一、空壓機(jī)工作原理
空氣壓縮機(jī)（英文為：air compressor）是氣源裝置中的主體，它是將原動(dòng)機(jī)（通常是電動(dòng)機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中有著極其廣泛的應(yīng)用，在各種行業(yè)中它擔(dān)負(fù)著為工廠中所有氣動(dòng)元件，各種氣動(dòng)閥門提供氣源的職責(zé)。因此，空壓機(jī)運(yùn)行狀況的好壞直接影響工廠的生產(chǎn)工藝。空壓機(jī)的種類很多（主要分為螺桿式，活塞式，其中螺桿式空壓機(jī)應(yīng)用最廣），空壓機(jī)供氣的控制方式都是采用加、卸載的方式控制儲(chǔ)氣罐的壓力在一定的范圍內(nèi)。
1.活塞式空壓機(jī)的工作原理
活塞式空壓機(jī)是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)曲軸，帶動(dòng)連桿與活塞桿，使活塞在壓縮機(jī)氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(chǔ)壓罐內(nèi)。其中，活塞環(huán)、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(dòng)下，在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)汽缸內(nèi)氣體的壓縮。
2.螺桿式空壓機(jī)工作原理
螺桿式空壓機(jī)是由一對(duì)相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子(或稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程?？諌簷C(jī)的進(jìn)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)子的齒由主電機(jī)驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。
二、空壓機(jī)節(jié)能改造的必要性
由于空壓機(jī)不排除在滿負(fù)荷狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以，選型時(shí)只能按最大需求來確定電機(jī)容量，造成空壓機(jī)系統(tǒng)余量一般偏大。傳統(tǒng)空壓機(jī)一般采用星三角、自耦變壓器或頻敏變阻器啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流仍然能達(dá)到額定電流的2~3倍，沖擊大，會(huì)影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性。且大多數(shù)空壓機(jī)是連續(xù)運(yùn)行，由于一般空壓機(jī)的電機(jī)本身不能根據(jù)壓力需求的變動(dòng)來實(shí)現(xiàn)降速，使電機(jī)輸出功率與現(xiàn)場實(shí)際壓力需求量相匹配，導(dǎo)致在用氣量少的時(shí)候仍然要空載運(yùn)行，造成巨大的電能浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)的耗電量占工業(yè)設(shè)備耗電量的15%。因此空壓機(jī)的節(jié)能改造勢在必行，另外，空壓機(jī)還存在以下幾個(gè)問題：
1、氣壓超過上限壓力時(shí)空壓機(jī)卸載，這時(shí)電機(jī)仍然在空轉(zhuǎn)，不僅浪費(fèi)大量的電能，同時(shí)增加了電機(jī)軸承的磨損。
2、頻繁加卸載造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，使電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，同時(shí)也加大了機(jī)械磨損，縮短機(jī)械壽命。
3、氣量無法保持恒壓。當(dāng)用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力不可避免產(chǎn)生波動(dòng)，使用氣精度達(dá)不到工藝要求，影響生產(chǎn)效率及產(chǎn)品品質(zhì)。
綜上所述：若能采用變頻調(diào)速技術(shù)，當(dāng)用氣量減少時(shí)，儲(chǔ)氣罐壓力升高，此時(shí)壓力大于設(shè)定壓力，通過變頻器PID調(diào)節(jié)，能夠降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而減小電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。
系統(tǒng)構(gòu)成圖
三、V11變頻恒壓控制系統(tǒng)
1、系統(tǒng)特點(diǎn)
V11變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象。壓力值由變頻器面板給定（V11有多種給定通道），可根據(jù)用氣設(shè)備的實(shí)際需要，在空壓機(jī)的最高允許工作壓力內(nèi)自由設(shè)定。與儲(chǔ)氣罐相連的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)?~20mA電流信號(hào)送給V11內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小控制變頻器的輸出頻率，調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。V11內(nèi)置PID具有穩(wěn)定性高、調(diào)試簡單的特點(diǎn)。
2、節(jié)能效果
采用該系統(tǒng)改造后，壓縮機(jī)組的供氣量與系統(tǒng)所需量動(dòng)態(tài)匹配，壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著系統(tǒng)用氣量的不同而進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免了電機(jī)空轉(zhuǎn)以及頻繁的加卸載所帶來的能量損耗，電機(jī)的輸入功率大大降低，節(jié)電效果顯著?？諌簷C(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，供氣量Q 與轉(zhuǎn)速N 成正比，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，所以軸功率與轉(zhuǎn)速N成正比，見下表：
一般來說，對(duì)于連續(xù)用氣的空壓機(jī)系統(tǒng)，隨用氣量的變化，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率在25-50Hz 之間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，除去電機(jī)及其它損耗，系統(tǒng)的節(jié)電率可達(dá)15%～30%。
3、綜合效益
①運(yùn)行成本降低：空壓機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成：初始采購成本、維護(hù)成本和能源成本。其中能源成本大約占?jí)嚎s機(jī)運(yùn)行成本的70%。通過降低能源成本30%，再加上變頻起動(dòng)后對(duì)設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也隨之降低，所以運(yùn)行成本將大大降低。
