變頻技術在空氣壓縮機中的應用

石國強

隨著經濟的快速發展特別是國家實行科技強國戰略方針以后，經濟更是突飛猛進。經濟發展到一定程度，能源供給緊張問題就凸顯在了眼前。因資源是不再生的，因發展初期的過度耗用使資源的供給出現緊張，安全供給能源已成為我們當前急需解決的問題。國內高耗能企業的關停、產能過剩行業的限產、礦山資源的整頓、大型企業的轉型升級已經拉響了能源警笛。經濟可持續發展戰略重要因素的其中之一就是能源。隨著市場經濟的發展市場也越來越激烈。生產效率如何提高、生產工藝如何改進、節能降耗工作如何開展、生產成本如何降低，是企業生存和發展的首要問題。據不完全統計在我國60%的電能的是風機、水泵所消耗，而壓縮機則占了60%中的15%左右。可想而知其年消耗量多大。壓縮機在一般產業中用的很多，其消耗電力比例之大近些年來備受關注，因而降低壓縮機的功耗，提高壓縮機的運行效率，對節能具有重要的意義。

某水泥廠使用的為兩臺定頻螺桿空氣壓縮機，每天消耗電能高達3000度，現對它進行變頻改造，達到節能，降噪，提高控制精度，降低維護率等優點。

第一部分壓縮氣供氣系統組成及空壓機控制原理

空壓機工作原理

此水泥廠所使用的空壓機為正力精工固定式單螺桿空氣壓縮機?，

工作流程如圖一所示：

螺桿壓縮機的工作原理可分為進氣，壓縮和排氣三個過程。單螺桿壓縮機的一個螺桿可與兩個或兩個以上星輪嚙合，隨著螺桿的旋轉，帶動星輪的旋轉。氣體由吸氣腔進入螺槽內，經壓縮后通過氣缸上的排氣孔由排氣腔排出。工作原理如下：

（1）、?吸氣過程：螺桿轉動時，氣體通過吸氣口進入轉子齒槽。隨著轉子的轉動，星輪依次進入與轉子齒槽嚙合的狀態，氣體隨即便被吸入有轉子齒槽曲面、機殼以及星輪齒面所形成的密閉空間，亦即壓縮腔。

（2）、 壓縮過程：隨著轉子連續不斷的旋轉，這種壓縮腔的體積便不斷減少，亦即其中氣體隨之被壓縮，直到該壓縮的前沿轉至排氣孔。

（3）、 排氣過程：壓縮腔前沿轉至排氣孔后便開始排氣，直到壓縮腔完全通過排氣孔，完成一個工作循環。由于兩個星輪在轉子的兩側對稱布置，這種循環在轉子每旋轉一周便發生兩次。也就是說，機組的排氣量是上述依次循環排氣量的兩倍。

從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉運動的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現，而容積的變化又是借助壓縮機的轉子螺桿帶動對稱布置的星輪作回轉運動來達到的。

第二部分 空氣壓縮機變頻改造的必要性

1、傳統空壓機供氣系統

傳統空壓機供氣系統的工作狀態主要有兩種：一種是加載狀態，另一種是卸載狀態。其控制主要是通過設定加載壓力和卸載壓力來實現加載和卸載的轉換。

（1）、 加載時的電能消耗

加載狀態時，在壓力達到最小值后，原控制方式決定其壓力會繼續上升直到設定的卸載壓力，為了減少空壓機的加載卸載的轉換頻次，一般將加載壓力值與卸載壓力值得范圍調的大一些，這就無形的增加了空壓機的輸出壓力，使其超過現場設備的需求壓力（這部分壓力是浪費的）。在加壓過程中，一定要向外界釋放更多的熱量，從而導致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過減壓閥減壓，這一過程同樣是一個耗能過程。空壓機的輸出工作壓力將在上下限之間波動，空壓機的功率消耗和輸出壓力成正比。輸出的壓力越高消耗的功率也越大，從輸出壓力的下限到上限的壓差將多消耗總功率的7-10%。在傳統供氣空壓機系統中，如果有多臺空壓機同時運行，每臺空壓機的輸出壓力都將隨著管網的壓力波動而在上下限之間波動，所以每臺機都多消耗7-10%的額定功率。 傳統空壓機供氣系統中運行參數的設定不同也會造成空壓機用電量的不同，必須根據用氣工況進行設定，才能達到最經濟的運行效果。 傳統空壓機供氣系統由于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，浪費電能。經常卸載和加載導致整個氣網壓力經常變化，不能保持恒定的工作壓力。

（2）、 卸載時電能的消耗

空載狀態時，當壓力達到壓力最大值時，空壓機通過如下方法來降壓卸載：關閉進氣閥使電機處于空轉狀態，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。據我們測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%～25%，這還是在卸載時間所占比例不大的情況下。換而言之，該空壓機20%左右的時間處于空載狀態，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節能空間。

2、空壓站變頻改造的功效分析

在目前的許多空壓機運行中，由于現場用氣量與空壓氣產氣量的不同就會產生供用氣的不平衡。而工頻電源驅動時，一般是根據使用的空氣量進行吸入擠壓控制的，由于是恒速運轉，所以在非負載時消耗的電力并沒有省多少，這樣一來，通過傳統的控制就會產生能量浪費，從而造成效率低下。但現在由于變頻器的出現，使空壓機可根據用氣量，實施轉速控制，所以在部分負載時能大幅度消減消耗的電力達到節省能源，提高效率的效果。下面將主要介紹空壓機使用變頻調速的基本情況，并詳細闡述了空壓機使用變頻器后的節能功效。

