眉山空压机厂家：从轴功率揭开螺杆空压机节能的秘密（经典干货）

甘孜空压机厂家：从轴功率揭开螺杆空压机节能的秘密（经典干货）
众所周知，空压机的能效取决于机组的输入比功率，比功率与机组的功率值密切相关。也就是说，在体积流量和压缩机轴功率相同的情况下，单位功率和比功率越大，空气压缩机消耗的能量越多。

空压机的机组输入功率与电机轴功率、电机效率、电箱功率、风机功率等有关，其中轴功率所占比例。



空压机的轴功率是在一定的体积流量和工作压力下，电动机（或柴油机）在单位时间内对空压机主轴的功，称为轴功率。

对于空气压缩机的轴功率，我们可以从空气压缩机内部的功率消耗（即主机的轴功率）和空气压缩机外部的功率消耗（电机轴功率）来揭示轴功率的重要性。首先，从机组的输入功率从外到内对空压机的能耗进行了分析。（见图1）

根据公式（1），单位功率的组成为：

p单元功率=p电机功率+p风扇功率+p电气箱功率-公式（1）

公式（2），电机功率与电机轴功率和电机效率有关：

p电机功率=p电机轴功率/η电机效率-公式（2）

根据公式（3），电机的轴功率与空气压缩机主机的轴功率和传动效率有关（见图2）：

p电机轴功率=p电机轴功率/η传动效率-公式（3）

在空气压缩机行业，从标准、铭牌、手册和商务谈判来看，机器的尺寸通常用“驱动电机功率”（hp/kw）来表示，电机铭牌是“额定功率”，实际上是指空气压缩机的轴功率。（见图3）

如果我们将公式（2）和（3）代入公式（1），可以得到公式（4）：

p单位功率=（p主机轴功率）/η传动效率）*η电机效率+p风扇功率+p电箱功率-公式（4）

从公式（4）可以看出，在机组功率中，轴功率（主机/电机）和效率（传动/电机）是空压机的六个动力系统之一，占机组功率的比例。（见图4）

螺杆式空气压缩机的动力系统由主机、电机和传动系统组成：

根据公式（4），如果我们想知道空气压缩机的单位功率，我们必须首先知道主机轴功率。

ii。主机轴功率

1。主机轴功率的计算

空压机主机轴功率是主机提高压缩空气压力势能所需的综合机械（或热能）。它与空气压缩机的指示功率和绝缘效率有关，但不包括外部传动（如齿轮或皮带传动）损失的功率（见公式（5））

ps=垫/η绝热效率-公式（5）

ps是主机的轴功率

pad是空气压缩机的指示功率

η绝热效率=0.7~0.85

在设计空气压缩机之前，空气压缩机设计师通常会计算或了解空气压缩机的主轴功率。

例1：假设设计了一台螺杆式空气压缩机，排气压力为0.7mpa（表压），体积流量为16.67m3/min，进口压力为0.1mpa（绝对压力）。空气压缩机的轴功率是多少？它应该配备多大的电机？

解决方案：

1）体积流量换算：q=16.67m3/min=277.78l/s
压缩空气所需指示功率的计算：

3）假设螺杆式空气压缩机的绝热效率：η=80%

根据公式（1），主机轴功率：ps=pad/η绝缘效率=79.34/0.8=99.15kw

应配备多大的电机？以后再计算。

如图6所示，空气压缩机不可能进行等温压缩（压缩过程中空气温度保持不变）或绝热压缩（压缩过程中与外界没有热交换）。因此，它应该是一个可变的压缩过程。

通过实验，由于喷油螺杆式空气压缩机主机转数高，在升压过程中，压缩气体与喷油润滑油之间的热交换非常不足。在压缩过程结束时，气体的温度远高于油的温度，最终在排气过程中实现热平衡，以达到相同的排气温度。

因此，错误地认为燃油喷射可以实现近等温压缩过程是不准确的。实验表明，实际喷油螺杆空气压缩机的效率仍略低于绝热压缩，因此在计算主轴功率时，它与绝热压缩有关，而不是等温压缩。

