馮東生 張時(shí)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(jī)的工作原理和電氣控制原理，對(duì)變頻節(jié)能改造進(jìn)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(xiàng)。事實(shí)證明，基比系列通用型變頻器應(yīng)用于螺桿式空氣壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、性能良好，具有較高的推廣和應(yīng)用價(jià)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(jī)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(lái)控制空壓機(jī)的供氣。由于用氣設(shè)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(dòng)，有時(shí)會(huì)造成空壓機(jī)頻繁加載、卸載?？諌簷C(jī)卸載后電機(jī)仍然工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅浪費(fèi)電能而且增加設(shè)備的機(jī)械磨損；空壓機(jī)加載過(guò)程是突然加載，也會(huì)對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)造成較大的沖擊。因此對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造具有改善電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行方式、減少設(shè)備的機(jī)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(jī)的工作原理

以單螺桿空壓機(jī)為例說(shuō)明空氣壓縮機(jī)工作原理，如圖1所示為單螺桿空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。螺桿式空氣壓縮機(jī)的工作過(guò)程分為吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個(gè)過(guò)程。當(dāng)螺桿在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺桿與殼體的齒溝相互嚙合，空氣由進(jìn)氣口吸入，同時(shí)也吸入機(jī)油，由于齒溝嚙合面轉(zhuǎn)動(dòng)將吸入的油氣密封并向排氣口輸送；在輸送過(guò)程中齒溝嚙合間隙逐漸變小，油氣受到壓縮；當(dāng)齒溝嚙合面旋轉(zhuǎn)至殼體排氣口時(shí)，較高壓力的油氣混合氣體排出機(jī)體。


2 壓縮氣供氣系統(tǒng)組成及空壓機(jī)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(jī)、冷干機(jī)、過(guò)濾器、儲(chǔ)氣罐、管路、閥門(mén)和用氣設(shè)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(jī)的控制原理
在工廠的空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中，普遍采用后端管道上安裝的壓力繼電器來(lái)控制空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行?？諌簷C(jī)啟動(dòng)時(shí)，加載閥處于不工作態(tài)，加載氣缸不動(dòng)作，空壓機(jī)頭進(jìn)氣口關(guān)閉，電機(jī)空載啟動(dòng)。當(dāng)空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后，如果后端設(shè)備用氣量較大，儲(chǔ)氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達(dá)到壓力上限值，則控制器動(dòng)作加載閥，打開(kāi)進(jìn)氣口，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行，不斷地向后端管路產(chǎn)生壓縮氣。如果后端用氣設(shè)備停止用氣，后端管路和儲(chǔ)氣罐中壓縮氣壓力漸漸升高，當(dāng)達(dá)到壓力上限設(shè)定值時(shí)，壓力控制器發(fā)出卸載信號(hào)，加載閥停止工作，進(jìn)氣口關(guān)閉，電機(jī)空載運(yùn)行。圖3為某品牌空氣壓縮機(jī)的系統(tǒng)原理圖。


3 螺桿式空氣壓縮機(jī)變頻改造
1 空壓機(jī)工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行的比較
空壓機(jī)電機(jī)功率一般較大，啟動(dòng)方式多采用空載（卸載）星-三角啟動(dòng)，加載和卸載方式都為瞬時(shí)。這使得空壓機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有較大的啟動(dòng)電流，加載和卸載時(shí)對(duì)設(shè)備機(jī)械沖擊較大；不光引起電源電壓波動(dòng)，也會(huì)使壓縮氣源產(chǎn)生較大的波動(dòng)；同時(shí)這種運(yùn)行方式還會(huì)加速設(shè)備的磨損，降低設(shè)備的使用年限。
對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，能夠使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起軟停，減小啟動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用年限；同時(shí)由于電機(jī)運(yùn)行頻率可變，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)根據(jù)用氣量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少了電機(jī)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(jī)主電路和控制電路的變頻改造
以某品牌空壓機(jī)為例，圖4是其電路原理圖?？梢钥闯鲈撈放菩吞?hào)的空壓機(jī)采用星-三角啟動(dòng)方式，在其控制電路上有加載繼電器（注意該機(jī)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(shí)，將變頻器串接進(jìn)原有的電源進(jìn)線中；控制電路中增加一個(gè)時(shí)間繼電器JS，時(shí)間繼電器的線圈一端與220V控制電路零線接通，另一端通過(guò)電機(jī)主電路上的交流接觸器KM1的一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)與220V控制電路火線接通。同時(shí)將加載閥中間繼電器與PLC的連線松開(kāi)，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(guò)時(shí)間繼電器JS的一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)與220V控制電路火線接通。變頻器的正轉(zhuǎn)信號(hào)端子FWD，通過(guò)電機(jī)主電路上的交流接觸器KM1的一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)，與變頻器公共控制端CM接通。變頻器的模擬量反饋信號(hào)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(jī)變頻改造后的啟動(dòng)和運(yùn)行方式
空壓機(jī)變頻改造后，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)原有的交流接觸器仍然由其控制PLC按星-三角方式動(dòng)作，但在交流接觸器連接為星型時(shí)，交流接觸器KM1的常開(kāi)觸點(diǎn)沒(méi)有閉合，變頻器FWD端子與CM端子沒(méi)有接通，變頻器不啟動(dòng)、無(wú)輸出；當(dāng)PLC控制交流接觸器轉(zhuǎn)換為三角形接法后，KM1的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，變頻器FWD端子與CM端子接通，時(shí)間繼電器JS處于延時(shí)狀態(tài)，加載閥不動(dòng)作，變頻器開(kāi)始空載變頻啟動(dòng)電機(jī)。當(dāng)變頻器啟動(dòng)電機(jī)完成后，時(shí)間繼電器JS動(dòng)作加載閥，變頻器自動(dòng)變頻運(yùn)行。


