一、应用背景：
空气压缩机作为一种重要的动力形式，被广泛应用于生活生产的各个环节。其广泛应用于机械，冶金，电子电力，医药，包装，化工，食品，采矿，纺织，交通等众多工业领域。空压机组是很多企业的必备动力设备，一般在设计空压机的装机容量时，由于不能排除空压机在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需要来决定压缩机的容量，设计余量一般偏大。
二、工作原理
目前市场上空压机主要分为螺杆空压机、活塞空压机和离心式空压机等。离心式空压机主要应用于用气量很大的场合，一般企业应用很少。活塞式空压机设备投资低，以往很多企业都采用，但是产气效率较差，正逐步被螺杆式空压机所取代。螺杆式空压机设备产气效率高，主要分为有油和无油两种，其中无油式空压机应用在纺织、医药等特殊场合。下面我们就螺杆式和活塞式分别作一下简要介绍：
1、螺杆式空压机原理
（1）吸气过程：
螺杆式的进气侧吸气口，在设计时必须使压缩室可以充分吸气，而螺杆式压缩机并无进气与排气阀组，进气只靠一调节阀的开启、关闭调节，当转子转动时，主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子的齿沟空间与进气口之自由空气相通，因在排气时齿沟之空气被全数排出，排气结束时，齿沟乃处于真空状态，当转到进气口时，外界空气即被吸入，沿轴向流入主副转子的齿沟内。当空气充满整个齿沟时，转子之进气侧端面转离了机壳之进气口，在齿沟间的空气即被封闭。
（2）封闭及输送过程：
主副两转子在吸气结束时，其主副转子齿峰会与机壳封闭，此时空气在齿沟内封闭不再外流，即[封闭过程]。两转子继续转动，其齿峰与齿沟在吸气端吻合，吻合面逐渐向排气端移动。
（3）压缩及喷油过程：
在输送过程中，啮合面逐渐向排气端移动，亦即啮合面与排气口间的齿沟间渐渐减小，齿沟内之气体逐渐被压缩，压力提高，此即[压缩过程]。而压缩同时润滑油亦因压力差的作用而喷入压缩室内与室气混合。
（4）排气过程：
当转子的啮合端面转到与机壳排气相通时，（此时压缩气体之压力最高）被压缩之气体开始排出，直至齿峰与齿沟的啮合面移至排气端面，此时两转子啮合面与机壳排气口这齿沟空间为零，即完成（排气过程），在此同时转子啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，其吸气过程又在进行
2、活塞空气压缩机工作原理
在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力p，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。当缸内压力高于输出空气管道内压力p后，排气阀打开。压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。活塞的往复运动是由电动机带动的曲柄滑块机构形成的。曲柄的旋转运动转换为滑动活塞的往复运动。活塞式空压机有多种结构形式。按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。按压缩级数可分为单级式、双级式和多级式三种。按设置方式可分为移动式和固定式两种。按控制方式可分为卸荷式和压力开关式两种。其中，卸荷式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时，空压机不停止运转而通过打开安全阀进行不压缩运转。这种空转状态称为卸荷运转。而压力开关式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时，空压机自动停止运转。 活塞式空压机的优点是结构简单，使用寿命长，并且容易实现大容量和高压输出。缺点是振动大，噪声大，且因为排气为断续进行，输出有脉冲，需要贮气罐。
三、存在问题
1、能耗分析
我们知道加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。Pmin是最低工作压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示：
Pmax＝(1＋δ)Pmin
δ是一个百分数，其数值大致在10%～25%之间。
而若采用变频调速技术可连续调节供气量的话，则可将管网压力始终维持在能满足最低工作压力上，即Pmin附近。
由此可知，在加、卸载供气控制方式下的空压机较之变频系统控制下的空压机，所浪费的能量主要在2个部分：
a、 压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量
b、 在压力达到Pmin后，原控制方式决定其压力会继续上升(直到Pmax)。这一过程中必将会向外界释放更多的热量，从而导致能量损失。另一方面，高于Pmin的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin。这一过程同样是一个耗能过程。
2、卸载时调节方法不合理所消耗的能量
通常情况下，当压力达到Pmax时，空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。
