，永磁同步电机的启动力矩T与额定力矩T0之比大于3。相比较而言，同等条件下的Y系列笼式异步电动机的该值仅约为1.5。大启动力矩的特性较适用于螺杆空压机等重载机械的使用。

2.2.3 高而稳定的功率因数cosα。由于永磁同步电机磁场不是依靠励磁绕组，因而不存在定转子之间气隙阻抗较大而带来的无功功率损耗。因此，永磁同步电机的功率因数cosα最大可达到0.96。同时，永磁同步电机的极数不会引起功率因数cosα的改变，因此，功率因数cosα较为稳定。尤其是在较低的运行速度工况时，相比较而言，Y系列笼式异步电动机的功率因数cosα仅在0.9左右。此外，Y系列笼式异步电动机的功率因数cosα也会随着电机极数的增大而降低。从功率因数cosα来看，永磁同步电机也是十分适合装机于螺杆空压机来满足节能要求。

2.3 永磁变频螺杆空压机技能技术分析

单纯从技术角度出发，永磁变频螺杆空压机之所以具有技能环保的原因主要是，使用变频器驱动变频电机会使气体产生量与能量消耗呈线性变化，降低能耗;变频器和空压机辅助装置的合理配置，可以提高空压机运行性能;变频电机带动空压机的启动电流小，能量消耗降低，对电网冲击小，进而提高空压机整机的可靠性和稳定性。由于采用了变频器进行无极调速，实现了螺杆空压机启动平缓和调节响应速度快，这样一来，空压机气压就相对较为稳定。基于变频器的软启动特性，能够保证启动电流不大于1.6倍的额定电流（Ie）。这一点与工频工作下启动时6倍于额定电流（Ie）的情况相比，启动冲击削弱了许多，从而极大降低了启动过程对整个电网的冲击，同时也降低了空压机内部的机械冲击。永磁变频螺杆空压机的流量控制是可变的，可以达到小压差损耗、小空载损耗的目的。这是由于变频器能够通过实时用气量来调整电机转速达到控制空压机排量。除此之外，通过相应的控制策略的优化，又可以进一步提高技能效果。调制技术的使用能够使电机对交流电电压适应性更强。例如，当交流电压稍低时，系统仍然能够输出足够的驱动力矩;当交流电压稍高时，变频技术的应用也能够正常驱动。永磁变频电机在变频器的调节下，空压机的转速为变值，从而可以控制空压机气体产生量，这种控制方式是最直接而且是最节能的控制形式。利用闭环控制的变频器，螺杆空压机的转动可以由供气系统的压力实现自动调速，排气管道系统的压力波动小、稳定性高。这一点对空压机外的生产工艺系统稳定具有重要意义，实现工艺系统节能，降低压缩机电能消耗量，起到切实的节能功效。

变频技术的使用使得螺杆空压机的系统产生变化，其根源在于变频空压机是根据气量调节使用。运行频率越低则空压机转速就越小，相应的轴承损耗也越小。例如，进氣阀可以进行优化，仅保留常闭功能就能满足使用，容调电磁阀和相应的调节机构也可优化去除。此外，缩减螺杆空压机使用过程中的故障出现频次和降低维修量，可以把喷油螺杆空压机的气压喷油优化为变频齿轮油泵来进行润滑油喷射，这样可以达到兼具可靠与高效的效果。

3 结语

笔者分析了永磁变频技术的优点以及螺杆空压机的工作原理（工作过程）。节能环保是螺杆空压机行业能耗等级提升的必然要求。永磁变频电机及变频技术在螺杆空压机中的使用，开拓了螺杆空压机的产品谱系，从而推动永磁变频螺杆空压机在空压机产品中逐渐成为最为重要的技术产品之一。鉴于永磁同步电动机的特有性能，在变工况运行过程中，采用永磁变频技术的螺杆空压机的节能效果尤为明显，同时，永磁变频螺杆空压机节能技术存在特别好的深度挖掘潜力。永磁变频螺杆空压机在使用中高效节能，将会为能源节约、碳中和贡献更大的力量。

参考文献：

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