4 螺桿式空氣壓縮機(jī)變頻改造注意事項(xiàng)
1在進(jìn)行變頻改造時(shí)應(yīng)該注意，盡量保持原有設(shè)備主電路和控制電路的完整性，對(duì)其電路的改動(dòng)越少越好；這有利于在變頻器發(fā)生故障或是檢修時(shí)，空壓機(jī)可以很方便地改動(dòng)回到原有的控制方式上去，這保證了空壓機(jī)在變頻和工頻狀態(tài)下都可以運(yùn)行，也使得改造時(shí)可以不用重新編寫(xiě)PLC程序。
2變頻器的啟動(dòng)信號(hào)由角形接法交流接觸器KM1控制，既在星形時(shí)變頻器不啟動(dòng)無(wú)輸出。
3時(shí)間繼電器JS的整定時(shí)間要大于等于變頻器的啟動(dòng)時(shí)間，這保證變頻器空載變頻啟動(dòng)。
4變頻器的下限運(yùn)行頻率一般要設(shè)在35赫茲或以上，如果赫茲數(shù)太低，可能會(huì)造成油氣分離器無(wú)法有效分離油氣，造成空壓機(jī)漏油現(xiàn)象。但要根據(jù)實(shí)際情況具體來(lái)考慮設(shè)定下限頻率值，因?yàn)椴煌目諌簷C(jī)其機(jī)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(jī)，不要安裝在過(guò)濾器或是閥門(mén)以后，同時(shí)切記壓力傳感器和空壓機(jī)之間的管路上不能安裝任何閥門(mén)元件，防止過(guò)濾器堵塞或是閥門(mén)關(guān)閉后，空壓機(jī)不停機(jī)并發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。還應(yīng)該保留空壓機(jī)原來(lái)的壓力停機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)。
6使用變頻器下限頻率延時(shí)停機(jī)功能。
7按生產(chǎn)工藝要求，變頻改造后，適當(dāng)降低壓縮氣供氣系統(tǒng)的供氣壓力，將原來(lái)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(jī)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(shí)間T內(nèi)拉動(dòng)物體做直線運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)位移S。拉力F在時(shí)間T內(nèi)作的功率P為 （式1）



由數(shù)學(xué)知識(shí)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(dòng),需要向旋轉(zhuǎn)體提供的功率按式3公式計(jì)算（忽略機(jī)械效率損失，認(rèn)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(jī)機(jī)械效率損失，同時(shí)忽略空壓機(jī)機(jī)械效率因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化的情況下，即始終認(rèn)為空壓機(jī)機(jī)械效率η為1，可以近似地認(rèn)為變頻器的輸出功率與空壓機(jī)電機(jī)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(jī)工頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速/功率-周期示意圖。t1是空壓機(jī)加栽運(yùn)行時(shí)間，t2是空壓機(jī)卸栽運(yùn)行時(shí)間，加栽/卸栽時(shí)的轉(zhuǎn)速和功率分別為P1/n1和P2/n2。忽略空壓機(jī)機(jī)械效率η的變化，W1和W2分別為空壓機(jī)加栽運(yùn)行時(shí)間t1和卸栽運(yùn)行時(shí)間t2中由電源輸送給空壓機(jī)電機(jī)的能量。其中W1轉(zhuǎn)換為壓縮空氣勢(shì)能、動(dòng)能和熱能等形式的能量，供設(shè)備使用。而W2則轉(zhuǎn)換為機(jī)械的摩擦熱能和聲音、震動(dòng)等形式的能量損失掉。
所以螺桿式空壓機(jī)經(jīng)過(guò)變頻改造后，由于電機(jī)處于變速運(yùn)行情況下，而通過(guò)式3的推導(dǎo)知道電機(jī)的平均功率與電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速成一次方正比例關(guān)系?？諌簷C(jī)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(jī)在周期T（t1+ t2）內(nèi)所作的功W，等于同等工況下，空壓機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，加載運(yùn)行時(shí)間t1內(nèi)所作的功W1。如圖8所示。
通過(guò)以上分析，可知只要知道螺桿式空壓機(jī)工頻改造前卸載運(yùn)行時(shí)間和卸載電流，就可以大致計(jì)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(jī)械效率η的變化）。