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摘 要：文章详细介绍了螺杆式空压机的工作原理，并分析了螺杆式空压机的传统工作方式的负面影响， 强调空压机变频改造的必要性，并提出了在现有的无油螺杆机基础上进行改造的具体实施方案。
关键词：螺杆式空压机；节能；变频；改造
空压机，空气压缩机是工业现代化的基础产品，它是将原动（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置，担负着为工厂所有气动部件提供气源的职责，是生产过程中必不可少的关键、核心设备。螺杆式空压机是常用的一种空气压缩装置。
1、螺杆式空压机的结构和工作原理
螺杆式压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来达到。
螺杆式空压机工作原理：螺杆式空压机工作循环可分为进气、压缩、排气三个过程，随着转子的旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。
进气过程 螺杆空压机的工作过程详细分析之进气过程：转子转动时，阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子齿沟空间与进气口的相通，因在排气时齿沟的气体被完全排出，排气完成时，齿沟处于真空状态，当转至进气口时，外界气体即被吸入，沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。当气体充满了整个齿沟时，转子进气侧端面转离机壳进气口，在齿沟的气体即被封闭。
压缩过程 螺杆空压机的工作过程详细分析之压缩过程：陰阳转子在吸气结束时，其阴阳转子齿尖会与机壳封闭，此时气体在齿沟内不再外流。其啮合面逐渐向排气端移动。啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐件小，齿沟内的气体被压缩压力提高。
排气过程 螺杆空压机的工作过程详细分析之排气过程：当转子的啮合端面转到与机壳排气口相通时，被压缩的气体开始排出，直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面，此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0，即完成排气过程，在此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，进气过程又再进行。
2、螺杆式空压机传统运行方式存在的问题
对于螺杆式空压机来说，其排气量和转速成线性正比关系。当转速上升，排量增加；当转速下降，排量减少；普通螺杆式空气压缩机传统运行方式为工频恒速运行，而实际生产中的气量需求却经常处于变动状态，需求变化导致螺杆式空压机频繁加卸载，这样就造成了以下负面效果。
2.1 加、卸载过程中造成的电能浪费
空压机加载状态下，在压力达到最小值后，会继续加载升压这时会向外界释放更多的热量，从而导致电能的浪费。
而螺杆式空压机电机本身不能调速，同时电动机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电动机仍然要空载运行，浪费电能。卸载运行时，当压力达到最大值时，空压机关闭进气阀使电动机处于空转状态，同时将分离器中多余的压缩空气通过放空阀放空，从而造成很大的电能浪费。
2.2 空压机元器件损耗
2.2.1由于靠机械方式频繁地调节进气阀动作，加速了进气阀的磨损，缩短使用寿命，增加维护工作量，加大成本。
2.2.2由于工频供电，虽然拖动电机基本上采用星-三角启动，但启动冲击电流仍较大，影响电网电压和其它设备的安全运行；同时对相关设备产生机械冲击而造成损坏，增加维修量。
2.3 排出的气压不稳定
由于靠机械方式调节进气阀开、关，供气无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力将产生较大的波动，供气压力的不稳定， 会影响气动元件的动作过程，从而影响产品质量，甚至会造成废品。
3、空压机变频改造
螺杆空压机的变频改造要求变频器根据用户设定的期望压力和供气端反馈的实时压力的差值进行自动调节。当供气端反馈的实时压力超过用户设定的期望压力时， 变频器减小输出频率， 反之， 则增大输出频率； 而当供气端反馈的实时压力等于用户设定的期望压力时， 变频器维持实时输出频率，这样来满足供气连续稳定。
3.1变频器需满足的条件
（1）用交直交变频器作空压机电动机的供电电源
交- 直- 交型变频器能根据控制对象的需要， 输出频率连续可调的交流电压，可方便地改变电动机的转速，以控制空压机的输出气量，满足生产需要。
（2）变频控制系统采用负反馈闭环系统
空压机变频控制的基本要求是，保持空压机输出压力的恒定。由自动控制理论可知，只要通过压力变送器检测空压机输出压力并反馈到变频器与给定压力构成负反馈，就可实现空压机输出压力的恒定。
（3） 空气压缩机是恒转矩负载， 故变频器选用通用型恒转矩变频器；
（4） 变频器应选用有PID 功能的变频器；
