摘要
螺杆空气压缩机是一种比较新颖的压缩机因其可靠性高、操作维修方便、动力平衡性好、适应性强等优点，而广泛地应用于矿山、化工、动力、冶金、建筑、机械、制冷等工业部门。
工厂实际需求存在季节性及时间性波动，也导致用气量波动较大，所以空压机多数时间并非满载运行，节能空间很大。 空压机的用电量约占全部工业用电设备的9%，节能降耗利国利民。 国家提供专项资金大力扶持节能降耗，这也进一步推动了空压机等产业的升级。
本课题主要是对通用的螺杆空气压缩机的电路结构进行优化来节约能耗，通过加载变频器来优化性能，变频器控制电机的电流频率来降低电耗，来实现更大的利益。
关键词 螺杆空气压缩机；节能； 变频
目 录
摘要 .................................................................................................................. I
第1章 绪论 ....................................................................................................3
1.1 螺杆空气压缩机概述 ...........................................................................3
1.1.1 螺杆空气压缩机概念 ....................................................................3
1.1.2 螺杆空气压缩机应用现状 ............................................................3
1.1.3 螺杆空气压缩机的优缺点及其应用前景 ....................................3
1.1.4 研究螺杆空气压缩机目的和意义 ................................................4
1.2 螺杆空气压缩机的基本结构 ...............................................................5
1.2.1 空气系统 ........................................................................................5
1.2.2 润滑油系统 ....................................................................................7
1.2.3 冷却系统 ........................................................................................8
1.2.4 控制系统 ........................................................................................9
1.2.5 电气系统 ...................................................................................... 11
1.2.6 传动系统 ......................................................................................12
第2章 螺杆空气压缩机工作原理 ..............................................................13
2.1 工作原理 .............................................................................................13
2.1.1 工作原理图 ..................................................................................13
2.1.2 工作原理解析 ..............................................................................13
2.2 工作过程 .............................................................................................13
