永磁變頻螺桿空壓機(jī)節(jié)能環(huán)保技術(shù)分析與應(yīng)用

曾燕平 李東方 黃增陽(yáng)

摘 要：螺桿空壓機(jī)是壓縮空氣系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供壓力與流量的壓縮空氣，在礦山工業(yè)、鋼鐵冶金、石油化工、有色金屬品制備、醫(yī)療器械等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。然而，隨著環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格、低能耗節(jié)能要求越來(lái)越急迫，永磁變頻螺桿空壓機(jī)在我國(guó)鼓勵(lì)節(jié)能減排、降能耗的技術(shù)背景下應(yīng)運(yùn)而生。本研究介紹了螺桿空壓機(jī)的工作特點(diǎn)以及工作原理，分析了永磁變頻技術(shù)在螺桿壓縮機(jī)節(jié)能環(huán)保技術(shù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：永磁變頻;螺桿空壓機(jī);節(jié)能減排

中圖分類(lèi)號(hào)：TH45 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）2-0039-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.009

Analysis and Application of Energy Saving and Environmental Protection Technology for Permanent Magnet Frequency Conversion Screw Air compressor

ZENG Yanping1 ? ?LI Dongfang2 ? ?HUANG Zengyang3

（1.Zhengjiang Sunhi-Mach Co.，Ltd.， Quzhou 324000，China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Quzhou College of Technology， Quzhou 324000，China; 3. Qu zhou Institute of Metroloyy and Quanhity Inepection， Quzhou 324000，China）

Abstract： The screw air compressor is the power unit of the compressed air system. It provides the pressure and flow compressed air for the system， in the mining industry， iron and steel metallurgy， petrochemical， non-ferrous metal products， medical equipment and other industries have a wide range of applications. However， with more and more stringent environmental protection requirements， low energy consumption and energy saving requirements become more urgent， permanent magnet variable frequency screw air compressor in China to encourage the technical background of emission reduction， energy consumption reduction. This study introduces the working characteristics and working principle of screw air compressor， and analyzes the application of permanent magnet permanent magnet frequency conversion technology in screw compressor for energy saving and environmental protection.

Keywords： ermanent magnet frequency conversion; screw air compressor; energy saving and emission reduction

0 引言

一般情況下，空壓機(jī)整機(jī)壽命周期內(nèi)，成本主要涵蓋有生產(chǎn)采購(gòu)、日常維護(hù)以及能源消耗費(fèi)用。尤其是后期使用過(guò)程中的能源消耗費(fèi)用占據(jù)著巨大的比例，這一比例[1]通常占工廠總電量消耗量的1/5～1/4，尤其是以氣動(dòng)工具為主的廠礦企業(yè)，少數(shù)甚至可達(dá)1/2，因此空壓機(jī)的節(jié)能就顯得尤為重要和必要。針對(duì)螺桿空壓機(jī)型來(lái)講，有兩種節(jié)能手段，分別是普通變頻型和永磁變頻型。普通變頻型是利用外接式的變頻器來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。然而，普通變頻型往往是非滿(mǎn)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。故此空氣壓縮機(jī)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)或者改造，就為節(jié)能降耗的實(shí)現(xiàn)提供了許多空間。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，螺桿空氣壓縮機(jī)的裝機(jī)量達(dá)到總裝機(jī)量的65%左右。本研究主要從螺桿空壓機(jī)工作原理（工作過(guò)程）、螺桿空壓機(jī)裝機(jī)電機(jī)類(lèi)型、螺桿空壓機(jī)永磁同步電機(jī)節(jié)能機(jī)理以及永磁變頻螺桿空壓機(jī)技能技術(shù)等方面對(duì)永磁變頻螺桿空壓機(jī)節(jié)能環(huán)保技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 螺桿空壓機(jī)工作原理（工作過(guò)程）介紹

圖1為螺桿壓縮機(jī)工作原理（工作過(guò)程）圖。螺桿空壓機(jī)機(jī)體內(nèi)部有一雙平行布置而又同時(shí)嚙合的螺桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)進(jìn)口的空氣旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而被壓縮發(fā)生體積變化，主要包含4個(gè)過(guò)程[2]，即吸氣過(guò)程、壓縮過(guò)程、壓縮氣體與噴油過(guò)程，以及排氣過(guò)程。