（5） 变频器的容量一般可按空气压缩机电动机容量选择， 也可以选择比电动机容量大一个级别的变频器【3】。
4.3 变频系统的工作方式
IR5000变频器与螺杆式空压机控制器实现一体化控制。它主要有两种模式：
（1） Setup1，变频器以最低频率运行，此时空压机处于卸载状态；
（2） Setup2，变频器会调节转速以维持恒定压力输出，此时空压机处于加载状态。
空压机控制系统会决定变频器处于哪种运行模式（Setup1/Setup2），详细请查看图 4.3-1。在使用变频器时，必须保证空压机处于加/卸载模式（On/Off Line），空压机依然根据加载压力、卸载压力来控制空压机的加卸载。同时，变频器会调整转速，尽量维持系统压力能够稳定在压力带的范围之内。 当系统压力高于变频器的设定目标压力，变频器会降低空压机的电机转速以减少供气量，从而使系统压力缓慢下降；当系统压力降至目标压力附近，变频器会增加空压机的电机转速以增加供气量。
图5.3-1 IR5000控制逻辑结构图
4.4 系统闭环自动调节作用
闭环系统的自动调节作用是， 将被控制量的检测信号， 反馈到变频器与被控量的目标值相比较， 以判断是否已经达到预定的目标值。如果未达到， 则根据两者的差进行自动调整。
当空气压力不足，反馈值小于目标值，变频器输出频率增大，电动机转速增高，空气压力增大，直至空气压力与目标值相等为止。
当空气压力大，反馈值大于目标值，变频器输出频率下降，电动机转速减小，空气压力减小， 直至空气压力与目标值相等为止。
4.5 PID 过程调节器参数调整
变频器将实时检测到的压力信号作为 PID 过程控制中的反馈信号，通过不断的调整转速使输出压力与设定值保持一致。PID控制环主要由三个参数决定：参数7-33-比例增益、参数 7-34-积分时间、参数 7-35-微分时间。这三个参数将会影响到调节过程的响应速率、稳定性、调节幅度等。
将参数7-33过程PID比例增益设为0.3，并增大该值知道反馈信号再次开始失稳为止，然后减小该值，最后将比例增益降低40%-60%。
将参数7-34过程PID积分时间设为20秒，并减小该值知道反馈信号再次开始失稳为止，然后延长积分时间，知道反馈信号稳定为止，最后将该值再增大15%-50%。
参数7-35过程PID微分时间仅用在反应速度非常快的系统中。一般取值是设定积分时间的四倍，只有当比例增益和积分时间完全优化后才能使用微分器。确保反馈信号振荡可以通过反馈信号上的低通滤波器充分衰减。
5 结束语
综上所述，通过变频器控制螺杆式空气机，节约能源，提高供气量，降低运行成本，提高压力控制精度，延长压缩机的使用寿命，降低空压机的噪音，并提高功率因数，最大限度地降低空压机高额的运转能源消耗费用，从根本上降低企业的运营成本，从而提高企业的竞争力。可以预见，螺杆式空压机变频控制将成为一种主流控制方式。
关键词：螺杆式空压机；节能；变频；改造
空压机，空气压缩机是工业现代化的基础产品，它是将原动（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置，担负着为工厂所有气动部件提供气源的职责，是生产过程中必不可少的关键、核心设备。螺杆式空压机是常用的一种空气压缩装置。
1、螺杆式空压机的结构和工作原理
螺杆式压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来达到。
螺杆式空压机工作原理：螺杆式空压机工作循环可分为进气、压缩、排气三个过程，随着转子的旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。
进气过程 螺杆空压机的工作过程详细分析之进气过程：转子转动时，阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子齿沟空间与进气口的相通，因在排气时齿沟的气体被完全排出，排气完成时，齿沟处于真空状态，当转至进气口时，外界气体即被吸入，沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。当气体充满了整个齿沟时，转子进气侧端面转离机壳进气口，在齿沟的气体即被封闭。
压缩过程 螺杆空压机的工作过程详细分析之压缩过程：陰阳转子在吸气结束时，其阴阳转子齿尖会与机壳封闭，此时气体在齿沟内不再外流。其啮合面逐渐向排气端移动。啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐件小，齿沟内的气体被压缩压力提高。
排气过程 螺杆空压机的工作过程详细分析之排气过程：当转子的啮合端面转到与机壳排气口相通时，被压缩的气体开始排出，直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面，此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0，即完成排气过程，在此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，进气过程又再进行。
2、螺杆式空压机传统运行方式存在的问题