第3章 螺杆空气压缩机的节能设计 ..........................................................15
3.1 节能设计概述 .....................................................................................15
3.2 空压机变频改造的系统分析 .............................................................15
3.3 节能改造的设计 ............................................................................15
3.3.1 节能改造的设计要求 ..................................................................15
3.2.1 空压机变频节能原理 ..................................................................16
3.2.2 变频改造方案设计 ......................................................................16
3.2.3 工频电费计算 ..............................................................................19
3.2.4 创新方案 ......................................................................................20
3.2.5 工作原理 ......................................................................................22
3.2.6 变频空压机的计算 ......................................................................22
第4章 空压机变频改造后的效益 ..............................................................24
结论 ................................................................................................................25
参考文献 ........................................................................................................26
致谢 ................................................................................................................27
第1章 绪论
1.1 螺杆空气压缩机概述
1.1.1 螺杆空气压缩机概念
空压机，全名为空气压缩机，是一种工矿企业中最常用的空气
动力提供设备。通常，空压机分为螺杆式空压机、活塞式空压机等。
螺杆式空压机是由一对相互平行啮合的阴阳转子(或称螺杆)在
气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽和阳转子的齿被主电机驱动而旋转。
1.1.2 螺杆空气压缩机应用现状
螺杆空气压缩机应用极其广泛，其主要用途有：压缩气体用于
作为动力，如气动扳手、风动机械；用于 自动控制，如车辆制动、酿造业的搅拌；用于 制冷和气体分离，如冷冻行业与要用到纯氧纯氮的行业等。
在工业生产的许多领域，如采矿 、石油、化工、制冷、动力和
冶金等部门中广泛地使用压缩 机 。据统计，在一个大型冶炼厂中，全年为压缩机 配套的电动机功率常达上万千瓦；在冶金工业和机 械制造行业中，冶炼用的氧气压缩机和空气压缩机 动力站所消耗的电能，几乎 占全厂电能消耗的30％以 上 。如何降低空压机运行所消耗的能源 ，对于响应 国家节能降耗的政策以及提高企业的经济效益都具有十分重要的现实意义。
1.1.3 螺杆空气压缩机的优缺点及其应用前景
螺杆压缩机的优点：
1.可靠性高：螺杆压缩机零部件少，没有易损件，因而它转可靠，寿命长，大修间隔期可达4-8万小时。
2.操作维护方便：操作人员不必经过专业培训，可实现无人值守运转。
3.动力平衡性好：螺杆压缩机没有不平衡惯性力，机器可平稳地高速工作，可实现无基础运转。