整過(guò)工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：永磁同步電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)子，外界空氣充滿(mǎn)了主從螺桿齒溝空間，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)氣的一側(cè)轉(zhuǎn)離了進(jìn)氣口時(shí)，在空間內(nèi)的氣體被主從螺桿和機(jī)體之間的空間所密封，從而完成吸氣。被壓縮的空氣進(jìn)一步隨著螺桿轉(zhuǎn)子與機(jī)體之間的密封空間伴隨著螺桿轉(zhuǎn)子的角度轉(zhuǎn)動(dòng)而變小，呈現(xiàn)著“螺旋移動(dòng)”的狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為壓縮過(guò)程。被壓縮的空氣隨著螺桿螺旋線被運(yùn)送至出口的過(guò)程中，其容積不斷減小。隨著氣體不斷被壓縮，氣體的溫度也隨之升高，與此同時(shí)，噴入的潤(rùn)滑油也被壓縮霧化，起到對(duì)壓縮空氣降溫密封以及對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑的功用。再當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)子密封齒峰轉(zhuǎn)到機(jī)體排氣口時(shí)，被壓縮的氣體開(kāi)始排放，進(jìn)而完成排氣過(guò)程。同一時(shí)刻，進(jìn)口的氣體持續(xù)不斷地重復(fù)著上述過(guò)程，這樣，氣體從入口被源源不斷地壓縮輸送至壓縮機(jī)出口。

在壓縮空氣進(jìn)行調(diào)控的系統(tǒng)中，待壓縮空氣通過(guò)進(jìn)氣口的過(guò)濾器除去空氣中的諸如雜質(zhì)和塵埃等，過(guò)濾后的空氣通過(guò)進(jìn)氣閥門(mén)流入壓縮機(jī)的吸氣端口，在這個(gè)過(guò)程中，進(jìn)來(lái)的氣體會(huì)被混合進(jìn)潤(rùn)滑油。其次，通過(guò)壓縮的油氣兩相混合氣液體通過(guò)單向閥進(jìn)入氣-油分離器，分別進(jìn)行一次分離和二次分離，再然后，通過(guò)2次分離后的油氣通過(guò)最小壓閥、冷卻器和氣-水分離器后，才能夠被輸送到壓縮氣體儲(chǔ)存系統(tǒng)中。

壓縮過(guò)程中氣體的壓力p與體積V的關(guān)系如圖2所示[3]。其中3'-1段為等溫壓縮過(guò)程曲線，假如是采用單級(jí)壓縮，則壓縮過(guò)程中所消耗的功率為6-1-3"-4-6所包含區(qū)域;當(dāng)采用兩級(jí)壓縮，則壓縮過(guò)程中所消耗的功率為6-1-2-5-6和5-2'-3-4-5所包含區(qū)域之和。由此可見(jiàn)，節(jié)省的功率就相當(dāng)于2'-2-3"-3-2'所在區(qū)域。不難看出，與折合等溫壓縮過(guò)程相比，功率消耗仍然是2'-3-3'-2以及1-2-2'-1的區(qū)域之和。

2 永磁變頻空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)原理分析

2.1 螺桿空壓機(jī)裝機(jī)電機(jī)類(lèi)型分析

一般地，通用工頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿空壓機(jī)稱(chēng)為工頻螺桿空壓機(jī);而當(dāng)配用變頻器控制的變頻電機(jī)時(shí)，則稱(chēng)為變頻螺桿空壓機(jī)。當(dāng)配用的電機(jī)是異步啟動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，則稱(chēng)為永磁螺桿空壓機(jī);而當(dāng)配用的電機(jī)為永磁同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，則稱(chēng)為永磁變頻螺桿空壓機(jī)[4-6]。永磁同步電動(dòng)機(jī)與變頻器高度集成，轉(zhuǎn)子采用磁性最強(qiáng)、磁性最穩(wěn)定的永磁體，定子繞組采用真空壓力浸漆加上環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行真空灌封而成。某公司生產(chǎn)的螺桿空壓機(jī)銘牌，如圖3所示。LG-350型螺桿空壓機(jī)的排氣量為40.0 m3/min，額定排氣壓力為0.7 MPa，電機(jī)的輸入功率為 250 kW，機(jī)組的輸入比功率為6.6 kW/（m3/min），額定轉(zhuǎn)速為2 975 r/min，重量為4 500 kg，外形尺寸為3 450 mm×2 100 mm×2 000 mm。

