应用案例 | 变频器在螺杆空压机上的应用方案
一、引言
空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备，主要有吸气、压缩、作功输送和排气四个主要过程。已有几百年的应用历史，在机械结构方面也经过了100年的发展，原理是成熟的，但大容量的空压机在工作过程的带载启动和泄载一直是一个难题。在结构上分常见有活塞式、螺杆式、离心式和涡旋式空压机等。它的用途广泛，可以用于冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石油化工等各个行业，是各种工厂、筑路、矿山及建筑行业的必备设备。空压机占大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)耗电量的15%。经考察，大部分空压机自身存在着以下几个缺点：
1．当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，属非经济运行，造成严重的能源浪费。
2．异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命。
3．工作条件恶劣，自动排空放气时噪音极大，造成环境污染。
4．自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低。
5．空压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大。
6．上下限压力不易调节。压力调得太小则易造成不断的起停而烧毁电机及电磁开关；调节的太大则易造成管路的高压力、高的传送损失、漏气、管路破裂的危险，而且压力范围太大也无法满足现代化工艺要求。
综上所述，可用变频器对现用的空压机系统进行改造，以建立恒压供气系统，从而达到节电、减少噪音、降低设备磨损、减少电网冲击、提高功率因数、起到稳定产品质量的效果。近年来，通过变频调速技术改变空压机电机的转速，而且空压机的供气流量随着用气流量的改变自行调节，达到真正的供需平衡，在节能的同时，也可使整个系统达到最佳工作效率，变频空压机成为空压机市场的发展趋势。
二、空气压缩机机组简介
1．工艺流程
由电动机直接驱动压缩机，使曲轴产生旋转运动，带动连杆使活塞产生往复运动，引起气缸容积变化。由于气缸内压力的变化，通过进气阀使空气经过空气滤清器进入气缸，在压缩行程中，由于气缸容积的缩小，压缩空气经过排气阀的作用，经排气管，单向阀（止回阀）进入储气罐，当排气压力达到额定压力时由压力开关控制而自动停机。当储气罐压力降至下限压力时压力开关自动联接启动，如此反复工作。
2．系统配置
空压机系统主要有动力传输系统（电动机驱动和柴油机驱动主机中转子运动），空气压缩系统，（空气从空滤进入机头经压缩后降温，除油除水除杂质进入用气单位）。冷却润滑系统（一般都是润滑油全程参与气体压缩，减少阻力并作为热力传导介质，后与气体分离，冷却后再参与气体压缩）。
三、空压机变频改造原理介绍（以螺杆机为例）
变频调速技术近年来发展迅速，并在许多领域发挥了重要的作用。由于许多螺杆式空压机运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,那么能源都被白白的浪费了，而电动机转速自身不能改变，只能通过改变电机频率来调节转速。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。原理如下: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。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，使电动机上得到相应的转速。那么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。
四、空压机变频改造方案
1．系统方案实例
空压机拖动系统具有恒转矩性质，电动机的轴功率PL与转速n 成正比。大多处于长时间连续运行状态，但负载大小常有变动，为连续变动负载。飞轮力矩大，故要求有较大的启动转矩。启动次数少，对升、降速时间无特殊要求。大多有自动卸载与装载装置，在自动卸载或装载时，负载将突变。
由于空压机不排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以，选型时要按照最大需求来确定变频器功率，变频器要留一些余量。传统空压机大多是采用星三角降压启动，但工频启动时电流仍然能达到额定电流的2～3倍，冲击大，会影响到电网的稳定性。且大多数空压机是连续运行，由于一般空压机的电机本身不能根据压力需求的变动来实现降速，使电机输出功率与现场实际压力需求量相匹配，导致在用气量少的时候仍然要空载运行，采用富凌空压机专用变频器改造后，可以根据压力信号调整电机转速，平稳的调整储气罐压力，减小对电网的冲击，达到节能的目的。
以某机械厂使用的一台英格索兰EP100螺杆式油冷型空压机为实例，电动机的功率为75KW，最大的空气压力为0.86MPa。设备改造前空压机工作在工频状态，压力采用两点控制（上、下限控制），即当空压机气缸内压力达到设定值上限时，空压机通过本身的油压关闭进气阀；当压力下限降到设定值下限时，空压机打开进气阀，调节压力为0.6MPa，超过设定压力则空压机卸载。由用气车间生产的工作状况决定了用气量的时常变化，这样就导致了空压机频繁的加载和卸载。加载时电机电流为120A，卸载时电机电流为60A，对电动机、空压机和电网冲击较大。另外卸载运行时不产生压缩空气，电动机呈空载状态，其用电量为满负荷的60%，浪费较大。