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4.适应性强：螺杆压缩机具有强制输气的特点，排气量几乎不
受排气压力的影响，在宽广范围内能保证较高的效率。
5.多相混输：螺杆压缩机的转子齿面实际上留有间隙，因而能
耐液体冲击，可压送含液气体，含粉尘气体，易聚合气体等。
螺杆压缩机的缺点：
1.造价高：螺杆压缩机的转子齿面是一空间曲面，需利用特制
的刀具，在价格昂贵的专用设备上进行加工。另外，对螺杆压缩机气缸的加工精度也有较高的要求。
2.不适合高压场合：由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限
制，螺杆压缩机只能适用于中，低压范围，排气压力一般不能超过3.0Mpa。
3.耗电高：在正常工作状态下，散出大量热量，耗电量很大。
国家以节能法为指导，采用三晶无感矢量变频器，对空压机的
用电系统进行综合治理，力求获得最大的经济效益和加强企业的用电安全。充分考虑业主单位的实际情况与客观条件，全面规划、合理布局、整体协调，使工程的设计、运行管理都能达到预期目标。节电系统工程流程简单、可靠、先进、投资少、回本周期短、直接和间接效益显著。工艺设备技术可靠，寿命长、维护少，操作简单，噪音低等特点。
随着社会的高速发展。各公司对螺杆空气压缩机的要求越来越
高。节能成为了一个衡量设备技术含量的重要部分。现在国内各大企业也在争先改良引进新技术去改良设备，增强竞争力 。但在国内的大形势下我国的空压机销量还会与日俱增。动力供应不仅仅是要满足生产的需要,而且要尽可能的利用节能技术为动力的供应降低成本。
1.1.4 研究螺杆空气压缩机目的和意义
空气压缩机在很多行业都得到了广泛应用。其广泛应用在矿
山、工业生产、能源、建筑等行业，空压机的系统容量设计一般会较实际需要大的多，空气压缩机在工频供电时通过自身的卸载适应管道压力，这样造成卸载时电机基本空转，压力管道内的压力高时电机的出力也增大很多，造成不必要的浪费，同时对设备的使用寿命也会造成不利影响。经变频改造后可以节省卸载时的部分电能，同时在加载时空压机的供气压力可以根据压力设定进行调节，实现基本稳压。 为了响应国家节能降耗、污染，节能改造项目，并在实践中获得跟高的利益。在工业领域中已成为必不可少的关键设备，是许多工业部门工艺流程中的核心设备。作为动力设备的主设
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备之一，能耗已成为各企业的头等问题，节能改造已被越来越多的企业所关注。
1.2 螺杆空气压缩机的基本结构
螺杆空气压缩机可分为单螺杆式空气压缩机和双螺杆式空气压
缩机。双螺杆空气压缩机的基本结构包括空气系统、润滑油系统、执行系统、冷却系统、电气系统、传动系统。
1.2.1 空气系统
空气由空气滤清器滤去尘埃之后，经由进气阀进入压缩机机体
内进行压缩，并与润滑油混合。与油混合的压缩空气排入油气桶，经油气桶和油细分离器去除油分后，纯净的空气经压力维持阀、后部冷却器，送入使用系统。
气路中各组件功能说明：
1.空气滤清器
空气滤清器滤芯为一干式纸质过滤滤芯，其主要功能是过滤空
气中的尘埃。当控制面板上空气滤清器阻塞指示灯亮时，表示空气滤清器滤芯必须清洁或更换，但压缩机仍继续运转。
空气滤清器外壳为铁质或塑料，内装旋风除尘装置，可去除绝
大部分灰尘，大大延长空滤芯的寿命。
2.进气阀
进气阀是整个空压机空气流程及控制系统中核心元件之一。进
气阀的打开或关闭的动作对应着空压机的两种运行状态：（进气阀的打开或关闭是针对阀内的进气口而言，进气阀打开即进气口打开）
重车：进气阀全开，空压机满负荷运转，实现全气量输出。
空车：进气阀全关，空压机无负荷运转，无压缩空气输出。
容调：进气阀部分打开，空压机部分负荷运转，压缩空气输出
量在0～100％之间。
活塞式进气阀，结构如图1-1所示，主要由上盖、底座、活塞
等部分组成。当空压机运转时，只要管路1无压力输入，微孔2就会泄放掉活塞底部的气压，活塞就会在转子旋转产生的真空吸力下往下运动，进气口打开，空气被吸入，空压机重载运转。当管口1有压力输入时，且此压力足以克服真空吸力，则活塞受气压推动向上运动直至与上盖接触关闭进气口。空压机空载运转。管口1的压
力供给与否由泄放电磁阀控制。
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进气口
活塞
上盖
底座 1
2
图1—1 活塞式进气阀
3.油气桶
油气桶的作用有两个：储存润滑油及油气第一次分离。压缩机体排出的油气混合气首先排至油气桶，经油气桶第一次分离，绝大部分油被分离出来，沉降于油气桶底部，参与下次循环，仍含有少量油份的压缩空气将送至油细分离器。
油气桶侧装有观油镜用于观察油位，正常的油位是：机器重车运转时，油位位于油镜两条红线之间。如重车运转时发现油位高于上红线则油位过高，如重车运转时发现油位低于下红线则油位过低。建议此时应立即停机加油。
