螺桿空壓機(jī)變頻節(jié)能改造原理與應(yīng)用對(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。 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-卸載閥來控......
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。
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。
以單螺桿空壓機(jī)為例說明空氣壓縮機(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)的工作過程分為吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個(gè)過程。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。
二、壓縮氣供氣系統(tǒng)組成及空壓機(jī)控制原理
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)、過濾器、儲(chǔ)氣罐、管路、閥門和用氣設(shè)備組成。如圖2所示為壓縮氣供氣系統(tǒng)組成示意圖。
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。
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。
以某品牌空壓機(jī)為例，圖4是其電路原理圖。可以看出該品牌型號(hào)的空壓機(jī)采用星-三角啟動(dòng)方式，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；斷開原加載閥控制回路，將原加載閥控制輸出改為一個(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，另一端連接到PLC的加載輸出點(diǎn)，將加載閥的一端直接和220V控制電路零線接通，另一端通過時(shí)間繼電器JS的一對(duì)常開觸點(diǎn)與220V控制電路火線接通，通過時(shí)間繼電器延長(zhǎng)加載時(shí)間。變頻器的正轉(zhuǎn)信號(hào)端子FWD，通過電機(jī)主電路上的交流接觸器KM1的一對(duì)常開觸點(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。
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的常開觸點(diǎn)沒有閉合，變頻器FWD端子與CM端子沒有接通，變頻器不啟動(dòng)、無輸出；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。
四、 螺桿式空氣壓縮機(jī)變頻改造注意事項(xiàng)
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PLC程序。
必須保留空壓機(jī)的工頻運(yùn)行模式，萬一變頻器出出故障，可以直接切換到工頻模式下運(yùn)行，不至對(duì)對(duì)生產(chǎn)造成影響。
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)無輸出。
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)，有效避免變頻器低頻啟動(dòng)時(shí)過負(fù)荷跳閘。
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。
管路上的壓力傳感器的安裝位置要盡量靠近空壓機(jī)，不要安裝在過濾器或是閥門以后，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元件，防止過濾器堵塞或是閥門關(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)原來的壓力停機(jī)保護(hù)開關(guān)。
使用變頻器下限頻率延時(shí)停機(jī)休眠功能。
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，將原來的高壓變流量供氣改變?yōu)樽冾l恒壓變流量供氣方式。
五、螺桿式空氣壓縮機(jī)變頻改造節(jié)能分析
如以下公式所示拉力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
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。
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
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)過變頻改造后，由于電機(jī)處于變速運(yùn)行情況下，而通過式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）。
本站系本網(wǎng)編輯轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題，請(qǐng)?jiān)?0日內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除內(nèi)容！[聲明]本站文章版權(quán)歸原作者所有 內(nèi)容為作者個(gè)人觀點(diǎn) 本站只提供參考并不構(gòu)成任何投資及應(yīng)用建議。
