高压变频器在空压机的节能应用

【摘要】空压机，全名为空气压缩机，是一种工矿企业中最常用的空气动力提供设备，将变频器导入空压机，使得空压机系统的运行成本降低，达到节能的效果。

【Abstract】Air compressor is one of the most commonly used air power in industrial and mining enterprises.The introduction of frequency converter into the air compressor reducing the cost of air compressor system and saving energy.

【关键词】空压机;变频器;节能

【Keywords】Air compressor;Frequency converter;Energy saving

1 螺杆式空压机工作原理简述
　　

螺杆式空压机是由一对相互平行齿合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽也阳转子齿被主电机驱动而旋转。

原空压机的主电机运行方式为Y-△降压起动，然后全速运行。具体操作程序为：按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压2秒后空压机开始加载运行，系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力跌到压力开关下限值后，即回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运行。

空压机的工作过程如图1所示。

图1 空压机工作过程

2 空压机运行中自身存在的问题

主电机虽然采用Y-△降压起动，但起动时的电流仍然很大，并且有一定的启动时间,这段时间消耗的电能不容忽视。另外启动时大电流的冲击会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全。

主电机时常工作在满负荷上，但能量浪费在出口阀门上，属非经济运行，电能浪费严重。

主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大。

主电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护工作时机械量大。

当卸荷运行时那部分电流不是做有用功的, 而是机械在额定转速下的空转损耗.这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用,但是压力调节精度低，压力波动大;压缩机总是在额定转速下工作，机械磨损大、电耗高。

3 空压机变频节能原理

由于许多空压机运行方式是加载、卸载方式。卸载时电机空转,造成能源浪费。变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力。

控制原理是：通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出相应频率和幅值的交流电，调节马达的转速，空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。

图2 控制原理图

4 空压机变频改造后的效益

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，根据空气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状。

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24.3%，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。

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。

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。

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3-7dB。

5 变频器改造要求

现场空压机功率：30KW，最大工作电流59A。

设计要求：主电机变频器运行状态保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不超过±0.01Mpa；保持原有的工频控制系统，以确保变频器出现异常保护时，可以直接切入工频，不影响生产；在用气量较小的情况下，变频器处于低频运行或者进入休眠状态，应保障电机绕组温度不超过允许的范围。

根据现场状况：选用台达B系列变频器：VFD300B43A；额定电流：60A；过载能力：变频器额定输出电流150%，1min。

改造电气原理图如图3。

图3 改造电气原理图

6 结束语

综上所述，由于空压机可以在保证生产所需要的最低压力下运行，电机输入功率大大下降，辅以压力闭环控制，实现空压机的供气压力与转速的动态匹配，减少了电机的实际输入功率，达到节能目的。即电机的转速由供气压力来控制，压缩机需要多大的功率，电机就输出多大的功率，而不必做无用功，从而取得良好的节能效果，其次，空压机停止了空转，电机不存在轻载运行，这部分能量很可观。相应带来的其它好处是：供气压力稳定，通过压力调节器，可使空压机保持在设定的压力值下工作，压力稳定可靠性高，而且压力可以无级设定，随时可调。电机实现软启动，压缩机的使用寿命及检修周期都将得到大大延长。空压机排气量由空压机的转速来控制，气缸内气阀片不再反复地开启和关闭，阀座、弹簧等工作条件大大改善，避免了高温、高压气体急剧的流动与冲击，维修工作量减少。