由于停机后系统内的油回流到油气桶中，使停机时的油位可能位于上红线上方。
油气桶备有加油口，用于添加润滑油。底部有泄油口，用于排放冷凝水及换油时排放润滑油。
4.安全阀
若系统发生故障使油气桶内压力达到设定排气压力1.1倍以上时，安全阀即会打开，使压力降至设定排气压力以下。安全阀在出厂前已调整好，请勿随便调整。安全阀每半年至少测试一次动作是否正常。
5.压力维持阀
压力维持阀位于油细分离器出口处，其开启压力一般设定在0.4～0.5MPa。压力维持阀之所以这样设定是由于：
a. 压缩机刚启动时优先建立起系统内润滑油循环所需的最低压力，确保机体良好润滑。
b. 当油气桶内压力超过压力维持阀的设定开启压力时，压力维持阀方开启，允许压缩空气排出，这样就可避免因流过油细分离器
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的空气流速过快而降低其油气分离效果，也可保护油细分离器避免因内外壁压差过大而受损。
另外，压力维持阀还有止回功能。当空压机空车时，空压机系统内压力较低，用户系统较高的压力因压力维持阀的存在而不会倒流回来。
压力维持阀出厂时已设置好，使用中无需调整。
6.后部冷却器
将工作中产生中空气类却排出。
1.2.2 润滑油系统
螺杆式压缩机的润滑油循环是靠油气桶内的压力与压缩机体内喷油口处的压力差来自动实现的，无需配备专门的油泵。具体流程如下：高温的润滑油从油气桶出来后，经过热控阀，进入油冷却器冷却，再经过油过滤器去除杂质颗粒。然后分为两路：绝大部分油由机体下端喷入压缩室，参与压缩过程。小部分油则通往机体前后端，用以润滑机体轴承组。润滑轴承油最后回到吸气口同空气一起进入压缩室，参与压缩过程。
与油混合的压缩空气进入油气桶，油气桶分离出绝大部分的油直接沉降于油气桶底部，以备下次循环。空气中剩余的极少量油分经过油细分离器分离出来经回油管、止回阀流回机体吸气端。
油路中各组件说明：
1.热控阀
水分的产生及其对压缩机的危害之前已有叙述。油路中热控阀能有效地防止冷凝水的大量析出。其功能如下：热控阀总共有三个接口：入油口、出油口和旁通口。旁通口接油冷却器入口，常态时关闭。当入油口的油温较低时（如冷态机组刚起动时），热控阀不动作，油不经过冷却器直接流入油过滤器。当油温渐渐上升到67℃以上时，热控阀开始动作，旁通口渐渐打开，出油口渐渐关闭，一部分油开始进入油冷却器冷却。当油温继续上升至72℃以上时，旁通口全部打开，出油口全部关闭，润滑油全部流经油冷却器进行冷却。这样可以保证排气温度高于70℃，从而避免压缩空气中的冷凝水在机组中大量析出。
2.油冷却器
油液的冷却位置。
3.油过滤器
油过滤器是一种纸质的过滤器，其功能是除去油中颗粒杂质。 当控制面板上油过滤器压差指示灯亮时，表示油过滤器阻塞，
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必须更换，但压缩机仍然继续运转。新机第一次运转1000小时左右的磨合期后即需要更换油过滤器，如更换不及时，将可能导致进油量不足，排气温度过高，同时因油量不足会影响轴承寿命。
4.油细分离器
油细分离器是喷油式螺杆压缩机的关键元件之一，其芯部是由多层细密的玻璃纤维制成。外边有固定用的铁网保持架以及法兰、外壳等。经油细分离器分离后压缩空气中的含油量可控制在3ppm以下（油细分离器对蒸气状态存在于空气中的油则无能为力，故这部分油会被空气带走）。油细分离器是一次性使用的部件。
正常情况下，油细分离器芯的寿命可达4000小时。但某些因素对其使用寿命影响很大。如：
润滑油的洁净程度。如润滑油中灰尘等杂质很多，油细分离器芯很快会被堵塞。故请特别注意环境的清洁及空气滤清器的保养。
润滑油品质。如润滑油品质不佳或已变质，会严重影响其寿命。
一般而言，油细分离器是否损坏可由以下方法判断：
1.空气管路中所含的油份增加。
2.在油气桶与油细分离器间装有一油细分离器压差开关，当油细分离器前后压差超过设定值0.1MPa时，则压差指示灯亮，表示油细分离器已阻塞，应立即加以更换了。
3.油压是否偏高。
4.电流检视是否增加。
1.2.3 冷却系统
冷却系统是空气压缩机中非常重要的部分之一，因为空气被压缩后释放出大量的热，这些热量都要靠冷却系统作热交换后带走。传统冷却方式为风冷式。
风冷式冷却系统
风冷式冷却系统包含风扇和冷却器两大部件，冷却器采用铝制板翅式换热器，风扇将冷空气强制吹向冷却器，空气在流过冷却器散热翅片时，与压缩空气或润滑油做热交换，将热量带走，达到冷却压缩空气和冷却润滑油的效果。
使用风冷型机组需注意：
冷空气的温度（基本等同于环境温度）很重要，不能过高，建议不超过40℃。
冷却器暴露于空气中，翅片上会沾上灰尘，如聚集灰尘太多，会严重影响冷却器换热效果。故应经常用压缩空气将翅片表面的灰