2.2 螺桿空壓機(jī)永磁同步電機(jī)節(jié)能機(jī)理分析

由永磁電機(jī)效率核算公式[7]可知，永磁電機(jī)的總損耗由鐵損、銅損、機(jī)械損耗以及其他雜散損耗構(gòu)成。而且在總損耗中，鐵銅損耗占4/5以上。因此，螺桿空壓機(jī)永磁同步電機(jī)的節(jié)能要求主要考慮以下幾點(diǎn)。

2.2.1 高效率η。螺桿空壓機(jī)永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)產(chǎn)生于永磁體。永磁體的使用降低了勵(lì)磁電流的相關(guān)能量耗損。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較寬的高效區(qū)域，特別是電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)。這個(gè)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Y系列籠式異步電動(dòng)機(jī)。通過(guò)對(duì)比Y系列異步電動(dòng)和永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n-效率η曲線圖（見(jiàn)圖4）[8]，可以看出，雖然兩種電機(jī)的最大效率比較相似，然而n（轉(zhuǎn)速）在0.15n1～n1（n1為同步轉(zhuǎn)速）范圍內(nèi)，永磁同步電機(jī)的效率始終接近于最大效率ηmax。但是在相同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，Y系列籠式異步電動(dòng)機(jī)的效率η分布在0.20～0.95。由此可見(jiàn)，永磁同步電機(jī)具有極高的效率η，永磁同步電機(jī)的使用使節(jié)能效果特別明顯。

2.2.2 大啟動(dòng)力矩T。一般情況下，永磁同步電機(jī)的啟動(dòng)力矩T與額定力矩T0之比大于3。相比較而言，同等條件下的Y系列籠式異步電動(dòng)機(jī)的該值僅約為1.5。大啟動(dòng)力矩的特性較適用于螺桿空壓機(jī)等重載機(jī)械的使用。

2.2.3 高而穩(wěn)定的功率因數(shù)cosα。由于永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)不是依靠勵(lì)磁繞組，因而不存在定轉(zhuǎn)子之間氣隙阻抗較大而帶來(lái)的無(wú)功功率損耗。因此，永磁同步電機(jī)的功率因數(shù)cosα最大可達(dá)到0.96。同時(shí)，永磁同步電機(jī)的極數(shù)不會(huì)引起功率因數(shù)cosα的改變，因此，功率因數(shù)cosα較為穩(wěn)定。尤其是在較低的運(yùn)行速度工況時(shí)，相比較而言，Y系列籠式異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)cosα僅在0.9左右。此外，Y系列籠式異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)cosα也會(huì)隨著電機(jī)極數(shù)的增大而降低。從功率因數(shù)cosα來(lái)看，永磁同步電機(jī)也是十分適合裝機(jī)于螺桿空壓機(jī)來(lái)滿(mǎn)足節(jié)能要求。

2.3 永磁變頻螺桿空壓機(jī)技能技術(shù)分析

單純從技術(shù)角度出發(fā)，永磁變頻螺桿空壓機(jī)之所以具有技能環(huán)保的原因主要是，使用變頻器驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)會(huì)使氣體產(chǎn)生量與能量消耗呈線性變化，降低能耗;變頻器和空壓機(jī)輔助裝置的合理配置，可以提高空壓機(jī)運(yùn)行性能;變頻電機(jī)帶動(dòng)空壓機(jī)的啟動(dòng)電流小，能量消耗降低，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，進(jìn)而提高空壓機(jī)整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。由于采用了變頻器進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了螺桿空壓機(jī)啟動(dòng)平緩和調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，這樣一來(lái)，空壓機(jī)氣壓就相對(duì)較為穩(wěn)定?；谧冾l器的軟啟動(dòng)特性，能夠保證啟動(dòng)電流不大于1.6倍的額定電流（Ie）。這一點(diǎn)與工頻工作下啟動(dòng)時(shí)6倍于額定電流（Ie）的情況相比，啟動(dòng)沖擊削弱了許多，從而極大降低了啟動(dòng)過(guò)程對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)也降低了空壓機(jī)內(nèi)部的機(jī)械沖擊。永磁變頻螺桿空壓機(jī)的流量控制是可變的，可以達(dá)到小壓差損耗、小空載損耗的目的。這是由于變頻器能夠通過(guò)實(shí)時(shí)用氣量來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制空壓機(jī)排量。除此之外，通過(guò)相應(yīng)的控制策略的優(yōu)化，又可以進(jìn)一步提高技能效果。調(diào)制技術(shù)的使用能夠使電機(jī)對(duì)交流電電壓適應(yīng)性更強(qiáng)。例如，當(dāng)交流電壓稍低時(shí)，系統(tǒng)仍然能夠輸出足夠的驅(qū)動(dòng)力矩;當(dāng)交流電壓稍高時(shí)，變頻技術(shù)的應(yīng)用也能夠正常驅(qū)動(dòng)。永磁變頻電機(jī)在變頻器的調(diào)節(jié)下，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速為變值，從而可以控制空壓機(jī)氣體產(chǎn)生量，這種控制方式是最直接而且是最節(jié)能的控制形式。利用閉環(huán)控制的變頻器，螺桿空壓機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以由供氣系統(tǒng)的壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速，排氣管道系統(tǒng)的壓力波動(dòng)小、穩(wěn)定性高。這一點(diǎn)對(duì)空壓機(jī)外的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義，實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)節(jié)能，降低壓縮機(jī)電能消耗量，起到切實(shí)的節(jié)能功效。

