智慧型空壓機（壓縮機）節電器誠尋專案合作商
一、應用背景：
空氣壓縮機作為一種重要的動力形式，被廣泛應用於生活生產的各個環節。其廣泛應用於機械，冶金，電子電力，醫藥，包裝，化工，食品，採礦，紡織，交通等眾多任務業領域。空壓機組是很多企業的必備動力裝置，一般在設計空壓機的裝機容量時，由於不能排除空壓機在滿負荷狀態下長時間執行的可能性，所以只能按最大需要來決定壓縮機的容量，設計餘量一般偏大。
二、工作原理
目前市場上空壓機主要分為螺桿空壓機、活塞空壓機和離心式空壓機等。離心式空壓機主要應用於用氣量很大的場合，一般企業應用很少。活塞式空壓機裝置投資低，以往很多企業都採用，但是產氣效率較差，正逐步被螺桿式空壓機所取代。
螺桿式空壓機裝置產氣效率高，主要分為有油和無油兩種，其中無油式空壓機應用在紡織、醫藥等特殊場合。下面我們就螺桿式和活塞式分別作一下簡要介紹：
1、螺桿式空壓機原理
（1）吸氣過程：
螺桿式的進氣側吸氣口，在設計時必須使壓縮室可以充分吸氣，而螺桿式壓縮機並無進氣與排氣閥組，進氣只靠一調節閥的開啟、關閉調節，當轉子轉動時，主副轉子的齒溝空間在轉至進氣端壁開口時，其空間最大，此時轉子的齒溝空間與進氣口之自由空氣相通，因在排氣時齒溝之空氣被全數排出，排氣結束時，齒溝乃處於真空狀態，當轉到進氣口時，外界空氣即被吸入，沿軸向流入主副轉子的齒溝內。當空氣充滿整個齒溝時，轉子之進氣側端麵轉離了機殼之進氣口，在齒溝間的空氣即被封閉。
（2）封閉及輸送過程：
主副兩轉子在吸氣結束時，其主副轉子齒峰會與機殼封閉，此時空氣在齒溝內封閉不再外流，即[封閉過程]。兩轉子繼續轉動，其齒峰與齒溝在吸氣端吻合，吻合面逐漸向排氣端移動。
（3）壓縮及噴油過程：
在輸送過程中，嚙合面逐漸向排氣端移動，亦即嚙合面與排氣口間的齒溝間漸漸減小，齒溝內之氣體逐漸被壓縮，壓力提高，此即[壓縮過程]。而壓縮同時潤滑油亦因壓力差的作用而噴入壓縮室內與室氣混合。
（4）排氣過程：
當轉子的嚙合端麵轉到與機殼排氣相通時，（此時壓縮氣體之壓力最高）被壓縮之氣體開始排出，直至齒峰與齒溝的嚙合面移至排氣端麵，此時兩轉子嚙合面與機殼排氣口這齒溝空間為零，即完成（排氣過程），在此同時轉子嚙合面與機殼進氣口之間的齒溝長度又達到最長，其吸氣過程又在進行
2、活塞空氣壓縮機工作原理
在氣缸內作往復運動的活塞向右移動時，氣缸內活塞左腔的壓力低於大氣壓力p，吸氣閥開啟，外界空氣吸入缸內，這個過程稱為壓縮過程。當缸內壓力高於輸出空氣管道內壓力p後，排氣閥開啟。壓縮空氣送至輸氣管內，這個過程稱為排氣過程。
活塞的往復運動是由電動機帶動的曲柄滑塊機構形成的。曲柄的旋轉運動轉換為滑動活塞的往復運動。活塞式空壓機有多種結構形式。
按氣缸的配置方式分有立式、臥式、角度式、對稱平衡式和對置式幾種。按壓縮級數可分為單級式、雙級式和多級式三種。按設定方式可分為移動式和固定式兩種。
按控制方式可分為卸荷式和壓力開關式兩種。其中，卸荷式控制方式是指當貯氣罐內的壓力達到調定值時，空壓機不停止運轉而通過開啟安全閥進行不壓縮運轉。這種空轉狀態稱為卸荷運轉。
而壓力開關式控制方式是指當貯氣罐內的壓力達到調定值時，空壓機自動停止運轉。 活塞式空壓機的優點是結構簡單，使用壽命長，並且容易實現大容量和高壓輸出。缺點是振動大，雜訊大，且因為排氣為斷續進行，輸出有脈衝，需要貯氣罐。
三、存在問題
1、能耗分析
我們知道加、解除安裝控制方式使得壓縮氣體的壓力在pmin～pmax之間來回變化。pmin是最低工作壓力值，即能夠保證使用者正常工作的最低壓力。一般情況下，pmax、pmin之間關係可以用下式來表示：
pmax＝(1＋δ)pmin
δ是乙個百分數，其數值大致在10%～25%之間。
而若採用變頻調速技術可連續調節供氣量的話，則可將管網壓力始終維持在能滿足最低工作壓力上，即pmin附近。