关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再压缩气体作功，但空压机在空转中还是要带动螺杆或者活塞做回转运动，据我们测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%～15%(这还是在卸载时间所占比例不大的情况下)。换言之，该空压机10%的时间处于空载状态，在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。
3、其它不足之处
（1）靠机械方式调节进气阀，使供气量无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力不可避免地产生较大幅度的波动。用气精度达不到工艺要求。再加上频繁调节进气阀，会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。
（2）频繁采用打开和关闭放气阀，放气阀的耐用性得不到保障。一般的工矿企业空压机一直都是全速运行,正常情况空压机设计时将这部分多余的能量通过溢压阀放掉了,溢压阀放的能量越多,那么浪费的电能就越多；新型的空压机虽已采用自动控制,当气压到达设定值时通过调节进气量来调整做功量,当到达最大设定值时关闭进气阀让电机空转,这样虽可节约一部分电能,但据我们实测,空转时的电流只是降到打压时的一半电流（如一台55KW空压机,打压时电流为100A到120A,空转时电流也有60A左右）,都存在电能的巨大浪费。
四、改造方案
空气压缩机恒压供气智能控制系统是由变频器、压力传感器、智能控制器控制单元、软件控制单元等组成。此控制系统根据压力传感器检测到的空压机出口的压力值，通过智能控制器进行计算，然后输出信号调整变频器输出频率，进而控制压缩机转速，在精确地控制空压机出口的压力的同时，延长压缩机系统的使用寿命，并大幅度地节约电能。
我们可以把管网压力作为控制对象，压力变送器YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PID智能仪表，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器VVVF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。同时，该方案可增加工频与变频切换功能，并保留原有的控制和保护系统，另外，采用该方案后，空压机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击。
图5 控制系统流程图
由于用气量的不断变化，气罐里的压力也会变化频繁。采用变频调速系统用调整电机转速的方法来调整压缩机的供气量。使气罐内的气压始终保持在理想的状态下，由于空压机基本上属于恒转矩负载，用变频调速的方法调整供气量能使电机的输出功率基本与转速（供气量）成正比关系，达到很好的节电效果。由于空压机在启动时，内部有少量的滞留气压，启动和加减速运行时要求变频器反应快速，因此，调节方式采用闭环自动调节，控制系统根据压力传感器检测到空压机出口的压力信号值，经过A/D模拟数字转换单元的信号转换后，通过智能控制器和变频器调整压缩机电机的转速，保证电机以最小的功率输出。
空压机节电控制系统与空压机原控制系统互为备用，两套系统之间存在互锁关系，以确保空压机正常、安全运行。
五、节电原理
我们知道，用调整电机转速的方法同样可以调整供气量。由于空压机基本上属于恒转矩负载，用变频调速的方法调整供气量能使电机的输出功率基本与转速（供气量）成正比关系，达到很好的节电效果。 如图2
我们采用具有矢量控制功能的富士变频器(或由用户指定品牌的变频器)，可使电机在低速时也能提供满足负载需要的转矩。同时，富士变频器的自动节电模式，可使电机在满足负载转矩要求下以最小电流运行，达到更好的节电效果。
总之，采用空压机节电控制系统后，不但可节约15～35%的电力费用，延长压缩机的使用寿命，并可实现"恒压供气"的目的，提高生产效率和产品质量。
六、改造后性能
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，根据压缩空气需求量来供给的压缩机工作是经济的运行状态，节省电费约15～35%之间。
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25%，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、降低了空压机的噪音：
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。现场测定表明，噪音与原系统比较下降约3至7分贝。
6、系统稳定性能更强：
保存原软启动系统，本控制系统的变频-工频切换功能可以使变频控制系统发生故障时将压缩机电机切换到原软启动系统工频工作，以确保压缩机组可以正常工作。
七、小结
空压机主机节电已经被很多工业企业所采用。节电效果一般在15%～35%，节电率高并提高供气质量。但是由于它特殊的力矩特性及复杂的电路系统，只有少数技术公司才能完全掌握。
