变频空压机分析
变频空压机
前言：
自工业革命以来，压缩机即是工厂里面最重要的机器设备之一。随着时代演进，各种新型压缩机及新应用不断产生，压缩机的应用范围也越来越广。至于冷媒压缩机对冷冻空调而言更是不可或缺。为了使压缩机能够提供较稳定的压力及运转模式，也为了节约能源，全世界压缩机厂商均想办法开发出不同的控制方式。依照原理来分别，主要方向大致有进气泄载、排气泄放、排气回流、进气节流或空重车等。
以上这几种控制方式目前虽已可满足压缩机在运转方面的需求，但是就使用者而言，想得到一个压力稳定而又能随负载比例增减耗电量的压缩系统，似乎仍然遥不可及。然而随着变频应用技术及变频器价格的逐渐普及，完全能够符合以上需求的变频压缩机已在压缩机领导厂商的研发推广之下逐步被导入市场。
所谓变频式压缩机，乃是在稳定压力的原则之下，视使用风量之增减，藉由改变压缩机的转速，而使消耗功率与风量成线性比例以达到定压及节约能源之目的之压缩机。
1. 研发的背景
随着全球一体化的加剧，人们已进入了微利时代，怎样提高企业的竞争力是每个企业管理者面对的最大的考验，而据美国《财富杂志》报道，目前电费是制造业目前唯一未被控制的成本；而其中电费中相当部分是由被称之为“幻影能源”的空气压缩机、中央空调及照明所产生的。
您考虑过压缩空气的成本吗？
压缩机作为制造厂最常用的设备之一，其所产生的廉价适用的压缩空气能源倍受许多企业家青睐，但据权威机构调查，空气压缩系统在五年的总成本中，运转能源消耗费用占约86%，压缩系统初期购置费用仅占总成本的约8%，其高额的运转能源消耗费用无形中增加了企业的运营成本；然而人们却不知道这里面占近90%的能源及保养修理费用却是有50%以上是可能不必支付的。
空压机变频控制器是如何节电的？
空压机“大马拉小车”的现象十分普遍，它有两个原因造成：
其一，在选型阶段，工程人员所选的空压机往往均高于驱动负载的最大需求。
其二，空压机应用的负荷本来就是变化的，而选择的空压机大小必须满足最大负荷，实际上最大负荷只是间断出现，而其他时间负荷要小得多。
我们再来看其导致的结果和表现：
绝大多数工厂的空气消耗量都是一直在变化，当消耗量降低时，空气压力开始升高，反之则降低，这个现象反过来也证明两件事：
第一， 空气压缩机容量必定是大于消耗量。
第二， 压力开关的低压设定必定满足工厂需求之压力值。
2. 传统空压机的两种控制方式
（1）空重车控制式空压机
空重车控制式空压机依据压力开关的高低压力设定作空重车，重车时排气风量为100%，空车时排气风量为0%，所以存在两方面的浪费：
----压缩机空车时动力之消耗。
----超过低压设定值之动力消耗。
空重车运转模式的压缩机运转在50%的空气消耗量时，压缩机将会经常在重车(提供最大输出量及使用最大电流)与空车(没有输出风量但消耗约40%电流)之间切换，如此是消耗了72%的全载电力但仅提供50%的输出风量，结论是损失了近30%的运转效率。（没考虑过压部分）
（2） 容调控制式空压机
进气节流模式压缩机的进气节流是限制自然空气进入压缩机的量，如此来减少压缩空气的输出量，当压缩机持续运转在进气节流模式下，在固定的流量下，节能效果是一个固定比值，而且能源消耗比值在低风量时将无法成等比例。
我们知道：空压机本身存在一个这样的公式：
HP/M3/min=P1/0.45625* K/(K-1) *{ P2/ P1} (k-1)/k -1}
P1:进气压力 P2：排气压力 K：气体常数
由此可知P2不变，当P1改变结果只能导致风量即单位排气量减小，也可理解为容调增加压缩比从而导致功率消费增加。
当采用进气节流模式的压缩机运转在50%的空气消耗量时，压缩会限制50%的空气进入压缩机，如此是消耗了85%的全载电力但仅提供50%的输出风量，结论是损失了近40%的运转效率。
3. 何谓压缩机变频控制器
变频式压缩机是如何控制的呢？与传统式压缩机最大的不同之处在于变频式压缩机的马达是由变频器所驱动。不论我们所使用电源是50Hz或60Hz，变频器均先将其转成直流电，转换成直流电之后，再依指令输出成我们所要使用的交流电频率。此频率可为任意频率，而不再局限于50Hz或60Hz，至于输出电压则与输入电压相同。目前市面上的变频器其最高频率少则120Hz，多则可达上千，使用于变频式压缩机已绰绰有余。变频器的基本电路如图一。