②提高供氣質(zhì)量：變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力。通過使空壓機(jī)的空氣壓力輸出與用戶所需的氣量相匹配，可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力保持恒定，有效地提高了供氣的質(zhì)量。
③延長壓縮機(jī)的使用壽命：變頻器有軟啟動(dòng)功能，可減少啟動(dòng)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)機(jī)械部件的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，延長壓縮機(jī)使用壽命。同時(shí)減少空壓機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
四、變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)
1、空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過電流，在電機(jī)轉(zhuǎn)速過低時(shí)（如頻率小于30Hz）如果V/F曲線調(diào)得不好，空壓機(jī)的震動(dòng)會(huì)加大，噪音也會(huì)加大。因此應(yīng)選用大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過載能力強(qiáng)的矢量變頻器。V11系列的過載能力達(dá)到180%，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩0.5HZ可輸出100%轉(zhuǎn)矩，可保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定可靠、噪音小、供氣壓力連續(xù)穩(wěn)定。
2、空壓機(jī)不允許長時(shí)間低頻運(yùn)行，若空壓機(jī)轉(zhuǎn)速過低，一方面會(huì)使空壓機(jī)的工作穩(wěn)定性變差，噪音加大，另一方面也使缸體的潤滑條件變差、磨損加大，進(jìn)而導(dǎo)致噴油現(xiàn)象。所以，空壓機(jī)工作的下限頻率應(yīng)不低于25Hz(25Hz以下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)散熱條件變差，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，電機(jī)溫升過高，容易造成電機(jī)絕緣降低，降低電機(jī)的使用壽命)，且減速時(shí)間應(yīng)盡量短。V11電壓波動(dòng)范圍±15%且耐壓高、可設(shè)置較短的減速時(shí)間短，從而避免因減速時(shí)間過長而產(chǎn)生的噴油現(xiàn)象。
3、在滿足生產(chǎn)工藝的要求下，壓力設(shè)定越低越好。因?yàn)榭諌簷C(jī)工作壓力越高，空壓機(jī)工作時(shí)的背壓越高，壓縮比越大，所需電動(dòng)機(jī)軸功率就越大，耗電量就越多。
4、供氣管網(wǎng)應(yīng)沒有漏氣現(xiàn)象，以避免由此導(dǎo)致的電能浪費(fèi)。
五、V11空壓機(jī)改造功能參數(shù)表：
應(yīng)用實(shí)例1：佛山中幫無紡使用美國壽力牌空壓機(jī)，電機(jī)功率為280KW，配V11 280KW矢量型變頻器。設(shè)定加速時(shí)間為12S、減速時(shí)間為5S，設(shè)定壓力0.72MPa。壓力穩(wěn)定在0.71~0.73MPa。運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：
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啟動(dòng)壓力
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設(shè)定壓力
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啟動(dòng)電流A
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運(yùn)行電流A
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0Mpa
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0.72
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460
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420
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0.6Mpa
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0.72
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490
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450
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0.7Mpa
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0.72
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560
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490
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應(yīng)用實(shí)例2：廣州花都同昌紙品有限公司有4臺(tái)30KW的空壓機(jī)，采用廣州市珠峰電氣有限公司生產(chǎn)的空壓機(jī)專用控制器 ACI KYK3/KB。該控制器由微電腦控制，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化運(yùn)行，包括空壓機(jī)排氣溫度自動(dòng)控制，空壓機(jī)各種故障檢測及實(shí)時(shí)顯示、故障保護(hù)停機(jī)?？諌簷C(jī)專用控制器由控制模塊，顯示屏組成。該控制器配合高性能V11矢量變頻器能夠有效的控制空壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，即使在25Hz時(shí)噪音也很小，不僅能節(jié)約電能，還能降低空壓機(jī)機(jī)械磨損，提高軸承的使用壽命，減少維修費(fèi)用，降低運(yùn)行成本，綜合效益明顯?？刂圃砗唸D圖如下：
通過改造后，運(yùn)行電流、電機(jī)功耗降低（節(jié)電18%），維修周期延長（原來半年左右就要維修1次，自2011年3月改造至2012年2月一直在穩(wěn)定運(yùn)行），綜合成本下降。
六 結(jié)束語
珠峰ACI空壓機(jī)節(jié)電系統(tǒng)作為珠峰電氣目前推進(jìn)的項(xiàng)目，已經(jīng)成立空壓機(jī)事業(yè)部，變頻技術(shù)已經(jīng)成熟成功的應(yīng)用在了工業(yè)生產(chǎn)中，而伺服空壓機(jī)作為未來的重點(diǎn)項(xiàng)目，也已經(jīng)在珠峰電氣的應(yīng)用項(xiàng)目中提上了日程。
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