变频调速在空压机中的应用及其节电效果

摘要： 浅析空压机应用变频器节电原理、加卸载供气控制方式存在的问题、空压机变频调速控制方式的设计、变频器的运行控制方式选择以及改造效果。

关键词：空气压缩机；变频调速

中图分类号：U264.91+3.4

空气压缩机在煤矿中的应用较多，主要为各种气动元件和气动设备提供气源。因此空气压缩机运行的好坏直接影响生产工艺和产品质量。它是一种把空气压入储气罐中，使之保持一定压力的机械设备，属于恒转矩负载。

1 节电原理

空压机运行功率与转速成正比：

式中：PL―空气压缩机功率；TL―空气压缩机转矩；nL―空气压缩机转速。

采用变频调速控制的节能效果远不如风机泵类二次方负载大，但空气压缩机大多处于长时间连续运行状态。传统的工作方式为进气阀开、关控制方式，即压力达到上限时关阀，使压缩机进入轻载运行；压力达到下限时开阀，使压缩机进入满载运行。频繁地加减负荷，不仅使供气压力波动，且还会使其负荷状态频繁地变换。再说，设计时压缩机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来选择电动机的容量，故电动机容量一般都大。实际运行中，轻载运行的时间所占的比例较高，造成巨大的费。

2 加、卸载供气控制方式存在的问题

1）浪费能量。空气压缩机加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在pmin～pmax之间来回变化。pmin是能够保证用户正常工作的最低压力值，pmax是设定的最高压力值。一般情况下，pmax和pmin之间关系可用下式表示：pmax=（1+δ）pmin，式中：值在10%～25%之间。若采用变频调速技术连续调节供气量，则可将管网压力始终维持在能满足供气的工作压力上，即等于pmin的数值。

加、卸载供气控制方式浪费的能量主要在三个部分：①压缩空气压力超过pmin所消耗的能量。当储气罐中空气压力达到pmin后，加、卸载供气控制方式还要使其压力继续上升，直到pmax。该过程需要电源提供压缩机能量，是一种能量损失。②减压阀减压消耗的能量。气动元件的额定气压在pmin左右，高于pmin的气体进入气动元件前的压力，这就需要用减压阀将其减至接近pmin。这也是一种能量损失。③卸载时调节方法不合理所消耗的能量。通常，当压力达到pmax时，空压机通过如下方法来降压卸载：关闭进气阀使空气压缩机不需要再压缩气体做功，但空压机的电机还是要带动螺杆做回转运动。据测算，空压机卸载时的能耗约占满载运行时的10%～15%。卸载期间，空压机做无用功，无谓地消耗能量。同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空，这又是一种能量浪费。

2）其他损失。①机械方式调节进气阀，使供气量无法连续调节，在用气量不断变化时，供气压力难免要产生较大幅度的波动，从而使供气压力精度达不到要求。再加上频繁调节进气阀，还会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。②频繁地开/关放气阀，使放气阀寿命大大缩短。

3 空压机变频调速控制方式的设计

1）变频调速原理。变频器是基于交-直-交电源变换原理，集电力电子和微计算机控制等技术于一体的综合性电气产品。变频器可根据控制对象的需要输出频率连续可调的交流电压。电机转速与电源频率有成正比的关系：n= 60 f（1-S）/P），其中：n为转速，f为输入交流电频率，S为电机转差率，P为电机磁极对数。用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电动机的电源电压，就可以方便地改变了空压机的转速。空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制时，系统原理框图如图1所示。

变频调速系统将管网压力作为控制对象，压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给变频器内部的PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按预先设定好的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和频率，调整电动机的转速，从而使实际压力始终维持在给定压力上。采用该方案，空气压缩机电机从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了启动时大电流对电网的冲击和启动给空气压缩机带来的机械冲击。

正常情况下，空气压缩机在变频调速控制方式下工作。考虑到变频控制系统出现故障，生产工艺过程又不允许空压机停机，因此系统设置了工频与变频系统的切换功能，故障时可由工频电源通过接触器直接供电，使空压机仍能正常工作。

2）变频器的选择。由于空压机是恒转矩负载，故变频器可选用通用型的。空压机转速也不允许超过额定值，电动机不会过载，一般变频器出厂标注的额定容量都具有一定的余量安全系数，因此选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。也可选择比电动机容量大一个级别。

4 变频器的运行控制方式选择

因空压机的运转速度不宜太低，对机械特性的硬度无任何要求，故可采用V/F控制方式。空气压缩机变频调速系统电路原理，见图2所示。

5 空压机变频调速控制方式的安装调试

在此省略。

6 改造效果

1）节能使运行成本降低。运行成本由初始采购成本、维护成本和能源成本组成。其中能源成本大约占压缩机运行成本的80%。通过变频技术改造后能源成本降低20%，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。

2）提高压力控制精度。具有精确的压力控制能力，使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，所以它可使管网的系统压力保持恒定。

3）改善压缩机的运行性能。变频器从0Hz启动压缩机，加速时间可以调整，从而减少启动时对压缩机的冲击，增强系统的可靠性，使寿命延长。另外，变频控制能够减少机组启动时的电流波动，改善对电网和其它设备的冲击。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，从而有效地降了空压机运行时的噪声。

7 结束语

应用变频器对传统空压机进行改造，具有显著的经济效益和社会效益，值得推广。

参考文献

[1] 张燕宾. 变频调速应用实践[M]. 北京：机械工业出版社，2000.

[2]吴忠智，黄立培，吴加林. 调速用变频器及配套设备选用指南[M]. 北京：机械工业出版社，2000.