图一
马达转速与频率之关系为rpm=120 x Hz / P
HZ：频率 P：极数
举例来说，假设有一2极马达，在电源频率为60Hz时，其同步转速为120 x 60 / 2 = 3600 rpm，频率为50Hz时，其同步转速为120 x 50 / 2 = 3000 rpm。
全世界各发电厂所提供的电源只有50Hz或60Hz两种，因此在正常情况下，2极马达的同步转速就只能有3000 rpm和3600 rpm两种了。但是如果我们使用变频器来驱动马达的话，因为输出频率可以调变，因此就可产生各种不同的转速。例如输出为100Hz，转速为6000 rpm，输出为20Hz，转速就只剩下1200 rpm，只要机组之电机及机械特性可容许，变频式压缩机即可在最高及最低转速之间做运转，从而因转速不同而输出不同的风量。
变频器虽可改变频率，但是应该要运转在多少频率则必须由外部下达指令。所以变频式压缩机除了以变频器为马达之驱动器外，还要另外有一控制器以随时调变变频器的输出频率。因此控制器需具有如下之基本功能：
1.接收排气端或系统之压力信号并送至控制器之运算单元。
2.输出变频器运转频率调变指令。
3.稳定输出压力。(目前大都设为0.1 bar)
4.输出变频器起动指令。
5.接受运转信息，如故障指令、警告指令，以保护机组。
以上所列五点仅为控制器之基本必要功能，如果要应用于实际商品化，则最好将压缩机之运转逻辑电路一并融入内部之CPU，以简化外部配线及操作。图2所示为复盛变频式压缩机所使用之控制器外观，除了基本功能外，其已将所有压缩机运转电路全部写入CPU，因此所有控制均可在面板上进行：设定压力SP、实际运转压力P及各种运转、停止、故障、警告灯号等均以LED显示于面板上。此控制器提供如下之开放参数供客户参考：
T1: 停止空车时间 20 sec
T2: 起动空车时间 15 sec
T3: 空车过久自动停车时间 9999 sec
T4: 马达高温跳脱作动时间 5 sec
T5: 失水开关作动时间 10 sec
T6: 进气压降跳脱作动时间 5 sec
TC: 排气高温跳脱温度 100℃
TCBA: 排气温度Offset设定 0
运转：
了解以上参数之后，即可利用假设之设定值做仿真运转，图3为参考用方块图：
变频式压缩机控制方块图(压缩机应用范例)
图三
一个能提供压力稳定又能随之负载比例增减耗电量的压缩系统。
此时下由于增加一台用电设备，系统相对可能增加约占1－2%的用电量，同时低负荷会略为增加热损耗，但我们也没有计算提高功率因此带来的效率，故此整体而言影响不大，所以我们在讨论节电方面时将这一部分包括由于软起动而节约的启动大电流均忽略不计。
4. 变频式压缩机之特点、优点：
提供稳定之排气压力，有利于提高产品的合格率
提高马达功率因素
降低启动电流，减少对电网冲击
压缩机压力精确度达0.1 kg/cm2以下。冰水机温差精确度可达0.5度以下。 注: 精确度系指FUZZY控制精度，不包含空车上限设定值。
利用降低压缩机组转速比例来降低负载，节能效果100%。
部分负载时降低转速使机组寿命延长。
降低运转噪音，提供良好的工作环境。
适用于往复式及螺旋式等不同型式之容积型压缩机。
齿轮及皮带等传动装置可省略，减少机械损失并降低成本，增加机体可靠度。
LED面板可显示运转压力，排气温度及设定压力。显示值可经由内部参数设定之。
设定压力(压缩机)或温度(冰水机)可视系统需求在面板上调整。
使用变频器固有的软性起动特性，无起动大电流。
多台运转时只需装设其中一至数台即可完全监控系统之压力(压缩机)或温度(冰水机)。
50Hz及60Hz共享。
特殊降载功能，提供最具安全及弹性之运转模式。
降低能源消耗和生产成本，提高产品竞争力，同时提升企业形象，获得同时也回报社会，利国利民。
5. 变频空压机的原理