空气压缩机主机的工作是动力系统能耗的原因。因此，为了节约能源，主机必须首先节约能源。（见图7）

2。主机轴功率影响因素

在计算空压机主机轴功率时，需要输入进气压力、进气温度、环境温度、工作压力、主机转速、进气压降、排气压降等参数（见图8）。因此，这些参数将影响主机轴的功率。

①单元入口压力的影响

尽管国家标准规定空气压缩机的制造和测试应符合“标准工作条件”（标准入口压力px=1.013bar）。但是，在不同的实际运行条件（海拔高度）下，空气压缩机在不同设计制造和客户现场的性能也会不同（进气压力损失差），这将对空气压缩机的轴功率产生影响。

图9中的横坐标是进气压力，右侧的绿色纵坐标是轴功率。进气压力增大时，轴功率曲线减小；相反，它上升了。

我们可以理解，由于进气压力损失，压缩比不同，导致轴功率不同。

例2：客户在海拔m处使用空气压缩机时，需要0.7mpa，风量为5.44m3/min（根据数据，环境压力为0.7bar），其压缩比为：

i=p行/px=（7+0.7）/0.7=11-公式（7）

表示需要相同的风量。此时，轴功率大于标准工况（压缩比8）下的轴功率，必须选择10bar的空气压缩机。因此，当进气压力降低时，轴功率增加。

例3：空气压缩机的空气过滤器和减压阀的压降为35mbar（见图10），要求为0.7mpa，气体体积为5.44m3/min。其压缩比：

i=p行/px=（7+1）/0.965=8.3-公式（8）

表示需要相同的气体体积。此时，轴功率比转速高3.6%在标准工作条件下（压缩比8）。因此，当进气压力降低时，轴功率增加。

②环境温度的影响

虽然国家标准规定空气压缩机的制造和测试应符合“标准工作条件”（标准温度t=20℃）。然而，在实际使用中，由于工作条件的不同，空气压缩机在不同客户场所的性能会有所不同。环境温度的差异会影响空气压缩机的功率。

图11的横坐标是环境温度，右侧的绿色纵坐标是轴功率。当环境温度升高时，轴功率曲线减小。然而，由于体积流量曲线（蓝色曲线）的下降斜率较大，机组的比功率反而增加（红色曲线）；反之亦然示例4如图12所示。

③工作压力的影响

在相同的主机和转速下，排气压力越大，空压机的轴功率越大！（见图13）

在这里，我们可以区分三种情况：

a）空压机内部系统压降：在相同的工作压力下，从主机后部到空压机出风口前部的气路系统压降越小，主机排气压力越小，主机轴功率越小，机组比功率越小，而且空气压缩机更节能；相反，它消耗能量。

b）空压机后面的系统压降：在相同的工作压力下，由于成品气浪费（管道泄漏、净化设备耗气量大、不合理耗气量等）或系统压降大，主机（空压机、净化设备及附件后的管道）排气压力远大于其正常工作压力（管道压降、净化设备压降、系统配置不合理等），导致主机轴功率增大，机组比功率增大，空压机耗能；相反，它节省能源。

空压机工作一段时间后，空气滤清器滤芯和油气分离器芯的阻力损失会随着工作时间和环境影响而增加，导致主机工作压力升高。在达到维修要求之前，主机轴的功率也会增加。为了电机的安全，必须增加裕度，这将在电机部分详细量化。

④主机速度的影响

在相同的主机和工作压力下，轴功率随主机转数的增加或减少而增加或减少！（见图15）

例5：一个品牌的变频螺杆式空气压缩机可以执行两种压力控制模式：

a.在工作压力恒定的情况下，通过改变主机的转数来达到节能的目的；（见图16，左图）。

b.同时，在轴功率不变的情况下，随着工作压力的变化，可以通过改变主机转数来增加或减少空压机的排气量，从而限度地提高变频空压机的利用率。这就是为什么该空气压缩机的变量为100hz（见图16）。

⑤主机的效率影响

无论什么类型的主机，主机的每个档位都有其效率曲线（见图17）).当主机转数过低时，由于主机泄漏增加，机组的比功率会较高（因此变频空压机的频率在20hz以上，如果频率较低，不仅会消耗能量，而且可能无法吹出空气）；当主机的转数过高时，主机的机械摩擦增加，导致机组的高比功率（市场上通常称为小型马拉车）。

由于变频空压机能效限值的计算方法不同于工频空压机，所以主机的效率曲线得到了很好的利用，变频空压机上调整并使用了非工频空压机一级能效的主机，而且有很多情况下可以达到1级能源效率。

