变频技术在空气压缩机中的应用

石国强

随着经济的快速发展特别是国家实行科技强国战略方针以后，经济更是突飞猛进。经济发展到一定程度，能源供给紧张问题就凸显在了眼前。因资源是不再生的，因发展初期的过度耗用使资源的供给出现紧张，安全供给能源已成为我们当前急需解决的问题。国内高耗能企业的关停、产能过剩行业的限产、矿山资源的整顿、大型企业的转型升级已经拉响了能源警笛。经济可持续发展战略重要因素的其中之一就是能源。随着市场经济的发展市场也越来越激烈。生产效率如何提高、生产工艺如何改进、节能降耗工作如何开展、生产成本如何降低，是企业生存和发展的首要问题。据不完全统计在我国60%的电能的是风机、水泵所消耗，而压缩机则占了60%中的15%左右。可想而知其年消耗量多大。压缩机在一般产业中用的很多，其消耗电力比例之大近些年来备受关注，因而降低压缩机的功耗，提高压缩机的运行效率，对节能具有重要的意义。

某水泥厂使用的为两台定频螺杆空气压缩机，每天消耗电能高达3000度，现对它进行变频改造，达到节能，降噪，提高控制精度，降低维护率等优点。

第一部分压缩气供气系统组成及空压机控制原理

空压机工作原理

此水泥厂所使用的空压机为正力精工固定式单螺杆空气压缩机 ，

工作流程如图一所示：

螺杆压缩机的工作原理可分为进气，压缩和排气三个过程。单螺杆压缩机的一个螺杆可与两个或两个以上星轮啮合，随着螺杆的旋转，带动星轮的旋转。气体由吸气腔进入螺槽内，经压缩后通过气缸上的排气孔由排气腔排出。工作原理如下：

（1）、 吸气过程：螺杆转动时，气体通过吸气口进入转子齿槽。随着转子的转动，星轮依次进入与转子齿槽啮合的状态，气体随即便被吸入有转子齿槽曲面、机壳以及星轮齿面所形成的密闭空间，亦即压缩腔。

（2）、 压缩过程：随着转子连续不断的旋转，这种压缩腔的体积便不断减少，亦即其中气体随之被压缩，直到该压缩的前沿转至排气孔。

（3）、 排气过程：压缩腔前沿转至排气孔后便开始排气，直到压缩腔完全通过排气孔，完成一个工作循环。由于两个星轮在转子的两侧对称布置，这种循环在转子每旋转一周便发生两次。也就是说，机组的排气量是上述依次循环排气量的两倍。

从上述工作原理可以看出，螺杆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转子螺杆带动对称布置的星轮作回转运动来达到的。

第二部分 空气压缩机变频改造的必要性

1、传统空压机供气系统

传统空压机供气系统的工作状态主要有两种：一种是加载状态，另一种是卸载状态。其控制主要是通过设定加载压力和卸载压力来实现加载和卸载的转换。

（1）、 加载时的电能消耗

加载状态时，在压力达到最小值后，原控制方式决定其压力会继续上升直到设定的卸载压力，为了减少空压机的加载卸载的转换频次，一般将加载压力值与卸载压力值得范围调的大一些，这就无形的增加了空压机的输出压力，使其超过现场设备的需求压力（这部分压力是浪费的）。在加压过程中，一定要向外界释放更多的热量，从而导致电能损失。另一方面，高于压力最大值的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压，这一过程同样是一个耗能过程。空压机的输出工作压力将在上下限之间波动，空压机的功率消耗和输出压力成正比。输出的压力越高消耗的功率也越大，从输出压力的下限到上限的压差将多消耗总功率的7-10%。在传统供气空压机系统中，如果有多台空压机同时运行，每台空压机的输出压力都将随着管网的压力波动而在上下限之间波动，所以每台机都多消耗7-10%的额定功率。 传统空压机供气系统中运行参数的设定不同也会造成空压机用电量的不同，必须根据用气工况进行设定，才能达到最经济的运行效果。 传统空压机供气系统由于电机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，浪费电能。经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力。

（2）、 卸载时电能的消耗

空载状态时，当压力达到压力最大值时，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。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%～25%，这还是在卸载时间所占比例不大的情况下。换而言之，该空压机20%左右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。

2、空压站变频改造的功效分析

在目前的许多空压机运行中，由于现场用气量与空压气产气量的不同就会产生供用气的不平衡。而工频电源驱动时，一般是根据使用的空气量进行吸入挤压控制的，由于是恒速运转，所以在非负载时消耗的电力并没有省多少，这样一来，通过传统的控制就會产生能量浪费，从而造成效率低下。但现在由于变频器的出现，使空压机可根据用气量，实施转速控制，所以在部分负载时能大幅度消减消耗的电力达到节省能源，提高效率的效果。下面将主要介绍空压机使用变频调速的基本情况，并详细阐述了空压机使用变频器后的节能功效。

2.1、 空压机调速控制的功效

使用变频调速控制的空压机其独特之处就在于可根据用气量的大小来调节空压机的主机速度使其达到供需平衡，空压机主机的电机转速由变频器来控制。它不同于通过压力的加载卸载来实现的传统的机器，使其效率更高。当然在部分空气压力负载时使用变频调速还有其他几个功效：