2.1、 空壓機調速控制的功效

使用變頻調速控制的空壓機其獨特之處就在于可根據用氣量的大小來調節空壓機的主機速度使其達到供需平衡，空壓機主機的電機轉速由變頻器來控制。它不同于通過壓力的加載卸載來實現的傳統的機器，使其效率更高。當然在部分空氣壓力負載時使用變頻調速還有其他幾個功效：

（1）、空壓機啟動時由星三角啟動改為變頻啟動減小了電機的啟動沖擊;

（2）、空壓機變頻改造后就能實現恒壓變速運行，這樣電機就不是恒定在全速運行這樣就可以達到省電的目的;

（3）、空壓機變頻改造后在用氣量小的情況下電機轉速就會降低，減小了空壓機機頭內部星輪片的磨損延長設備使用壽命;

（4）、空壓機變頻改造后空壓機出口溫度會明顯降低這樣就會減小壓縮空氣結露的現象，從而減少壓縮空氣中的水分，提高壓縮空氣的質量。

（5）、 更精確地控制壓力，當需要有一個更加精確的壓力控制時，采用變頻調速就可以保證。在一個單獨安裝的空壓機中，變頻調速器就可以連續運轉，而出來的空氣壓力基本可以保持在誤差在0.2BAR這樣窄幅內。跟傳統的加載和卸載ON/OFF控制來說，可以節省大約2%的能量，可傳統的控制壓力誤差卻在0.5BAR左右，精度自然低下。

（6）、 低耗氣量，負載平均壓力低時，使用變頻調速可以降低設備的漏氣和降低耗氣量，在7.0BAR時典型的耗氣量可以降低2%左右。

變頻調速用在控制具有可變壓力的負載設備是非常理想的，而且空壓機能提供滿容量的供氣。但是在需要提供滿負載運行時，（即在額定值運行時）變頻調速就不具有優勢，反而耗電更多，其增加的部分主要是用于變頻器本身的耗電。

2.2、空壓機改造原理

（1）、出氣口釋放閥全部關閉，取消用出氣口釋放閥調節供氣量方式，以避免由此導致的電能浪費。代之以變頻器調整電機的轉速來調整氣體流量，使電機輸出的功率與流量需求基本上成正比關系，始終使電機高效率工作，以達到明顯的節電效果。例如當用氣量是額定供氣量的50%時，節電率可達40%以上;（2）、利用變頻器的節能模式，可使電機在輕載時以最高效率運行，減少不必要的電能損耗;（3）、根據嚴格的EMS標準，高效的PWM 變頻器使用高速低耗的IGBT，降低諧波失真和電機的電能損失;（4）、可使電機起動、加載時的電流平緩上升，沒有任何沖擊;可使電機實現軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長設備的使用壽命;避免因電流峰值帶來的電力公司的罰款;（5）、采用變頻控制系統后，可以實時監測供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中氣體的壓力保持恒定，提高生產效率和產品質量;

（6）、由于電機在高效率狀態下運行，功率因數較高，降低了無功損耗，節約了大量電能。（7）、保存原釋放閥系統，在必要時可參加調節，增強系統的可靠性。總之，采用恒壓供氣智能控制系統后，不但可節約30～40%的電力費用，延長壓縮機的使用壽命，并可實現恒壓供氣的目的，提高生產效率和產品質量

2.3、 空壓機變頻速度控制的優點?：

變頻器可靠的線路設計和軟件功能能為變頻空壓機帶來以下優點：

（1）、 實現空壓機的軟啟動，無峰值電流，啟動平穩，

（2）、 大幅度降低壓縮機系統的噪聲。

（3）、 自動控制，簡便高效，可靠和自保護，無需專人看護。

（4）、 避免頻繁加載、卸載，運轉平穩，延長壓縮機系統壽命，減少維護量。

（5）、 保證供氣壓力恒定，提供供氣質量。

（6）、 大量節約電能。

第三部分 變頻空壓機改造方案

1、空壓機變頻改造注意事項

（1）、 空壓機是大轉動慣量負載，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跳過流保護的情況，建議選用具有高啟動轉矩的無速度傳感器矢量變頻器，保證即能實現恒壓供氣連續性，又保證設備可靠穩定的運行;

（2）、 空壓機不允許長時間在低頻下運行，當空壓機的轉速過低，一方面將使空壓機的工作穩定性變差，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20Hz;

（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，提高電動機的穩定性。

2、空壓機系統改造方案：

根據以上方案對整個空壓站系統進行改造后，預計會達到如下目的：

（1）、由于采用全新的變頻調速技術對兩臺壓縮機進行控制，大大節約了電能。預計電能節約大約在40%左右，具有巨大的經濟效應，投入成本能在1年內收回。

（2）、根據變頻器使用情況：以一臺90kW變頻器24小時一年滿負荷工作所消耗電能：

90×24×365=788400度工業用電計算：一臺90kW變頻器24小時一年滿負荷工作所需電費：788400×0.67=528228元，預計電費節約大約在21萬元左右。

（3）、采用先進的控制方案，連續調節壓縮空氣的壓力。壓縮空氣壓力穩定，系統抗干擾能力強，對負載的變化具有很強的適應性，為生產線的正常生產提供有力的保障。

總 結

該系統采用變頻器調速整置實現恒壓供氣，使用方便，工作可靠，系統壓力恒定，具有較好的控制效果。最主要的是實現了高效節能，節能效果可達40%左右，同時由于采用變頻器對電機實行軟啟動，減少了設備損耗，延長了空壓機的使用壽命。綜上所述，采用PID自整定控制儀與變頻器為核心部件構成的變頻恒壓供氣系統，具有很強的實用性，為供氣領域的技術革新，開辟了切實有效的途徑。