因此，从gb-容积式压缩机能效极限和能效等级可以看出，在相同功率下，也是一级能效，要求工频比功率值小于变频比功率值。从空气压缩系统的节能角度来看，在满载条件下，工频电机比变频器更节能。这与主机效率点的选择有关，这在第三章喷油螺杆式空气压缩机能效极限值分析中进行了分析。

⑥主机外形的影响

螺杆式空气压缩机已有近100年的历史。主机的设计主要是螺旋线型的演变。

线性设计要求：
高轴向/横向密封性

b）接触线的长度应尽可能短

c）大面积利用系数

d）减少并避免空气泄漏

e）重量轻，刚性好

f）良好的加工性能

其中，最重要的是剖面的面积利用率：cn=f/dm。表1显示了几种齿廓的面积利用率比较：

第二个是主机的处理技术。

因此，对于一个好的主机，首先要考虑的是安全性和耐用性，其次是节能。撇开主机的安全性和耐用性不谈，再谈节能，赚钱总比输强。

⑦压缩比的影响

前面提到的进气压力影响中的“压缩比”。在空压机主机的压缩过程中，不可能压缩100%的空气，会有一定量的空气泄漏。压缩比越高，泄漏越严重；同时，“压缩比”越高，压缩空气的温升越高。当空气压缩机从电能转换为机械能，再转换为气压势能时，空气温度的变化越小，空气压缩机主轴的功率越小，空气压缩机就越节能。这也是为什么在大型模型中，两级压缩比单级压缩更容易实现1级能效的原因之一

三、传输系统

空压机传动系统是指电动机与主机之间的连接部件，一般可分为直接传动、齿轮传动和皮带传动。

这三种连接方式各有特点。对比见表2。

根据公式（3），传动系统是从电机轴功率到主机轴功率的桥梁，变速器e效率直接影响单位功率。

四、电机轴功率

1。空气压缩机电机

空气压缩机是一种将原动机（通常为电动机或柴油机）的机械能转换为气体势能（压力性能）的装置。电机是空气压缩机的动力输入点。

最常见的空气压缩机电机是三相异步电机和永磁（变频）电机。

2。电机输入功率

绝大多数空压机电机为三相电机，其输入功率计算公式为：

p＝√3uicosφη——公式（9）

其中u是线电压，i是相电流，cosφ是电机功率因数，η是电机效率。我们可以从电机铭牌上查看。（见图24，左图为工频电机，右图为永磁变频电机）

从公式（9）可以看出，电机的输入功率与电机效率和功率因数密切相关。

①电机效率

电机将电能转换为机械能，在能量转换过程中不会出现损耗。这是许多因素的结果，如电阻损失、通风损失、磁化损失、摩擦损失和加热。能量转换率可由电机效率η确定，以显示。（见公式（9），p1为电机轴功率（通常为电机铭牌上标注的额定功率），p为电机输入功率）。

η=——公式（10）
p=p1/η——公式（11）

根据公式（10），当电机轴功率p1保持不变时，电机效率η越高，电机输入功率p越低，空气压缩机越节能！国家标准gb《电动机限值和能效等级》规定，电动机能效等级分为三级：一级、二级和三级，分别对应国际标准的ie4、ie3和ie2。

gb-6月1日实施能效限值和电机能效等级，进一步提高能效指标（见图26）。

根据国家标准gb-电机限值和能效等级，目前市场上大多数空气压缩机使用的电机一般为三相异步电机ie2（3级），永磁电机ie4（1级）以上；各级电机效率η差值为1~2%。额定功率越大，效率值的差异越小（见图27）。

在第三章“喷油螺杆式空压机能效限值分析”中介绍，空压机抽检不合格率高达22.4%，仅次于三相异步电动机的23.3%，不合格项为：“机组输入比功率和能效鉴定”。

事实上，空压机抽检不合格率很大程度上与电动机，尤其是工频三相异步电动机的不合格率有关。由于大多数空压机采用的三相异步电动机为ie2（三级），当输入电源为非节能电动机时，空压机如何节能？