由此可知，在加、解除安裝供氣控制方式下的空壓機較之變頻系統控制下的空壓機，所浪費的能量主要在2個部分：
a、 壓縮空氣壓力超過pmin所消耗的能量
b、 在壓力達到pmin後，原控制方式決定其壓力會繼續上公升(直到pmax)。這一過程中必將會向外界釋放更多的熱量，從而導致能量損失。另一方面，高於pmin的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過減壓閥減壓至接近pmin。
這一過程同樣是乙個耗能過程。
2、解除安裝時調節方法不合理所消耗的能量
通常情況下，當壓力達到pmax時，空壓機通過如下方法來降壓解除安裝:關閉進氣閥使電機處於空轉狀態，同時將分離罐中多餘的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。
關閉進氣閥使電機空轉雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體作功，但空壓機在空轉中還是要帶動螺桿或者活塞做迴轉運動，據我們測算，空壓機解除安裝時的能耗約佔空壓機滿載執行時的10%～15%(這還是在解除安裝時間所佔比例不大的情況下)。換言之，該空壓機10%的時間處於空載狀態，在作無用功。很明顯在加解除安裝供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節能空間。
3、其它不足之處
（1）靠機械方式調節進氣閥，使供氣量無法連續調節，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調節進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。
（2）頻繁採用開啟和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。一般的工礦企業空壓機一直都是全速執行,正常情況空壓機設計時將這部分多餘的能量通過溢壓閥放掉了,溢壓閥放的能量越多,那麼浪費的電能就越多；新型的空壓機雖已採用自動控制,當氣壓到達設定值時通過調節進氣量來調整做功量,當到達最大設定值時關閉進氣閥讓電機空轉,這樣雖可節約一部分電能,但據我們實測,空轉時的電流只是降到打壓時的一半電流（如一台55kw空壓機,打壓時電流為100a到120a,空轉時電流也有60a左右）,都存在電能的巨大浪費。
四、改造方案
智慧型空氣壓縮機節能系統是採用「負載跟蹤」系統，由變頻調速系統、壓力感測器、智慧型控制器控制單元、軟體控制單元等組成。此控制系統根據壓力感測器檢測到的空壓機出口的壓力值，通過智慧型控制器進行計算，然後輸出訊號調整電機輸出頻率，進而控制壓縮機轉速，在精確地控制空壓機出口的壓力的同時，延長壓縮機系統的使用壽命，並大幅度地節約電能，同時，**線路中的零序電流，進行二次利用。
我們可以把管網壓力作為控制物件，壓力變送器yb將儲氣罐的壓力p轉變為電訊號送給pid智慧型儀表，與壓力設定值p0作比較，並根據差值的大小按既定的pid控制模式進行運算，產生控制訊號送變頻調速器vvvf，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉速，從而使實際壓力p始終接近設定壓力p0。同時，該方案可增加工頻與變頻切換功能，並保留原有的控制和保護系統，另外，採用該方案後，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻器來啟動，實現了軟啟動，避免了啟動衝擊電流和啟動給空壓機帶來的機械衝擊。
圖5 控制系統流程圖
