空壓機，全名為空氣壓縮機,是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內(nèi)進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備。作為基礎工業(yè)裝備，空壓機在冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應用?？諌簷C占大型工業(yè)設備(風機、水泵、鍋爐、空壓機等)耗電量的15%。由于結(jié)構原理的原因，大部分空壓機自身存在著明顯的技術弱點。當輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機空轉(zhuǎn)，嚴重浪費能源;異步電動機易頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命，空壓機工頻啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊大，電機軸承磨損大，設備維護量大;工作條件惡劣，噪音大;自動化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠人為調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)速度慢，波動大，不穩(wěn)定，精度低。

一、螺桿式空壓機工作原理
螺桿式空壓機是由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子（或稱螺桿）在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實現(xiàn)螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程?？諌簷C的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽和陽轉(zhuǎn)子的齒被主電機驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)。

二、活塞式空壓機工作原理
活塞式空壓機是由電動機帶動皮帶輪通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動曲軸，帶動連桿與活塞桿，使活塞在壓縮機氣缸內(nèi)作往復運動，完成吸入、壓縮、排出等過程,將無壓或低壓氣體升壓，并輸出到儲壓罐內(nèi)。其中，活塞組件，活塞與氣缸內(nèi)壁及氣缸蓋構成容積可變的工作腔，在曲柄連桿帶動下，在氣缸內(nèi)作往復運動以實現(xiàn)氣缸內(nèi)氣體的壓縮。

三、空壓機系統(tǒng)節(jié)能分析
 在管道供氣系統(tǒng)中，最基本的控制對象是流量，供氣系統(tǒng)的基本任務就是要滿足用戶對流量的需求。目前，常見的氣體流量控制方式有加、卸載供氣控制方式和轉(zhuǎn)速控制方式兩種。

1.加、卸載供氣控制

加、卸載供氣控制方式即為進氣閥開關控制方式，即壓力達到上限時關閥，壓縮機進入輕載運行；壓力抵達下限時開閥，壓縮機進入滿載運行。

由于空壓機不能排除在滿負荷狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以只能按最大需要來決定電動機的容量，設計余量一般偏大。工頻起動設備時的沖擊大，電機軸承的磨損大，所以設備維護量大。雖然都是降壓啟動，但起動時的電流仍然很大，會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設備的運行安全，而且大多數(shù)是連續(xù)運行，由于一般空氣壓縮機的拖動電機本身不能調(diào)速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現(xiàn)降速調(diào)節(jié)輸出功率的匹配，電機不允許頻繁啟動，導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，電能浪費巨大。
經(jīng)常卸載和加載導致整個氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命。空壓機的有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門或調(diào)節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉(zhuǎn)速不變，電機功率下降幅度比較小。　

2.轉(zhuǎn)速控制 

即通過改變空壓機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門的開度保持不變（一般保持最大開度）。當空壓機轉(zhuǎn)速改變時，供氣系統(tǒng)的揚程特性隨之改變，而管阻特性不變。

在這種控制方式下，通過變頻調(diào)速技術改變空壓機電機的轉(zhuǎn)速，空壓機的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變，達到真正的供需平衡，在節(jié)能的同時，也可使整個系統(tǒng)達到最佳工作效率。變頻器基于交一直一交電源變換原理，可根據(jù)控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此，用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空壓機電動機的電源電壓，可方便地改變空壓機的轉(zhuǎn)速。

四、空壓機系統(tǒng)節(jié)能原理：

采用變頻器控制空壓機的轉(zhuǎn)速以達到節(jié)能是一種較為科學的控制方法。根據(jù)空壓機運行特性知：

Q1 / Q2 = n1 / n2    Q———空壓機供給管網(wǎng)風量

H1 / H2 =（ n1 / n2）2    H———管網(wǎng)壓力

P1 / P2 =（ n1 / n2）3    P———電機消耗功率

n———空壓機轉(zhuǎn)速。

1.由上式可知，當電機轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的80%，則空壓機供給管網(wǎng)風量降為80%，管網(wǎng)壓力降為（80%）

2.電機消耗功率則降為（80%）3，即51.2%，去除電機機械損耗和電機銅、鐵損耗等影響，節(jié)能效率也接近40%，這就是調(diào)速節(jié)能的原理所在。

長期實踐證明，在供氣系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術改變空壓機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道中的流量，以取代閥門調(diào)節(jié)方式，能取得明顯的節(jié)能效果，一般節(jié)電率都在30％以上。另外，變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點可實現(xiàn)對流量的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，同時減少啟動沖擊并延長機組及管組的使用壽命。

五、空壓機變頻改造方案：

● 空壓機變頻改造注意事項

1.空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，這種啟動特點就很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動時出現(xiàn)跳過流保護的情況，建議選用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器，保證即能實現(xiàn)恒壓供氣連續(xù)性，又保證設備可靠穩(wěn)定的運行；

2.空壓機不允許長時間在低頻下運行，當空壓機的轉(zhuǎn)速過低，一方面將使空壓機的工作穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會加快磨損。所以工作的下限頻率應不低于25Hz；

3.為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減小電機運行噪音和溫升，提高電動機的穩(wěn)定性。

● 恒壓供氣節(jié)能原理

如上所述，流量是供氣系統(tǒng)的基本控制對象，供氣流量需要隨時滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中，儲氣管中的氣壓能夠充分反映供氣能力與用氣需求之間的關系：

若供氣流量 > 用氣流量   →   儲氣管氣壓上升

若供氣流量  < 用氣流量   →   儲氣管氣壓下降

若供氣流量 = 用氣流量   →   儲氣管氣壓不變

所以，保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達到的目的。

空氣壓縮機采用變頻調(diào)速技術進行恒壓供氣控制時，系統(tǒng)原理框圖如圖所示。

變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率，調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。另外，采用該方案后，空氣壓縮機電動機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟啟動，避免了啟動時的大電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機在變頻器調(diào)速控制方式下工作。

整個控制過程如下：
用氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設定值與返饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機電機轉(zhuǎn)速↑ —— 供氣流量↑—— 管路氣壓趨于穩(wěn)定
特別注意，在壓力容差范圍內(nèi)，變頻器的PID不調(diào)節(jié)，即保持輸出頻率不變。 

總結(jié)：

將變頻調(diào)速技術引入空氣壓縮機領域，是近幾年來各空壓機廠家研究的重要課題。各大牌專業(yè)空壓機供應商都推出了自己變頻空壓機產(chǎn)品，并迅速在其高端市場具有很不錯的表現(xiàn)。但目前，大量的工頻空壓機的應用非常普遍，因此，空壓機的改造市場非常巨大。衷心希望此空壓機變頻改造方案能給廣大系統(tǒng)集成商、空壓機最終用戶、電氣自動化愛好者以幫助，或者是為其提供一種新的思路。