永磁變頻螺桿空壓機節能環保技術分析與應用

曾燕平 李東方 黃增陽

摘 要：螺桿空壓機是壓縮空氣系統的動力裝置，能夠為系統提供壓力與流量的壓縮空氣，在礦山工業、鋼鐵冶金、石油化工、有色金屬品制備、醫療器械等行業有著廣泛的應用。然而，隨著環保要求越來越嚴格、低能耗節能要求越來越急迫，永磁變頻螺桿空壓機在我國鼓勵節能減排、降能耗的技術背景下應運而生。本研究介紹了螺桿空壓機的工作特點以及工作原理，分析了永磁變頻技術在螺桿壓縮機節能環保技術中的應用。

關鍵詞：永磁變頻;螺桿空壓機;節能減排

中圖分類號：TH45 ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：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，空壓機整機壽命周期內，成本主要涵蓋有生產采購、日常維護以及能源消耗費用。尤其是后期使用過程中的能源消耗費用占據著巨大的比例，這一比例[1]通常占工廠總電量消耗量的1/5～1/4，尤其是以氣動工具為主的廠礦企業，少數甚至可達1/2，因此空壓機的節能就顯得尤為重要和必要。針對螺桿空壓機型來講，有兩種節能手段，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對電機進行調速，從而實現節能的目的。然而，普通變頻型往往是非滿負載運行狀態。故此空氣壓縮機的節能優化設計或者改造，就為節能降耗的實現提供了許多空間。據不完全統計，螺桿空氣壓縮機的裝機量達到總裝機量的65%左右。本研究主要從螺桿空壓機工作原理（工作過程）、螺桿空壓機裝機電機類型、螺桿空壓機永磁同步電機節能機理以及永磁變頻螺桿空壓機技能技術等方面對永磁變頻螺桿空壓機節能環保技術及應用進行分析。

1 螺桿空壓機工作原理（工作過程）介紹

圖1為螺桿壓縮機工作原理（工作過程）圖。螺桿空壓機機體內部有一雙平行布置而又同時嚙合的螺桿做旋轉運動。陰陽轉子帶動進口的空氣旋轉，進而被壓縮發生體積變化，主要包含4個過程[2]，即吸氣過程、壓縮過程、壓縮氣體與噴油過程，以及排氣過程。

整過工作過程簡述如下：永磁同步電機通過聯軸器驅動螺桿轉子，外界空氣充滿了主從螺桿齒溝空間，當螺桿轉子進氣的一側轉離了進氣口時，在空間內的氣體被主從螺桿和機體之間的空間所密封，從而完成吸氣。被壓縮的空氣進一步隨著螺桿轉子與機體之間的密封空間伴隨著螺桿轉子的角度轉動而變小，呈現著“螺旋移動”的狀態，這個過程被稱為壓縮過程。被壓縮的空氣隨著螺桿螺旋線被運送至出口的過程中，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，噴入的潤滑油也被壓縮霧化，起到對壓縮空氣降溫密封以及對機械結構潤滑的功用。再當螺桿轉子密封齒峰轉到機體排氣口時，被壓縮的氣體開始排放，進而完成排氣過程。同一時刻，進口的氣體持續不斷地重復著上述過程，這樣，氣體從入口被源源不斷地壓縮輸送至壓縮機出口。

在壓縮空氣進行調控的系統中，待壓縮空氣通過進氣口的過濾器除去空氣中的諸如雜質和塵埃等，過濾后的空氣通過進氣閥門流入壓縮機的吸氣端口，在這個過程中，進來的氣體會被混合進潤滑油。其次，通過壓縮的油氣兩相混合氣液體通過單向閥進入氣-油分離器，分別進行一次分離和二次分離，再然后，通過2次分離后的油氣通過最小壓閥、冷卻器和氣-水分離器后，才能夠被輸送到壓縮氣體儲存系統中。

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

2 永磁變頻空壓機節能技術原理分析

2.1 螺桿空壓機裝機電機類型分析

一般地，通用工頻電動機驅動的螺桿空壓機稱為工頻螺桿空壓機;而當配用變頻器控制的變頻電機時，則稱為變頻螺桿空壓機。當配用的電機是異步啟動的永磁同步電動機時，則稱為永磁螺桿空壓機;而當配用的電機為永磁同步電動機時，則稱為永磁變頻螺桿空壓機[4-6]。永磁同步電動機與變頻器高度集成，轉子采用磁性最強、磁性最穩定的永磁體，定子繞組采用真空壓力浸漆加上環氧樹脂進行真空灌封而成。某公司生產的螺桿空壓機銘牌，如圖3所示。LG-350型螺桿空壓機的排氣量為40.0 m3/min，額定排氣壓力為0.7 MPa，電機的輸入功率為 250 kW，機組的輸入比功率為6.6 kW/（m3/min），額定轉速為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 螺桿空壓機永磁同步電機節能機理分析