由於用氣量的不斷變化，氣罐裡的壓力也會變化頻繁。採用變頻調速系統用調整電機轉速的方法來調整壓縮機的供氣量。使氣罐內的氣壓始終保持在理想的狀態下，由於空壓機基本上屬於恆轉矩負載，用變頻調速的方法調整供氣量能使電機的輸出功率基本與轉速（供氣量）成正比關係，達到很好的節電效果。
由於空壓機在啟動時，內部有少量的滯留氣壓，啟動和加減速執行時要求變頻器反應快速，因此，調節方式採用閉環自動調節，控制系統根據壓力感測器檢測到空壓機出口的壓力訊號值，經過a/d模擬數字轉換單元的訊號轉換後，通過智慧型控制器和變頻器調整壓縮機電機的轉速，保證電機以最小的功率輸出。
空壓機節電控制系統與空壓機原控制系統互為備用，兩套系統之間存在互鎖關係，以確保空壓機正常、安全執行。
五、節電原理
我們知道，用調整電機轉速的方法同樣可以調整供氣量。由於空壓機基本上屬於恆轉矩負載，用變頻調速的方法調整供氣量能使電機的輸出功率基本與轉速（供氣量）成正比關係，達到很好的節電效果。如圖6
跟據以上原理，高和華泰公司工程採用「負載跟蹤」系統，根據負載變化，及時調節電機的輸出的功率，使電機的輸出功率與實際功率相等，以達到「供需平衡」的目的，從達到更好的節電效果。
總之，採用高和華泰智慧型空壓機節電控制系統後，不但可節約15～35%的電力費用，延長壓縮機的使用壽命，並可實現提高生產效率和產品質量，減少企業成本，提公升市場競爭力的目的。
六、改造後效能
1、節約電能：
電力短缺已成不爭的事實，節約電能是最有實際意義的，根據壓縮空氣需求量來供給的壓縮機工作是經濟的執行狀態，節省電費約15～35%之間。
2、執行成本降低：
傳統壓縮機的執行成本由三項組成：初始採購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本大約佔壓縮機執行成本的77%。
通過能源成本降低25%，再加上節能改造後對裝置的衝擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以執行成本將大大降低。
3、提高壓力控制精度：
高和華泰智慧型空壓機節電系統具有精確的壓力控制能力。使壓縮機的空氣壓力輸出與使用者空氣系統所需的氣量相匹配。壓縮機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變。
由於控制電機速度的精度提高，所以它可以使管網的系統壓力變化保持在使用者設定的範圍內，有效地提高了工況的質量。
4、延長壓縮機的使用壽命：
高和華泰智慧型空壓機節電系統，它的起動加速時間可以調整，從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的衝擊，增強系統的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。此外，高和華泰智慧型空壓機節電系統能夠減少機組起動時電流波動，這一波動電流會影響電網和其它裝置的用電，該節能系統能夠有效的將起動電流的峰值減少到最低程度。
5、降低了空壓機的噪音：
根據壓縮機的工況要求，節能改造後，有效地降了空壓機執行時的噪音。現場測定表明，噪音與原系統比較下降約3至7分貝。
6、系統穩定性能更強：
儲存原軟啟動系統，本控制系統的變頻-工頻切換功能可以使變頻控制系統發生故障時將壓縮機電機切換到原軟啟動系統工頻工作，以確保壓縮機組可以正常工作。
7、自帶旁路系統
高和華泰智慧型空壓機節電系統，考慮到安全執行的問題，系統自帶兩套供電系統，一旦出現問題時，裝置將自動（手動）切換到旁路系統（市電執行），從而保證使用者生產不受任何影響。
七、小結
空壓機主機節電已經被很多任務業企業所採用。節電效果一般在15%～35%，節電效果良好，並提高供氣質量。但是由於它特殊的力矩特性及複雜的電路系統，只有少數技術公司才能完全掌握。
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