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尘吹干净。如情况严重无法吹干净时，必须用清洁剂清洗，清洗机组零部件时，严禁使用易燃易爆、易挥发的清洗剂。
清洁时，可拆开冷却器支架侧面的盖板，使用手持风枪向上吹扫。
1.2.4 控制系统
控制系统包括侦测元件（侦测机组运行状态）和执行元件（执行控制动作），可实现空压机全自动运转，无需专人值守。
1.进气阀
2.泄放电磁阀
泄放电磁阀是一个两位两通常开电磁阀，常态下是导通的，当得电时关闭，得电与否信号由CPU给出。其作用是启动、停机以及空车时泄放系统内的压力。当机组在这些状态运转时，此阀断电导通，将系统内压力泄放掉。
当空压机重车时，此阀得电关闭，系统停止泄放。
3.压力控制元件
压力控制元件有两种：压力开关、压力传感器。
如不特别要求，11 KW～22KW机型使用压力开关控制排气压力。压力开关感应到气体压力达到自身设定压力上限时，开关闭合，信号送至CPU，CPU发出信号控制泄放电磁阀断电，机组得以空车。
当用户系统压力下降至设定下限时，压力开关断开，CPU发出信号控制泄放电磁阀得电，机组得以重车。
机组出厂时会根据用户订货时所要求的机组工作压力设定好压力开关上下限。设定上限即客户要求的最高工作压力，设定下限一般为最高工作压力－0.2MPa。用户切莫自行调整。
使用压力开关的机型，控制面板上有压力表用于显示机组系统压力。重车时，此压力等于排气压力。空车时，此压力为机组内部空车循环压力。
压力传感器用于37KW及以上机型。压力传感器感应到气体压力并转换为电流信号送至CPU，CPU再转换为数字信号送至液晶屏显示适时压力值，并根据压力值作出判断送出控制信号。
压力传感器感应的是压力维持阀之后的压力，即用户系统压力。当用户系统压力上升至设定上限时，CPU发出信号控制电磁阀断电，机组得以空车。
当用户系统压力下降至设定下限时，CPU发出信号控制电磁阀得电，机组得以重车。
机组出厂时会根据用户订货时所要求的机组工作压力设定好上
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下限。设定上限即客户要求的最高工作压力，设定下限一般为最高工作压力－0.15MPa。
4.温度控制元件
温度控制元件也分为两种，一种是感温棒与温度开关配合使用，用于11 KW～15KW机型；一种是温度传感器，用于30KW及以上机型。
感温棒是一种热电偶，它感应到压缩机体排气温度并转换为电信号送至温度开关。温度开关的作用是：
① 将感温棒送来的电信号转换后显示出来。
② 温度保护功能。在温度开关上可以设定温度保护值，当排气温度达到温度开关保护设定值（100℃）时，则温度开关动作，发出信号给CPU，CPU再送出信号使机组停机。
在失油、风扇故障、环境温度过高等情况下，均有可能会导致排气温度过高。
排气温度保护动作以后，系统启动回路即被切断，此时无法再次启动系统，必须按下紧急停止按钮并复位，使排气温度保护解除后，方可重新起动。
温度传感器感应到系统温度并转换为电流信号送至CPU，CPU再转换为数字信号送至液晶屏显示适时排气温度值，并根据温度值作出判断送出控制信号。
系统可根据机组排气温度控制风扇的起停，详见P42说明。在失油、风扇故障、环境温度过高等情况下，均有可能会导致排气温度过高，当排气温度达到保护设定值（100℃）时，则CPU送出信号使机组停机。
排气温度保护动作以后，系统启动回路即被切断，此时无法再次启动系统，必须按下紧急停止按钮并复位，使排气温度保护解除后，方可重新起动。
5.止回阀
止回阀位于回油管与机体之间。他允许油细分离器滤出的油单向流入机体，而防止停机后系统压力降为零以前机体内的油倒流回油细分离器（这些倒流回油细分离器的油将使机组耗油量大大增加）。
在使用活塞式进气阀的机型当中（11KW～45KW），有两个止回阀用于防真空管路，防止油倒流。
6.压差开关：
机组中总共有三种过滤元件，分别是空气滤清器、油过滤器、油细分离器，这些过滤元件一旦阻塞将对机组运行造成不良影响，
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故机组为这三种元件分别配置了压差开关。当这些元件阻塞后使前
后压差达到压差开关设定压差值时，压差开关动作，信号输入CPU，则控制面板上相应指示灯亮，表明该元件阻塞，应在最短的时间更
换。千万不要有侥幸心理继续使用，这样极易造成机组其他故障或
损坏，得不偿失。
压差开关动作发讯时的压差值： 空气滤清器 -0.06 Mp
油过滤器 0.18 MP 油细分离器 0.1 Mp
1.2.5 电气系统
启动盘集中了各种电器元件，具体如下所述
1.接触器：
11KW～15KW机型为直接启动，启动盘上接触器共2只，M、F，
其中F控制风扇运转，M控制主电机运转。主电机启动时，M吸合，主电机为△接法，直接启动。