（1）、空压机启动时由星三角启动改为变频启动减小了电机的启动冲击;

（2）、空压机变频改造后就能实现恒压变速运行，这样电机就不是恒定在全速运行这样就可以达到省电的目的;

（3）、空压机变频改造后在用气量小的情况下电机转速就会降低，减小了空压机机头内部星轮片的磨损延长设备使用寿命;

（4）、空压机变频改造后空压机出口温度会明显降低这样就会减小压缩空气结露的现象，从而减少压缩空气中的水分，提高压缩空气的质量。

（5）、 更精确地控制压力，当需要有一个更加精确的压力控制时，采用变频调速就可以保证。在一个单独安装的空压机中，变频调速器就可以连续运转，而出来的空气压力基本可以保持在误差在0.2BAR这样窄幅内。跟传统的加载和卸载ON/OFF控制来说，可以节省大约2%的能量，可传统的控制压力误差却在0.5BAR左右，精度自然低下。

（6）、 低耗气量，负载平均压力低时，使用变频调速可以降低设备的漏气和降低耗气量，在7.0BAR时典型的耗气量可以降低2%左右。

变频调速用在控制具有可变压力的负载设备是非常理想的，而且空压机能提供满容量的供气。但是在需要提供满负载运行时，（即在额定值运行时）变频调速就不具有优势，反而耗电更多，其增加的部分主要是用于变频器本身的耗电。

2.2、空壓机改造原理

（1）、出气口释放阀全部关闭，取消用出气口释放阀调节供气量方式，以避免由此导致的电能浪费。代之以变频器调整电机的转速来调整气体流量，使电机输出的功率与流量需求基本上成正比关系，始终使电机高效率工作，以达到明显的节电效果。例如当用气量是额定供气量的50%时，节电率可达40%以上;（2）、利用变频器的节能模式，可使电机在轻载时以最高效率运行，减少不必要的电能损耗;（3）、根据严格的EMS标准，高效的PWM 变频器使用高速低耗的IGBT，降低谐波失真和电机的电能损失;（4）、可使电机起动、加载时的电流平缓上升，没有任何冲击;可使电机实现软停，避免反生电流造成的危害，有利于延长设备的使用寿命;避免因电流峰值带来的电力公司的罚款;（5）、采用变频控制系统后，可以实时监测供气管路中气体的压力，使供气管路中气体的压力保持恒定，提高生产效率和产品质量;

（6）、由于电机在高效率状态下运行，功率因数较高，降低了无功损耗，节约了大量电能。（7）、保存原释放阀系统，在必要时可参加调节，增强系统的可靠性。总之，采用恒压供气智能控制系统后，不但可节约30～40%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

2.3、 空压机变频速度控制的优点 ：

变频器可靠的线路设计和软件功能能为变频空压机带来以下优点：

（1）、 实现空压机的软启动，无峰值电流，启动平稳，

（2）、 大幅度降低压缩机系统的噪声。

（3）、 自动控制，简便高效，可靠和自保护，无需专人看护。

（4）、 避免频繁加载、卸载，运转平稳，延长压缩机系统寿命，减少维护量。

（5）、 保证供气压力恒定，提供供气质量。

（6）、 大量节约电能。

第三部分 变频空压机改造方案

1、空压机变频改造注意事项

（1）、 空压机是大转动惯量负载，这种启动特点就很容易引起V/F控制方式的变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议选用具有高启动转矩的无速度传感器矢量变频器，保证即能实现恒压供气连续性，又保证设备可靠稳定的运行;

（2）、 空压机不允许长时间在低频下运行，当空压机的转速过低，一方面将使空压机的工作稳定性变差，另一方面也使缸体的润滑变差，会加快磨损。所以工作的下限频率应不低于20Hz;

（3）、 为了有效滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减小因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减小电机运行噪音和温升，提高电动机的稳定性。

2、空压机系统改造方案：

根据以上方案对整个空压站系统进行改造后，预计会达到如下目的：

（1）、由于采用全新的变频调速技术对两台压缩机进行控制，大大节约了电能。预计电能节约大约在40%左右，具有巨大的经济效应，投入成本能在1年内收回。

（2）、根据变频器使用情况：以一台90kW变频器24小时一年满负荷工作所消耗电能：

90×24×365=788400度工业用电计算：一台90kW变频器24小时一年满负荷工作所需电费：788400×0.67=528228元，预计电费节约大约在21万元左右。

（3）、采用先进的控制方案，连续调节压缩空气的压力。压缩空气压力稳定，系统抗干扰能力强，对负载的变化具有很强的适应性，为生产线的正常生产提供有力的保障。

总 结

该系统采用变频器调速整置实现恒压供气，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，具有较好的控制效果。最主要的是实现了高效节能，节能效果可达40%左右，同时由于采用变频器对电机实行软启动，减少了设备损耗，延长了空压机的使用寿命。综上所述，采用PID自整定控制仪与变频器为核心部件构成的变频恒压供气系统，具有很强的实用性，为供气领域的技术革新，开辟了切实有效的途径。