在保留原工频系统情况下，增加变频系统，做到了工频∕变频互锁切换。通过外部控制电路，使空压机启停操作步骤如前，原有监控仪表的油温、油压等仪表仍然保留使用。本系统采用压力闭环控制，在原来的压力储气罐上加装一个压力传感器，将压力信号转换为4～20mA的电流信号送到变频器内部的PID调节器，调节器将信号与压力设定目标值进行比较运算后输出控制信号。变频器依据该信号输出频率，改变电动机的转速，调节供气压力，保持压力的恒定，使空压机始终处于节电经济运行状态。
2．空压机系统图示
3．改造基本原理图
4．参数设定
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序号 |
功能码 |
名称 |
设定值 |
设定值意义 |
|
1 |
F0.01 |
运行指令通道 |
1 |
端子控制 |
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2 |
F0.03 |
频率指令选择 |
5 |
采用PID调节 |
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3 |
F0.06 |
下限频率 |
20Hz |
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4 |
F1.01 |
电机额定功率 |
根据电机设定 |
电机额定功率 |
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5 |
F1.02 |
电机额定频率 |
根据电机设定 |
电机额定频率 |
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6 |
F1.03 |
电机额定电压 |
根据电机设定 |
电机额定电压 |
|
7 |
F1.04 |
电机额定电流 |
根据电机设定 |
电机额定电流 |
|
8 |
F2.03 |
多段速一 |
12 |
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10 |
F2.14 |
CI下限值 |
2.10 |
CI端子对应下限值 |
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11 |
F4.19 |
按实际需要压力设定 |
PID给定值 |
|
|
12 |
F4.20 |
PID反馈 |
1 |
CI模块电流输入 |
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13 |
F4.22 |
PID比例增益 |
5．0 |
此参数可调节PID调节的快慢 |
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14 |
F7.27 |
频率给定低于下限时动作 |
0 |
低于下限值时以下限频率运行 |
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15 |
F4.30 |
多段速一 |
40.0 |
以20Hz运行 |
控制接线图：
变频改造接线图 改造前空压机控制电路
5．注意问题
电动机经过变频器变频运行后，转速降低，其电机风扇的散热效果也降低。空压机的转速越低，润滑油的耗量也就越小，其润滑效果越差。在满足生产工艺的要求下，压力设定越低，电动机耗电就越小。故综合节能效果和空压机的机械特性，把系统压力设定在为0.6MPa运行。既满足空压机散热和润滑的需要，又能降低电能损耗。
6．节能效果
使用变频器前空压机用电为58度/小时，使用变频器后加载电流为107A，卸载电流为45A。因采用了PID控制，频率在27Hz～46Hz，工作压力在0.6MPa左右，用电量为45度/小时，每小时节电为13度。
每月节电量=13度×24小时×30天=9360度。
每月节约电费=9360度×1.00元/度=9360元。
经济效益明显，投资回报率很高。
五、空压机变频改造后的效益
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，根据空气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状况。
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44.3%，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。
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，因此有效地降低了空压机运行时的噪音。
六、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，节能的第二方面是空压机停止了空转，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。