电机效率受技术水平、制造成本、电压、极数等因素的影响。空压机电机（尤其是三相异步电机）的选择应遵循以下原则：

a）在相同的额定功率下，电机的能效等级越高，电机的效率越高，空压机的节能效果越好；（建议超过ie3）

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b）在相同的额定功率下，电机极数越高，电机效率越高，空气压缩机越节能；（可使用4极电机代替2极电机）

c）在大功率电机额定功率相同的情况下，电压越高，电机效率越高，空压机越节能；（对于250kw以上的空气压缩机，如果可能，顺序为10kv>；6kv>；380v）

d）对于相同档位的电机，满载效率高于负载变化效率（电机的最佳效率为100%负载）（见图28）；

e）对于可变负载运行，首选永磁变频电机；

f）在安全条件下，电机保护等级越低越好。

例6：对于75kw电机，一个是ie2，另一个是ie4。耗电量的差别是什么？答案如图29所示。

②电机功率因数

在交流电路中，有三种功率：有功功率p、无功功率q、视在功率s和功率因数cosφ是有功功率p与视在功率s的比值，即cosφ=p/s。功率因数是衡量电气设备效率的一个因素。

有功功率p（w）：在电路中，电阻元件上消耗的功率为有功功率，表示电源的利用程度。

当φ=0时，直流电路，p=ui

当φ当≠0，交流电路，p=3uicosφ

我们可以从电机铭牌上查看功率因数。（见图24。左图为工频电机，右图为永磁变频电机）。

异步电动机的功率因数较低，因为它需要一些功率来产生磁场以维持电动机运行。这部分磁场产生的功率不会被消耗，只存在于电机和电源之间，即无功功率。

永磁电机的磁场是由永磁体产生的，不需要这种无功功率，所以它只需要吸收电网的有功功率来做外部功，所以它的功率因数非常高。

例7，以铭牌功率为75kw的永磁电机和异步电机为例，比较它们的输入电流，了解永磁电机和异步电机效率高的原因。见表3

在变频空气压缩机中，当异步电机在80%负载下时，电机效率下降严重，功率因数下降更严重，永磁电机基本上保持了20%~120%负载之间的高效率和功率因数。在部分负载下，永磁电机比异步电机具有更大的节能优势，甚至超过50%。（见图31，1为永磁电机，2为异步电机）。

五、空压机电机额定功率的选择

在示例1中，主机的轴功率为99.15kw。如何选择电机？

1）计算电机轴功率：

根据公式（3）：p电机轴功率=99.15/0.98=101.17kw（η传动效率=98%（齿轮传动）

检查1:gb——在电机能效的限定值和能效等级中选择的90kw/4极/ie4的效率为96.2%。

根据公式（2）：p电机功率=101.17/0.962=105.17kw（下一档不超过110kw）

检查2:gb——在电机能效的限定值和能效等级中选择90kw/2极/ie2的效率为94.1%。

根据公式（2）：p电机功率=101.17/0.941=107.5kw（下一档不超过110kw）

2）计算电机使用系数：

一般情况下，空压机电机使用系数sf=1.15；以th为例e空气滤芯和精分离芯（8%轴功率）使用周期内压降的影响


例8：空气压缩机品牌10.5m3/min/0.7mpa/55kw/2级能效/ie3电机/齿轮传动/sf=1.15。假设p电箱+p风机=0.5kw（见图32）
p单位功率=10.5*6.4=67.2kw

p电机功率=67.2-0.5=66.7kw

p电机轴功率=66.7*0.946=63.03kw

p主机轴功率=63.03*0.98=61.77kw

sf=62.03/55=1.13

可以看出sf接近1.15。如果机器使用一段时间后，由于精分芯堵塞，空气压缩机内部的压降增加，电机的使用系数将不足，从而导致电机的安全运行。

在例9图32中，版本中的能效等级为2级，版本中的能效等级为3级（因为2级的比功率值为6.2）。如果你想少换，用ie5（96.3%）替换电机。

p主机轴功率=61.77kw

p电机轴功率=61.77/0.98=63.03kw

p电机功率=63.03/0.963=65.45kw
p单位功率=65.45+0.5=65.95kw
ε=65.95/10.5=6.28

它仍然无法进入2级能效，但非常接近。您可以查看主机的效率曲线，以校正体积流量并减少主机的转数，这样就有可能进入新的2级能效。

因此，深入了解“轴功率对喷油螺杆空压机节能的影响”，不仅可以在空压机制造过程中扬长避短，尽可能降低空压机组的比功率值，而且可以在激烈的市场竞争中处于领先地位。