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螺杆空压机变频节能改造原理与应用

来源:百度文库
文章附图
对空压机进行变频改造具有改善电机的启动和运行方式、减少设备的机械磨损、在一定范围内节约电能等效果。

螺杆式空压机广泛地用于工业生产中,在其控制中采用加载-卸载阀来控制空压机的供气。由于用气设备的工作周期或是生产工艺的差别,使得用气量发生波动,有时会造成空压机频繁加载、卸载。空压机卸载后电机仍然工频运转,不仅浪费电能而且增加设备的机械磨损;空压机加载过程是突然加载,也会对设备和电网造成较大的冲击。因此对空压机进行变频改造具有改善电机的启动和运行方式、减少设备的机械磨损、在一定范围内节约电能等效果。


一、螺杆式空压机的工作原理
以单螺杆空压机为例说明空气压缩机工作原理,如图1所示为单螺杆空气压缩机的结构原理图。螺杆式空气压缩机的工作过程分为吸气、密封及输送、压缩、排气四个过程。当螺杆在壳体内转动时,螺杆与壳体的齿沟相互啮合,空气由进气口吸入,同时也吸入机油,由于齿沟啮合面转动将吸入的油气密封并向排气口输送;在输送过程中齿沟啮合间隙逐渐变小,油气受到压缩;当齿沟啮合面旋转至壳体排气口时,较高压力的油气混合气体排出机体。

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二、压缩气供气系统组成及空压机控制原理

1、压缩气供气系统组成
工厂空气压缩气供气系统一般由空气压缩机、冷干机、过滤器、储气罐、管路、阀门和用气设备组成。如图2所示为压缩气供气系统组成示意图。

2、空气压缩机的控制原理
在工厂的空气压缩机控制系统中,普遍采用后端管道上安装的压力继电器来控制空气压缩机的运行。空压机启动时,加载阀处于不工作态,加载气缸不动作,空压机头进气口关闭,电机空载启动。当空气压缩机启动运行后,如果后端设备用气量较大,储气罐和后端管路中压缩气压力未达到压力上限值,则控制器动作加载阀,打开进气口,电机负载运行,不断地向后端管路产生压缩气。如果后端用气设备停止用气,后端管路和储气罐中压缩气压力渐渐升高,当达到压力上限设定值时,压力控制器发出卸载信号,加载阀停止工作,进气口关闭,电机空载运行。图3为某品牌空气压缩机的系统原理图。
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螺杆式空气压缩机变频改造

空压机工频运行和变频运行的比较:
空压机电机功率一般较大,启动方式多采用空载(卸载)星-三角启动,加载和卸载方式都为瞬时。这使得空压机在启动时会有较大的启动电流,加载和卸载时对设备机械冲击较大;不光引起电源电压波动,也会使压缩气源产生较大的波动;同时这种运行方式还会加速设备的磨损,降低设备的使用年限。

对空压机进行变频改造,能够使电机实现软起软停,减小启动冲击,延长设备使用年限;同时由于电机运行频率可变,实现了空压机根据用气量的大小自动调节电机转速,减少了电机频繁的加载和卸载,使得供气系统气压维持恒定,在一定程度上节约了电能。

空压机主电路和控制电路的变频改造:
以某品牌空压机为例,图4是其电路原理图。可以看出该品牌型号的空压机采用星-三角启动方式,在主电路改造时,将变频器串接进原有的电源进线中;断开原加载阀控制回路,将原加载阀控制输出改为一个时间继电器JS,时间继电器的线圈一端与220V控制电路零线接通,另一端连接到PLC的加载输出点,将加载阀的一端直接和220V控制电路零线接通,另一端通过时间继电器JS的一对常开触点与220V控制电路火线接通,通过时间继电器延长加载时间。变频器的正转信号端子FWD,通过电机主电路上的交流接触器KM1的一对常开触点,与变频器公共控制端CM接通。变频器的模拟量反馈信号C1和GND端子,与压缩气输送管路上的压力传感器相连接。图5是变频改造后的电路原理图。
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空压机变频改造后,电机启动时原有的交流接触器仍然由其控制PLC按星-三角方式动作,但在交流接触器连接为星型时,交流接触器KM1的常开触点没有闭合,变频器FWD端子与CM端子没有接通,变频器不启动、无输出;当PLC控制交流接触器转换为三角形接法后,KM1的常开触点闭合,变频器FWD端子与CM端子接通,时间继电器JS处于延时状态,加载阀不动作,变频器开始空载变频启动电机。当变频器启动电机完成后,时间继电器JS动作加载阀,变频器自动变频运行。

