空压（yā）机节能设备

　　空压机节能改造

　　空（kōng）压机概况

　　空压机，全名为空气压（yā）缩（suō）机，是一种工矿企业中最常用的空气动力提供设备。通常，空压机分为螺杆式空压机、活塞式空压机等。

　　● 螺杆式空压机工作原理（lǐ）

　　螺杆式空压机是由一对相互平（píng）行啮合的阴阳转（zhuǎn）子(或称螺（luó）杆)在气缸内转动（dòng），使转子齿槽之（zhī）间的空气不（bú）断地产生周期性（xìng）的容（róng）积（jī）变化，空气则沿着转子轴（zhóu）线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的（de）吸气、压缩和排气的全过程。空压机的（de）进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽（cáo）和阳（yáng）转子的齿被主电机驱动而旋转。

　　● 活塞式空压机工作原理（lǐ）

　　活塞式（shì）空压机是由电动机带动皮带轮通过联轴器直接驱（qū）动曲轴（zhóu），带动连杆与活塞杆（gǎn），使活塞在压缩机气缸内作往（wǎng）复运动，完成吸（xī）入、压缩、排出等过程（chéng）,将无压或低压气体升压，并输出到储压（yā）罐内。其中（zhōng），活塞组件，活（huó）塞与汽缸内壁及汽（qì）缸盖（gài）构成容积可变的工作腔，在曲柄连（lián）杆带动下，在汽缸内作往复运动以实现汽（qì）缸内气体的压缩。

　　空压机系统控制

　　空压机主电机运行方（fāng）式为星-角降压起动（dòng）后全压运行，供气系统具体工（gōng）作流程为：当按下启动按钮，控制系统接通启（qǐ）动器线圈并打开（kāi）断（duàn）油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内（nèi）的压力。等降压n秒（由时间继电器控制）后空压机开（kāi）始加载运行，系（xì）统（tǒng）压力开始（shǐ）上升。如果系统压力上升到压力开（kāi）关上限值，即起跳压力，控（kòng）制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力降到压力开关下限值后，即回跳压（yā）力下，控制器使（shǐ）进气阀打开，油气分离器放气（qì）阀关闭，压缩机打开，油气分离器放（fàng）气（qì）阀关闭，压缩机满（mǎn）载运行。

　　空（kōng）压机系统节能分析

　　在管道供气（qì）系统中（zhōng），最基本的（de）控制对象（xiàng）是流量，供气系统（tǒng）的基本任务就是要满足用户（hù）对流量的需求。目（mù）前，常（cháng）见的气体流量控制方式有加、卸载供气（qì）控制方（fāng）式和转速控（kòng）制（zhì）方式两种。

　　● 加、卸载供气控制

　　加、卸载供气控制方（fāng）式即为进气阀开关控制方式，即压力达到上限时关（guān）阀，压（yā）缩机进人轻载运行；压力抵达下限时（shí）开阀（fá），压（yā）缩机进入满载（zǎi）运行。

　　由于空压机不能排除在满负荷（hé）状态下长时间运（yùn）行的可能性，所以只能按（àn）最大（dà）需要来决定电动机的（de）容量，设计余量一般偏大（dà）。工频起动设备时（shí）的冲（chōng）击大，电机轴承的磨损大（dà），所以设备维护量大。虽然都（dōu）是降（jiàng）压启（qǐ）动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网（wǎng）的稳定（dìng）及其它用电设备的运行安全，而且大多数是连续运行，由于一般空气压缩机的拖动（dòng）电机本（běn）身不能调速，因此就不能直接使用压力或流量的变动来实现降（jiàng）速调节输出功率（lǜ）的匹配，电机不允许（xǔ）频繁启动，导致在用气量（liàng）少的时候电机仍然要空载运行，电能浪费巨大。

　　经常卸载和加载导致（zhì）整个气网压力经常变化，不能保持恒（héng）定的工作压力延长压缩机的使用寿命。空压机的有些调节方式（shì）（如调节阀门或调节卸载等方式）即使在需要流量较小的情况下，由于电机转速不变，电（diàn）机功率下降幅度比较小。

　　● 转速控制

　　即通过改变空压机的转速来调节流量，而阀门的开度保持不变（一般保持最（zuì）大开度）。当空压机转速（sù）改变时，供气系统的扬程特性随之改变，而管阻特性不变（biàn）。

　　在这种控制方式下，通过变频调速技术改变（biàn）空压机电机的转速，空压机的供气流量可随着（zhe）用气流量的改变而改变，达到真正（zhèng）的供需平衡，在节能的同时，也可使整个（gè）系统达到最佳工作（zuò）效率。变频器基于交一直一（yī）交电源（yuán）变换原理，可根据（jù）控制对象的需要输出频率连续可调的交流电压。电动机转速（sù）与电（diàn）源频率成正比，因此，用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电动机的（de）电源电压，可方便地改变空压机的转速。

　　空压机系统节能原理

　　采（cǎi）用变频器控制空压机的（de）转速以达到节能是一种较为科学的控制方法（fǎ）。根据空压机（jī）运行特（tè）性知：

　　Q1 / Q2 = n1 / n2

　　H1 / H2 =（ n1 / n2）2

　　P1 / P2 =（ n1 / n2）3

　　式中 Q———空压机供给管网风量（liàng）；

　　H———管网压力；

　　P———电机消耗功率；

　　n———空压机转速。

　　由（yóu）上式可知，当电机转速降（jiàng）至额定转（zhuǎn）速的（de）80%，则（zé）空压机供给管网风量降为80%，管（guǎn）网压力降为（80%）2，电机（jī）消耗功率则降为（80%）3，即51.2%，去除电（diàn）机（jī）机械损耗和电机铜、铁损耗等影响，节能效率也接近40%，这就是调速节能的原理所在。