对于螺杆式空压机来说，其排气量和转速成线性正比关系。当转速上升，排量增加；当转速下降，排量减少；普通螺杆式空气压缩机传统运行方式为工频恒速运行，而实际生产中的气量需求却经常处于变动状态，需求变化导致螺杆式空压机频繁加卸载，这样就造成了以下负面效果。
2.1 加、卸载过程中造成的电能浪费
空压机加载状态下，在压力达到最小值后，会继续加载升压这时会向外界释放更多的热量，从而导致电能的浪费。
而螺杆式空压机电机本身不能调速，同时电动机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电动机仍然要空载运行，浪费电能。卸载运行时，当压力达到最大值时，空压机关闭进气阀使电动机处于空转状态，同时将分离器中多余的压缩空气通过放空阀放空，从而造成很大的电能浪费。
2.2 空压机元器件损耗
2.2.1由于靠机械方式频繁地调节进气阀动作，加速了进气阀的磨损，缩短使用寿命，增加维护工作量，加大成本。
2.2.2由于工频供电，虽然拖动电机基本上采用星-三角启动，但启动冲击电流仍较大，影响电网电压和其它设备的安全运行；同时对相关设备产生机械冲击而造成损坏，增加维修量。
2.3 排出的气压不稳定
由于靠机械方式调节进气阀开、关，供气无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力将产生较大的波动，供气压力的不稳定， 会影响气动元件的动作过程，从而影响产品质量，甚至会造成废品。
3、空压机变频改造
螺杆空压机的变频改造要求变频器根据用户设定的期望压力和供气端反馈的实时压力的差值进行自动调节。当供气端反馈的实时压力超过用户设定的期望压力时， 变频器减小输出频率， 反之， 则增大输出频率； 而当供气端反馈的实时压力等于用户设定的期望压力时， 变频器维持实时输出频率，这样来满足供气连续稳定。
3.1变频器需满足的条件
（1）用交直交变频器作空压机电动机的供电电源
交- 直- 交型变频器能根据控制对象的需要， 输出频率连续可调的交流电压，可方便地改变电动机的转速，以控制空压机的输出气量，满足生产需要。
（2）变频控制系统采用负反馈闭环系统
空压机变频控制的基本要求是，保持空压机输出压力的恒定。由自动控制理论可知，只要通过压力变送器检测空压机输出压力并反馈到变频器与给定压力构成负反馈，就可实现空压机输出压力的恒定。
（3） 空气压缩机是恒转矩负载， 故变频器选用通用型恒转矩变频器；
（4） 变频器应选用有PID 功能的变频器；
（5） 变频器的容量一般可按空气压缩机电动机容量选择， 也可以选择比电动机容量大一个级别的变频器【3】。
4.3 变频系统的工作方式
IR5000变频器与螺杆式空压机控制器实现一体化控制。它主要有两种模式：
（1） Setup1，变频器以最低频率运行，此时空压机处于卸载状态；
（2） Setup2，变频器会调节转速以维持恒定压力输出，此时空压机处于加载状态。
空压机控制系统会决定变频器处于哪种运行模式（Setup1/Setup2），详细请查看图 4.3-1。在使用变频器时，必须保证空压机处于加/卸载模式（On/Off Line），空压机依然根据加载压力、卸载压力来控制空压机的加卸载。同时，变频器会调整转速，尽量维持系统压力能够稳定在压力带的范围之内。 当系统压力高于变频器的设定目标压力，变频器会降低空压机的电机转速以减少供气量，从而使系统压力缓慢下降；当系统压力降至目标压力附近，变频器会增加空压机的电机转速以增加供气量。
图5.3-1 IR5000控制逻辑结构图
4.4 系统闭环自动调节作用
闭环系统的自动调节作用是， 将被控制量的检测信号， 反馈到变频器与被控量的目标值相比较， 以判断是否已经达到预定的目标值。如果未达到， 则根据两者的差进行自动调整。
当空气压力不足，反馈值小于目标值，变频器输出频率增大，电动机转速增高，空气压力增大，直至空气压力与目标值相等为止。
当空气压力大，反馈值大于目标值，变频器输出频率下降，电动机转速减小，空气压力减小， 直至空气压力与目标值相等为止。
4.5 PID 过程调节器参数调整
变频器将实时检测到的压力信号作为 PID 过程控制中的反馈信号，通过不断的调整转速使输出压力与设定值保持一致。PID控制环主要由三个参数决定：参数7-33-比例增益、参数 7-34-积分时间、参数 7-35-微分时间。这三个参数将会影响到调节过程的响应速率、稳定性、调节幅度等。
将参数7-33过程PID比例增益设为0.3，并增大该值知道反馈信号再次开始失稳为止，然后减小该值，最后将比例增益降低40%-60%。
将参数7-34过程PID积分时间设为20秒，并减小该值知道反馈信号再次开始失稳为止，然后延长积分时间，知道反馈信号稳定为止，最后将该值再增大15%-50%。
参数7-35过程PID微分时间仅用在反应速度非常快的系统中。一般取值是设定积分时间的四倍，只有当比例增益和积分时间完全优化后才能使用微分器。确保反馈信号振荡可以通过反馈信号上的低通滤波器充分衰减。
5 结束语
综上所述，通过变频器控制螺杆式空气机，节约能源，提高供气量，降低运行成本，提高压力控制精度，延长压缩机的使用寿命，降低空压机的噪音，并提高功率因数，最大限度地降低空压机高额的运转能源消耗费用，从根本上降低企业的运营成本，从而提高企业的竞争力。可以预见，螺杆式空压机变频控制将成为一种主流控制方式。