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

2.2.1 高效率η。螺桿空壓機永磁同步電機的磁場產生于永磁體。永磁體的使用降低了勵磁電流的相關能量耗損。永磁同步電動機具有較寬的高效區域，特別是電機在低速運行時。這個特性遠遠高于Y系列籠式異步電動機。通過對比Y系列異步電動和永磁同步電機的轉速n-效率η曲線圖（見圖4）[8]，可以看出，雖然兩種電機的最大效率比較相似，然而n（轉速）在0.15n1～n1（n1為同步轉速）范圍內，永磁同步電機的效率始終接近于最大效率ηmax。但是在相同轉速范圍內，Y系列籠式異步電動機的效率η分布在0.20～0.95。由此可見，永磁同步電機具有極高的效率η，永磁同步電機的使用使節能效果特別明顯。

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

2.2.3 高而穩定的功率因數cosα。由于永磁同步電機磁場不是依靠勵磁繞組，因而不存在定轉子之間氣隙阻抗較大而帶來的無功功率損耗。因此，永磁同步電機的功率因數cosα最大可達到0.96。同時，永磁同步電機的極數不會引起功率因數cosα的改變，因此，功率因數cosα較為穩定。尤其是在較低的運行速度工況時，相比較而言，Y系列籠式異步電動機的功率因數cosα僅在0.9左右。此外，Y系列籠式異步電動機的功率因數cosα也會隨著電機極數的增大而降低。從功率因數cosα來看，永磁同步電機也是十分適合裝機于螺桿空壓機來滿足節能要求。

2.3 永磁變頻螺桿空壓機技能技術分析

單純從技術角度出發，永磁變頻螺桿空壓機之所以具有技能環保的原因主要是，使用變頻器驅動變頻電機會使氣體產生量與能量消耗呈線性變化，降低能耗;變頻器和空壓機輔助裝置的合理配置，可以提高空壓機運行性能;變頻電機帶動空壓機的啟動電流小，能量消耗降低，對電網沖擊小，進而提高空壓機整機的可靠性和穩定性。由于采用了變頻器進行無極調速，實現了螺桿空壓機啟動平緩和調節響應速度快，這樣一來，空壓機氣壓就相對較為穩定。基于變頻器的軟啟動特性，能夠保證啟動電流不大于1.6倍的額定電流（Ie）。這一點與工頻工作下啟動時6倍于額定電流（Ie）的情況相比，啟動沖擊削弱了許多，從而極大降低了啟動過程對整個電網的沖擊，同時也降低了空壓機內部的機械沖擊。永磁變頻螺桿空壓機的流量控制是可變的，可以達到小壓差損耗、小空載損耗的目的。這是由于變頻器能夠通過實時用氣量來調整電機轉速達到控制空壓機排量。除此之外，通過相應的控制策略的優化，又可以進一步提高技能效果。調制技術的使用能夠使電機對交流電電壓適應性更強。例如，當交流電壓稍低時，系統仍然能夠輸出足夠的驅動力矩;當交流電壓稍高時，變頻技術的應用也能夠正常驅動。永磁變頻電機在變頻器的調節下，空壓機的轉速為變值，從而可以控制空壓機氣體產生量，這種控制方式是最直接而且是最節能的控制形式。利用閉環控制的變頻器，螺桿空壓機的轉動可以由供氣系統的壓力實現自動調速，排氣管道系統的壓力波動小、穩定性高。這一點對空壓機外的生產工藝系統穩定具有重要意義，實現工藝系統節能，降低壓縮機電能消耗量，起到切實的節能功效。

變頻技術的使用使得螺桿空壓機的系統產生變化，其根源在于變頻空壓機是根據氣量調節使用。運行頻率越低則空壓機轉速就越小，相應的軸承損耗也越小。例如，進氣閥可以進行優化，僅保留常閉功能就能滿足使用，容調電磁閥和相應的調節機構也可優化去除。此外，縮減螺桿空壓機使用過程中的故障出現頻次和降低維修量，可以把噴油螺桿空壓機的氣壓噴油優化為變頻齒輪油泵來進行潤滑油噴射，這樣可以達到兼具可靠與高效的效果。

3 結語

筆者分析了永磁變頻技術的優點以及螺桿空壓機的工作原理（工作過程）。節能環保是螺桿空壓機行業能耗等級提升的必然要求。永磁變頻電機及變頻技術在螺桿空壓機中的使用，開拓了螺桿空壓機的產品譜系，從而推動永磁變頻螺桿空壓機在空壓機產品中逐漸成為最為重要的技術產品之一。鑒于永磁同步電動機的特有性能，在變工況運行過程中，采用永磁變頻技術的螺桿空壓機的節能效果尤為明顯，同時，永磁變頻螺桿空壓機節能技術存在特別好的深度挖掘潛力。永磁變頻螺桿空壓機在使用中高效節能，將會為能源節約、碳中和貢獻更大的力量。

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