空壓機概況

空壓機，全名為空氣壓縮機，是一種工礦企業(yè)中常用的空氣動力提供設備。通常，空壓機分為螺桿式空壓機、活塞式空壓機等。

（1）、螺桿式空壓機工作原理

螺桿式空壓機是由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子(或稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實現(xiàn)螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程?？諌簷C的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽和陽轉(zhuǎn)子的齒被主電機驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)。

（2）、 活塞式空壓機工作原理

活塞式空壓機是由電動機帶動皮帶輪通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動曲軸，帶動連桿與活塞桿，使活塞在壓縮機氣缸內(nèi)作往復運動，完成吸入、壓縮、排出等過程,將無壓或低壓氣體升壓，并輸出到儲壓罐內(nèi)。其中，活塞組件，活塞與汽缸內(nèi)壁及汽缸蓋構(gòu)成容積可變的工作腔，在曲柄連桿帶動下，在汽缸內(nèi)作往復運動以實現(xiàn)汽缸內(nèi)氣體的壓縮。

2、空壓機系統(tǒng)控制

空壓機主電機運行方式為星-角降壓起動后全壓運行，供氣系統(tǒng)具體工作流程為：當按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動器線圈并打開斷油閥，空壓機在卸載模式下啟動，這時進氣閥處于關閉位置，而放氣閥打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力。等降壓n秒（由時間繼電器控制）后空壓機開始加載運行，系統(tǒng)壓力開始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開關上限值，即起跳壓力，控制器使進氣閥關閉，油氣分離器放氣，壓縮機空載運行，直到系統(tǒng)壓力降到壓力開關下限值后，即回跳壓力下，控制器使進氣閥打開，油氣分離器放氣閥關閉，壓縮機打開，油氣分離器放氣閥關閉，壓縮機滿載運行。  

3、空壓機系統(tǒng)節(jié)能分析

在管道供氣系統(tǒng)中，基本的控制對象是流量，供氣系統(tǒng)的基本任務就是要滿足用戶對流量的需求。目前，常見的氣體流量控制方式有加、卸載供氣控制方式和轉(zhuǎn)速控制方式兩種。

（1）、加、卸載供氣控制

加、卸載供氣控制方式即為進氣閥開關控制方式，即壓力達到上限時關閥，壓縮機進人輕載運行；壓力抵達下限時開閥，壓縮機進入滿載運行。

由于空壓機不能排除在滿負荷狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以只能按大需要來決定電動機的容量，設計余量一般偏大。工頻起動設備時的沖擊大，電機軸承的磨損大，所以設備維護量大。雖然都是降壓啟動，但起動時的電流仍然很大，會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設備的運行安 全，而且大多數(shù)是連續(xù)運行，由于一般空氣壓縮機的拖動電機本身不能調(diào)速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現(xiàn)降速調(diào)節(jié)輸出功率的匹配，電機不允許頻繁啟動，導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，電能浪費巨大。
經(jīng)常卸載和加載導致整個氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命?？諌簷C的有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門或調(diào)節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉(zhuǎn)速不變，電機功率下降幅度比較小。

（2）、轉(zhuǎn)速控制

即通過改變空壓機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門的開度保持不變（一般保持大開度max）。當空壓機轉(zhuǎn)速改變時，供氣系統(tǒng)的揚程特性隨之改變，而管阻特性不變。

在這種控制方式下，通過變頻調(diào)速技術改變空壓機電機的轉(zhuǎn)速，空壓機的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變，達到真正的供需平衡，在節(jié)能的同時，也可使整個系統(tǒng)有較高的工作效率。變頻器基于交一直一交電源變換原理，可根據(jù)控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此，用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空壓機電動機的電源電壓，可方便地改變空壓機的轉(zhuǎn)速。