四、 螺杆式空气压缩机变频改造注意事项
在进行变频改造时应该注意,尽量保持原有设备主电路和控制电路的完整性,对其电路的改动越少越好;这有利于在变频器发生故障或是检修时,空压机可以很方便地改动回到原有的控制方式上去,这保证了空压机在变频和工频状态下都可以运行,也使得改造时可以不用重新编写PLC程序。

必须保留空压机的工频运行模式,万一变频器出出故障,可以直接切换到工频模式下运行,不至对对生产造成影响。

变频器的启动信号由角形接法交流接触器KM1控制,既在星形时变频器不启动无输出。

时间继电器JS的整定时间要大于等于变频器的启动时间,这保证变频器空载变频启动,有效避免变频器低频启动时过负荷跳闸。

变频器的下限运行频率一般要设在35赫兹或以上,如果赫兹数太低,可能会造成油气分离器无法有效分离油气,造成空压机漏油现象。但要根据实际情况具体来考虑设定下限频率值,因为不同的空压机其机械配合磨损和效率不尽相同,其不漏油的下限频率也不一定相同。

管路上的压力传感器的安装位置要尽量靠近空压机,不要安装在过滤器或是阀门以后,同时切记压力传感器和空压机之间的管路上不能安装任何阀门元件,防止过滤器堵塞或是阀门关闭后,空压机不停机并发生爆炸危险。还应该保留空压机原来的压力停机保护开关。

使用变频器下限频率延时停机休眠功能。

按生产工艺要求,变频改造后,适当降低压缩气供气系统的供气压力,将原来的高压变流量供气改变为变频恒压变流量供气方式。

五、螺杆式空气压缩机变频改造节能分析

如以下公式所示拉力F与摩擦力F’大小相等、方向相反,拉力F在时间T内拉动物体做直线运动,移动位移S。拉力F在时间T内作的功率P为
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由数学知识可知线速度v和旋转角速度ω之间的关系如式2所示,式中f为旋转体的旋转频率。
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将式2代入式1可以求得旋转物体摩擦阻力功率如式3所示
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由式3可以知道,克服旋转体的摩擦阻力使旋转体匀速转动,需要向旋转体提供的功率按式3公式计算(忽略机械效率损失,认为η为1)。式3中F’为旋转体的旋转摩擦阻力,r为旋转体的旋转半径,f为旋转体的旋转频率。所以我们可以在忽略空气压缩机机械效率损失,同时忽略空压机机械效率因为电机转速变化而变化的情况下,即始终认为空压机机械效率η为1,可以近似地认为变频器的输出功率与空压机电机的转速成正比,即成一次方正比例关系。
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如图7所示是螺杆式空压机工频运行时的转速/功率-周期示意图。t1是空压机加栽运行时间,t2是空压机卸栽运行时间,加栽/卸栽时的转速和功率分别为P1/n1和P2/n2。忽略空压机机械效率η的变化,W1和W2分别为空压机加栽运行时间t1和卸栽运行时间t2中由电源输送给空压机电机的能量。其中W1转换为压缩空气势能、动能和热能等形式的能量,供设备使用。而W2则转换为机械的摩擦热能和声音、震动等形式的能量损失掉。

所以螺杆式空压机经过变频改造后,由于电机处于变速运行情况下,而通过式3的推导知道电机的平均功率与电机的平均转速成一次方正比例关系。空压机变频改造后,是根据用气系统的用气量恒压变流供气;所以变频改造后,空压机在周期T(t1+ t2)内所作的功W,等于同等工况下,空压机工频运行时,加载运行时间t1内所作的功W1。如图8所示。

通过以上分析,可知只要知道螺杆式空压机工频改造前卸载运行时间和卸载电流,就可以大致计算出,相同工况下变频改造后的节能功率和节能电量(忽略机械效率η的变化)。