22KW及以上机型为Y-△启动，则启动盘上接触器共4只，M、
D、S、F，其中F控制风扇运转，另外三个控制主电机运转。主电机启动时，M、S吸合，主电机为Y接法，降低启动电流。数秒后，自动切换为M、D吸合，主电机为△接法。接触器D、S之间有电气自锁设计，确保不能同时吸合。
所有的接触器均接受来自CPU的指令动作。
2.过载保护器：
机组中共有二个电动机，分别为空压机驱动主电机、风扇电
机，电路中分别为这两个电机配置了过载保护器。这是一种热保护
器，当电机电流超过保护器的设定保护值，并保持一段时间后，保
护器会自动切断主电源，使空压机停机。此时应追查电流过载原
因，及时排除故障。保护器一旦动作必须复位，机组才能重新启
动。复位时只需按动保护器上的复位按钮即可。
保护器的保护设定值一般是所保护的电机之额定相电流（相电
流=电机铭牌上的额定电流×0.577）的1.1倍。
3.变压器
启动盘上共有两个变压器PT1、PT2。 PT1为主变压器，为整个
电控系统提供电源。PT2为三相变压器，提供三相电源相序信号，用于判断机组转向是否正确。
4.继电器线路板
继电器线路板作用是中继转换信号。可将来自CPU的较弱控制
信号（如泄放电磁阀得失电、接触器吸合信号等）通过继电器转换
为大电流信号驱动电磁阀及接触器。还可将来自压差开关、过载保护器的信号转换后提供给CPU。逆相保护器也集成在该线路板中。
5.CPU
是整台机组的控制中心，各种侦测元件的信号传给它，由它发出各种指令控制整机运转，并通过液晶屏显示各种运行参数及故障信息。
1.2.6 传动系统
螺杆空气压缩机的传动系统主要是皮带传动和齿轮传动。皮带传动是电机轴及机体轴上分别装配电机皮带轮及机体皮带轮，并以高强度皮带进行连接，通过改变两皮带轮的直径可改变机体的转速；传动齿轮是机体的前半部分是齿轮箱，内有一对传动齿轮。机体伸出轴上安装主动齿轮，从动齿轮装在主转子上，从电机轴输入的扭矩通过这一对齿轮传至主转子，主转子又带动副转子，实现压缩气体的过程。也有部分机型无传动齿轮，电机轴通过联轴器直接驱动主转子。
第2章 螺杆空气压缩机工作原理
2.1 工作原理
2.1.1 工作原理图
图2-1 螺杆空气压缩机的工作原理图
2.1.2 工作原理解析
螺杆式空压机的工作原理如图2—1所示，空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转。滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至气缸壁，高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小舒适耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经过油气分离器进行分离之后，油气经过油冷却器冷却再经过油过滤器流回储油罐，空气经过气冷却器(空气冷却装置)进行冷却而进入储气罐。
2.2 工作过程
空气压缩机的工作过程包括4部分，即吸气过程、封闭及输送过程、压缩及喷油过程和排气过程。
1.吸气过程：
当转子转动时，主副转子所形成的齿间容积逐渐扩大，该容积仅仅与吸气口连通，外界空气被吸入齿间容积内。当齿间容积增到最大时，齿间容积与吸气口断开，吸气结束。此为“进气过程”。
2.封闭及输送过程：
在吸气终了时，主副转子齿峰会与机壳闭封，在齿间容积内的空气即被封闭在由主、副转子及壳体组成的封闭腔内，此即“封闭过程”。两转子继续转动，主副转子齿相互啮合，啮合面逐渐向排气端移动，齿间容积内的空气也跟着向排气端输送，即“输送过程”。
3.压缩及喷油过程：
在输送过程中，随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减小，齿间容积内之气体体积也随之减小，气体被压缩，压力升高，此即“压缩过程”。压缩的同时，润滑油因压力差而喷入齿沟内与空气混合。
4.排气过程：
当转子转到齿间容积与机壳排气口相通时，被压缩之气体开始排出，这个过程一直持续到齿末端的型线完全啮合，此时齿间容积为零，气体被完全排出，即完成“排气过程”。
第3章 螺杆空气压缩机的节能设计
3.1 节能设计概述
主电机虽然是“星—三角”减压起动，但起动时的电流仍然很大，可高达电机额定电流的6~7倍，严重影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全。 空压机频繁的加卸载，加载时起动电流大，卸载时电机空载运行，属非经济运行，电能浪费严重。 电机工频运行致使空压机运行时嘈音很大。 电机工频起动对设备的冲击很大，电机轴承的磨损大，所以设备维护工作时机械量比较大。我的课题是在空载时降低电流频率来实现节能。
3.2 空压机变频改造的系统分析
确空气压缩机是一种把空气压入储气罐中，使之保持一定压力的机械设备，属于恒转矩负载，其运行功率与转速成正比：