4、空壓機系統(tǒng)節(jié)能原理

采用變頻器控制空壓機的轉(zhuǎn)速以達到節(jié)能是一種較為科學的控制方法。根據(jù)空壓機運行特性知：

Ø Q1 / Q2 = n1 / n2

Ø H1 / H2 =（ n1 / n2）²

Ø P1 / P2 =（ n1 / n2）³

Ø 式中 Q———空壓機供給管網(wǎng)風量；

Ø H———管網(wǎng)壓力；

Ø P———電機消耗功率；

Ø n———空壓機轉(zhuǎn)速。

由上式可知，當電機轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的80%，則空壓機供給管網(wǎng)風量降為80%，管網(wǎng)壓力降為（80%）²，電機消耗功率則降為（80%）³，即51.2%，去除電機機械損耗和電機銅、鐵損耗等影響，節(jié)能效率也接近40%，這就是調(diào)速節(jié)能的原理所在。

長期實踐證明，在供氣系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術改變空壓機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道中的流量，以取代閥門調(diào)節(jié)方式，能取得明顯的節(jié)能效果，一般節(jié)電率都在30％以上。另外，變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點可實現(xiàn)對流量的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，同時減少啟動沖擊并延長機組及管組的使用壽命。

5、空壓機變頻改造方案

（1）、空壓機變頻改造注意事項

Ø 空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，這種啟動特點就很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動時出現(xiàn)跳過流保護的情況，建議選用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器，保證即能實現(xiàn)恒壓供氣連續(xù)性，又保證設備可靠穩(wěn)定的運行；

Ø 空壓機不允許長時間在低頻下運行，當空壓機的轉(zhuǎn)速過低，一方面將使空壓機的工作穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會加快磨損。所以工作的下限頻率應不低于20Hz；

Ø 為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減小電機運行噪音和溫升，提高電動機的穩(wěn)定性。

（2）、恒壓供氣節(jié)能原理

如上所述，流量是供氣系統(tǒng)的基本控制對象，供氣流量需要隨時滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中，儲氣管中的氣壓能夠充分反映供氣能力與用氣需求之間的關系：

Ø 若   供氣流量 > 用氣流量   →   儲氣管氣壓上升

Ø 若   供氣流量 < 用氣流量   →   儲氣管氣壓下降

Ø 若   供氣流量 = 用氣流量   →   儲氣管氣壓不變

所以,保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達到的目的。

空氣壓縮機采用變頻調(diào)速技術進行恒壓供氣控制時，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

       變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率，調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。另外，采用該方案后，空氣壓縮機電動機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟啟動，避免了啟動時的大電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機在變頻器調(diào)速控制方式下工作。變頻器一旦出現(xiàn)故障，生產(chǎn)工藝不允許空氣壓縮機停機，因此，系統(tǒng)設置了工頻與變頻切換功能，這樣當變頻器出現(xiàn)故障時，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機照常工作。

整個控制過程如下：

氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設定值與返饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機電機轉(zhuǎn)速↑ —— 供氣流量↑—— 管路氣壓趨于穩(wěn)定

圖2   壓力頻率PID曲線圖

特別注意，在壓力容差范圍內(nèi)，變頻器的PID不調(diào)節(jié)，即保持輸出頻率不變。

如圖3,空壓機電機的電路上安裝了“市電”、“節(jié)電”接觸器，這樣可以有“市電運行”與“節(jié)電運行”兩種工作模式選擇：市電運行模式下，變頻器不工作，整套系統(tǒng)按原有方式手動起停、工頻運行；節(jié)電運行模式下，空壓機由變頻器直接拖動，系統(tǒng)根據(jù)用氣量的變化，自動調(diào)節(jié)空壓機的電機轉(zhuǎn)速，使得儲氣罐始終保持恒定壓力的氣壓輸出。

圖3   空壓機變頻電氣控制圖

6、總結(jié)

       將變頻調(diào)速技術引入空氣壓縮機領域，是近幾年來各空壓機廠家研究的重要課題。各品牌專業(yè)空壓機供應商都推出了自己變頻空壓機產(chǎn)品，并迅速在其高端市場具有很不錯的表現(xiàn)。但目前，大量的工頻空壓機的應用非常普遍，因此，空壓機的改造市場非常巨大。衷心希望此空壓機變頻改造方案能給廣大系統(tǒng)集成商、空壓機終端用戶、電氣自動化愛好者以幫助，或者是為其提供一種新的思路。