變頻技術(shù)的使用使得螺桿空壓機(jī)的系統(tǒng)產(chǎn)生變化，其根源在于變頻空壓機(jī)是根據(jù)氣量調(diào)節(jié)使用。運(yùn)行頻率越低則空壓機(jī)轉(zhuǎn)速就越小，相應(yīng)的軸承損耗也越小。例如，進(jìn)氣閥可以進(jìn)行優(yōu)化，僅保留常閉功能就能滿(mǎn)足使用，容調(diào)電磁閥和相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也可優(yōu)化去除。此外，縮減螺桿空壓機(jī)使用過(guò)程中的故障出現(xiàn)頻次和降低維修量，可以把噴油螺桿空壓機(jī)的氣壓噴油優(yōu)化為變頻齒輪油泵來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑油噴射，這樣可以達(dá)到兼具可靠與高效的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者分析了永磁變頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及螺桿空壓機(jī)的工作原理（工作過(guò)程）。節(jié)能環(huán)保是螺桿空壓機(jī)行業(yè)能耗等級(jí)提升的必然要求。永磁變頻電機(jī)及變頻技術(shù)在螺桿空壓機(jī)中的使用，開(kāi)拓了螺桿空壓機(jī)的產(chǎn)品譜系，從而推動(dòng)永磁變頻螺桿空壓機(jī)在空壓機(jī)產(chǎn)品中逐漸成為最為重要的技術(shù)產(chǎn)品之一。鑒于永磁同步電動(dòng)機(jī)的特有性能，在變工況運(yùn)行過(guò)程中，采用永磁變頻技術(shù)的螺桿空壓機(jī)的節(jié)能效果尤為明顯，同時(shí)，永磁變頻螺桿空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)存在特別好的深度挖掘潛力。永磁變頻螺桿空壓機(jī)在使用中高效節(jié)能，將會(huì)為能源節(jié)約、碳中和貢獻(xiàn)更大的力量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦勇，王榮華，張振生.空壓機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的數(shù)字與智能化應(yīng)用研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2021（15）：36-37.

[2] 郝佳楠.螺桿式空壓機(jī)能耗分析與節(jié)能控制研究[D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2019.

[3] 劉玉勇，王宇川，鮑洋洋，等.噴油螺桿空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2019（6）：39-41.

[4] 譚強(qiáng)，楊競(jìng)，雍熙，等.基于標(biāo)準(zhǔn)工況的永磁變頻螺桿空壓機(jī)能效研究[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2017（5）：14-18.

[5] 劉洋.永磁電機(jī)在螺桿空壓機(jī)上的應(yīng)用研究[J].上海節(jié)能，2015（5）：262-264.

[6] 黃龍.移動(dòng)螺桿空壓機(jī)的典型故障及使用維護(hù)[J].采礦技術(shù)，2021，21（2）：158-160.

[7] 張永勝.空調(diào)壓縮機(jī)永磁同步電機(jī)效率改善方法探討[J].商品與質(zhì)量，2020（2）：264-265.

[8] 曹美恒.雙級(jí)永磁螺桿式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能原理與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（15）：183-184.