TLnL PL (3-1) 9550
式中：PL -空气压缩机功率
TL -空气压缩机转矩
nL -空气压缩机转速
所以就运行功率而言，工频压缩机空载时会浪费大量的电能。 变频调速是80年代初发展起来的新技术，具有易操作、免维护、控制精度高等优点。普通电动机采用变频调速后，在其拖动负载无须任何改动的情况下，便可按照生产工艺要求来调整转速输出以满足工况要求。因此完全可以用变频器驱动的方案取代加、卸载供气控制方式的方案，从而电机可根据用气量的大小来自动调整转速以保证供气压力恒定，使电机低于额定转速连续运转，可有效地克服电机频繁改变运行状态所带来的诸多弊端，达到系统高效节能运行的目的。
3.3 节能改造的设计
3.3.1 节能改造的设计要求
根据原工况存在的问题并结合生产工艺要求，空压机变频自控
改造后系统应满足以下要求：
1.变频驱动电机运行状态下保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不超过±0.02Mpa；
2.系统应具有变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳脱保护时，不影响生产；
3.控制系统应能够压力状况自动切换空压机的工变频运行状态和增减空压机的运转台数；
4.在用电气量小的情况下，变频器处在低频运行时，应保障电机绕组温度和电机的噪音不超过允许的范围。
3.2.1 空压机变频节能原理
变频调速技术近年来发展迅速，并在许多领域发挥了重要的作用。空气压缩机节能原理图如图2-2所示
图3-1 空压机变频节能系统原理框图
由于许多螺杆式空压机运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,那么能源都被白白的浪费了，而电动机转速自身不能改变，只能通过改变电机频率来调节转速。变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力。原理如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，使电动机上得到相应的转速。那么空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。
3.2.2 变频改造方案设计
1.原机的电路图及计算
工频电路图如图3-2，工频电气装配图如图3-3
图3-2 工频电路图
图3-3工频电气装配图
3.2.3 工频电费计算
1.题题研究中所用的螺杆空气压缩机样本的型号和规格
空压机额定排额定排空载率 电机型电机功电机型号 气压力 气量 号 率 额定
电流
3JC15HA 0.8Mpa 1.8m/ 0.40 Y160M-11KW 22A
Min 2
电机空电机级电机额电机功电机启Mmax/M 电机载率 数 定转数 率因数 动方式 效率
η
10A 2级 2930r 0.88 Y-△降2 0.872
压启动
2.螺杆式空压机空载率：在设定的气压范围内工作，在低于设定气压时负载运行，在高于设定压力时空载运行，从上表可知空压机有40%的时间处于空载状态，这样既浪费能源又降低了系统的功率因数。现空压机总运行时间为11340小时，负载运行时间为6416小时，因此实际空载率为：
空载率=（11340—6416）/11340=0.434
3.年空载损耗w（年总运行时间取8000小时）
W3UeIacosa
年总运行时间 空载率（ 3-2）
式中：Ue-电源电压，取380v
Ia-空载电流，取10A
η-电机效率，取0.872
COSa-功率因数，取0.88
4.年空载损耗费用F
F0.63W （3-3） F=14528元
3.2.4 创新方案
在主电路加一变频器，辅助电路加一个继电器和中间继电器。 电路设计如图3-4,图3-5
-
图3-4 变频电路图
图3-5 变频电气装配图
3.2.5 工作原理
合上电源开关KQ，钥匙开关SK，给主、控制电路送电；
按下控制面板上的启动按钮，控制回路中28得电，接触器KM1吸合其主触点闭合变频器的得电，按下变频器RUN按键，因为J1常闭触点闭合，电机以30Hz频率启动运行；
经MAN-KY4（40)控制器内延时S1，控制回路31得电，J1常闭断开、常开闭合，电机转为50Hz运行；
时间继电器SJ经延时S动作常开触点闭合接通电磁阀DZ电源，伺服气缸打开，空压机开始负载运行；
当气压达到设定范围上限时，控制回路31断电，时间继电器SJ，继电器J1跟着断电，分别使伺服气缸关闭、J1常开打开、J1常闭闭合，空压机转为30Hz负载运行；
当气压达到设定范围下限值时，控制回路31得电运行 ，时间继电器SJ、继电器J1通电吸合，J1常开闭合、J1常闭打开，空压机工频50Hz运行SJ延时S其常开触点闭合，DZ通电，伺服气缸打开，空压机负载运行。
3.2.6 变频空压机的计算
工频50Hz空载运行改为变频30Hz空载运行节能原理分析