　　长期实践证明（míng），在供气系统中接入变频节能系统，利用变频技术（shù）改变空压机转速来调节管道中的流量，以（yǐ）取代阀门调节方式，能取得明显的节能效果，一般节电率都在（zài）30％以上。另外，变频器（qì）的软启动功能及（jí）平滑调速的特点可实现对流量的平稳调节，同时减少启动冲击并延（yán）长机组及管组的使用寿命。

　　空压机变频（pín）改造（zào）方案

　　● 空压机变频改造注意事项

　　1)空压机是大转动惯量负载，这种启动特点就很（hěn）容易（yì）引起V/F控制（zhì）方（fāng）式的变频器在启动时出现跳过（guò）流保护的情况，建议选用具有高启动转矩（jǔ）的无速度传感器矢量变频器，保证即能实现恒压供气连（lián）续性，又保证设备可靠稳定（dìng）的运（yùn）行（háng）；

　　2)空压机不允许长时间在低频下运行，当空压机的转速（sù）过低，一方面将使空压机的工作稳定性变差，另一方面也使缸体（tǐ）的润滑变差，会加快磨损。所（suǒ）以工作的下限频率应不（bú）低于20Hz；

　　3)为了有（yǒu）效滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减小因高次谐（xié）波引起（qǐ）的电磁（cí）干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减小电机运行噪音和温升，提高电动机的稳定性。

　　● 恒（héng）压供气节能原理

　　如上所述，流量是供（gòng）气（qì）系统的基本（běn）控（kòng）制（zhì）对象（xiàng），供气流量需要随时满足用气（qì）流量。在供气系统中，储气管中的气压能够充分反映供气能力与用（yòng）气（qì）需求之（zhī）间的关系：

　　若 供气流量 > 用气流量 → 储气管气压（yā）上升

　　若 供气流（liú）量 < 用气流量 → 储（chǔ）气管气压下降

　　若 供气流量 = 用气流量 → 储（chǔ）气管气压（yā）不变

　　所以,保持管道（dào）中的气压恒定，就可保证（zhèng）该（gāi）处供气能力（lì）恰好满足用气需求，这（zhè）就是（shì）恒压供气系（xì）统所要达到（dào）的目的。

　　空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制时，系统原理框图如图1所示。

　　变频调速系统将管网（wǎng）压力（lì）作（zuò）为控制对象，装（zhuāng）在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为电（diàn）信号送给变频器内部的PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按（àn）既定的PID控（kòng）制模式进行（háng）运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和逆（nì）变频率（lǜ），调整电（diàn）动机的转速，从而使实际压力（lì）始终维持在给定压力。另（lìng）外，采用该方案后，空气压（yā）缩机电动机从静止到稳定转（zhuǎn）速可由变频器实现软启动，避免了启动时的大电流和启动给空气压缩机带来的机（jī）械冲（chōng）击。正常情况下，空气压（yā）缩机在变频器调速控制方式下工作。变频器一旦出现故障，生产工艺不允许（xǔ）空（kōng）气压缩机（jī）停机，因此，系统（tǒng）设置了工（gōng）频与变频切换功能，这样当变频器出现故障时，可由工频电源通过接（jiē）触器直接供电，使空气压缩（suō）机照常工（gōng）作。

　　整个控制过程如下：

　　用气需求↑ —— 管路气（qì）压↓—— 压（yā）力设定值与返馈值的差（chà）值↑ —— PID输出↑ —— 变（biàn）频器输（shū）出频率↑ —— 空压（yā）机电机转速↑ —— 供（gòng）气流量↑—— 管路气压趋于稳定（dìng）

　　特别（bié）注意，在压力容差范围内，变（biàn）频器的（de）PID不调（diào）节（jiē），即保持输出（chū）频率不变。

　　图3 空压机变频电气控制图

　　如图3,空压机电机的电路上安（ān）装了“市电（diàn）”、“节电”接触器，这样可以有（yǒu）“市（shì）电运行”与（yǔ）“节电运（yùn）行”两种工作模式选择：市电运行模式下（xià），变频器不工作，整套系统按原（yuán）有方式手动起停、工（gōng）频运行；节电运行模式下，空（kōng）压机由变频器直接拖动（dòng），系统根据用气量的变化（huà），自动调节空压机的（de）电机转速，使得储气（qì）罐始终保持恒定压力的气压输出。

　　总（zǒng）结

　　将变频（pín）调速技术引入空气压缩机（jī）领域，是近几年来各空压机厂（chǎng）家（jiā）研（yán）究的重要课题。各大牌专业空压机供应商都推出了自己变频空压机产品，并迅速在（zài）其（qí）高端市场具（jù）有（yǒu）很不（bú）错（cuò）的表现。但目前，大量的工频空压机的应用非常普遍（biàn），因此，空压机的改造市场非常巨大。衷心希望此空压机变频（pín）改造方案能给广大系统集成商、空压机最终（zhōng）用户、电气自动化爱好者以帮助，或者（zhě）是为（wéi）其提供一种新的思路。