当电机由工频50Hz空载运行改为变频30Hz运行后，定子绕组所2承受的相电压U=Ue×Fa÷Fi=228V，我们都知道电压的平方正比于电机输出力矩，故工频50Hz空载运行变为变频30Hz空载运行后电机输出力矩变成原来的1/3，变频空载功率损耗P30可按以下公式
W
3UeIacosa（3-4）
式中：Ue-电源电压，取380v
Ia-空载电流，取10A
η-电机效率，取0.872
COSa-功率因数，取0.88
P30M30V30 （3-5）
式中：M50-50Hz时输出力矩
V50-50Hz时工频转数
M30-30Hz时输出力矩
V30-30Hz时工频转数 P30M50V503
35=1.33KW
通过以上计算节约电能Po=P50-P30=5.31KW
年节约空载损耗Wo为
Wo=Po×年总运行时间×空载率
=5.31×8000×0.434=18436KWh
年节约空载损耗费用Fo为
Fo=Wo×0.63=11615元
第4章 空压机变频改造后的效益
1.节约能源
变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据空气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状况。
2.运行成本降低
传统压缩机的运行成本由三项组成：初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占压缩机运行成本的77%。通过能源成本降低44.3%，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。
3.提高压力控制精度
变频控制系统具有精确的压力控制能力。使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制电机速度的精度提高，所以它可以使管网的系统压力变化保持在3pisg变化范围，也就是0.2bar范围内，有效地提高了工况的质量。
4.延长压缩机的使用寿命
变频器从0HZ起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。
5.低了空压机的噪音
根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，因此有效地降了空压机运行时的噪音。
结论
综上所述，由于空压机可以在保证生产所需要的最低压力下运行，电机输入功率大大下降，辅以压力闭环控制，实现空压机的供气压力与转速的动态匹配，减少了电机的实际输入功率，达到节能目的。即电机的转速由供气压力来控制，压缩机需要多大的功率，电机就输出多大的功率，而不必做无用功，从而取得良好的节能效果，节能的第二方面是空压机停止了空转，电机不存在轻载运行，这部分能量很可观。相应带来的其它好处是：供气压力稳定，通过压力调节器，可使空压机保持在设定的压力值下工作，压力稳定可靠性高，而且压力可以无级设定，随时可调。电机实现软启动，压缩机的使用寿命及检修周期都将得到大大延长。空压机排气量由空压机的转速来控制，气缸内气阀片不再反复地开启和关闭，阀座、弹簧等工作条件大大改善，避免了高温、高压气体急剧的流动与冲击，维修工作量减少。
空压机改造后开机和关机通过原面板启停，通过PID表或PLC控制变频器，保留工频方式提高了可靠性，空压机卸载时间长的工况节能明显。空压机的电机功率一般较高，改造后的投资回收期短，收效明显。
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致谢
本文是在赵金涛老师精心指导和大力支持下完成的。老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。在此次毕业论文设计过程中我也学到了许多有关设计方面的知识，对其现状和未来发展趋势有了很大的了解。
通过这次节能改造设计，本人在多方面能力都得到了提高。通过这次课程设计，综合运用了本专业所学课程的理论知识和结合生产实际知识进行一次螺杆空气压缩机的节能改造设计，通过实际设计从而培养和提高了自己的独立工作能力，巩固与扩充了课程所学的内容，掌握螺杆空气压缩机的节能改造设计的方法和步骤，了解了空压机的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了相应规范和标准，同时对各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。并提高了查阅设计资料和手册的能力，熟悉了设计中的标准和规范等。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计空压机节能改造的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。