由于空压机马达的转速与空压机的实际消耗功率成一次方关系，降低马达转速将减少实际消耗功率变频式空压机是用压力感测器即时感应系统中实际气压和用气量。通过电器控制和变频控制的精确配合，在不改变空压机马达转矩(即拖动负载的能力)的前提下来即时控制马达转速(即输出功率)，经由改变压缩机转速，来响应系统压力的变化，并保持稳定的系统压力(设定值)，以实现高品质压空气的按需输出。当系统消耗风量降低时，此时压缩机提供的压缩空气大于系统消耗量，变频式压缩机会降低转速，同时减少输出压缩空气风量；反之则提高马达运转速增加压缩空气风量，以保持稳定的系统压力值。
ICU5000S和PLC控制器相比较的优点：
◎成本更低
◎更加简单的操作。对PLC控制器不了解的非专业工人也能容易的操作
◎ICU5000S控制器的运行程序烧结IC芯片中，而PLC控制器的运行程序是固化在电擦写的EEPROM芯片中
◎由于ICU5000S控制器的运行程序完全烧结在IC芯片中，那么它就不必和PLC控制器的运行程序一样，运行程序要必须固化
◎PLC控制器需要D/A和A/D接口卡。ICU5000S控制器则不需要
◎由于压缩机需要面板或H/M，那么将增加配线
◎ICU5000S控制器的维护简单。PLC控制器的维护相对复杂
◎压力可通过ICU5000S控制器的面板直接控制
◎PLC控制器多使用PID，ICU5000S控制器可以进行模糊控控制，因此在压缩机控制上可以达到PID所难以完成的功能。
6. 变频式压缩机与传统压缩机之并联运转说明
本范例以三台100HP 螺旋式压缩机为标准做说明，其中二台为传统式全自动，另一台为变频式全自动。变频式设定压力为7 bar，空车压力7.5 bar，为方便说明起见，此机编号设为一号机。传统式一台设定为6.8 ~ 7.6 bar 运转，此机设为二号机；另一台设定为6.6 ~ 7.7 bar 运转，此机设为三号机。
(一) 系统起动，负载逐步增加之状态：
先激活变频式压缩机，如果符合系统供气需求，则变频式压缩机将运转于系统所需求的转速及压力以提供各种风量需求。如果变频式压缩机不够供应，则再激活二号传统式压缩机(传统式压缩机如已在自动模式之下，则可自动起动)。设二号传统式压缩机之压力开关设定于6.8 bar 及7.6bar 之间，变频式压缩机定压运转在7 bar。传统压缩机激活之后，本来由于变频式压缩机供气不足所致之压力过低将逐步上升至7 bar，由于风量高于需求，因此变频压缩机将减速至符合系统之精确风量。例如系统需求风量为150%，激活变频压缩机之后，变频式全速运转可提供100%，不足50%，因此必须再激活传统式压缩机，由于传统式压缩机为空重车运转，只要是重车均为100%，空车为0 %，因此变频式压缩机将自动调整负载至50%。注：每台压缩机均设为100%，总风量为300%。系统风量如持续增加需求，变频式压缩机将逐步调整负载至100%。(如机组条件许可，变频式压缩机可增加转速至100%以上，相关信息请洽本公司) 。变频式压缩机满载运转之后，如果风量仍不敷需求而降至6.7 bar 以下，则可再激活三号传统式压缩机(传统式压缩机如已在自动模式之下，则可自动起动。)。三号压缩机起动之后将仍然运转于100%，变频式压缩机将自动调整风量至使系统压力精确控制于7 bar。
(二) 正常运转状态：
在正常运转状态之下，传统式压缩机一律定速且稳定的满载运转于100%，容量调节的部分完全由变频式压缩机操控。由于使用精确计算机压力控制程序，因此其压力可持续稳定在7 bar，以提供系统最稳定之压力源，同时变频式压缩机可视需求调整风量，并等比例降低马达负载以大量节省能源。
(三) 系统需求风量降低至250%以下状态：
由于最低频率设在50%，当需求小于250%时，变频式即便运转于最低频率，风量亦将大于需求，因此压力将逐渐升高。当压力逐渐升高至7.5bar，变频式进入空车状态，如果风量小于240%，则变频式将在空重车之间运转，甚至自动停车。变频式自动起动或重车之后，为快速提供风量，因此可能有Overshoot 效应，将使压力冲高至7.5 bar，但是Fuzzy 将会自行调适，而有短暂调整期，因此变频式的空车自动停车时间为相当重要之参数之一。由于变频式在50%转速之空车状态下消耗电流已经极低，因此可尽量拉长其自动停车之时间以维持系统运转之稳定。
(四) 系统需求风量降低至200%以下：
随着风量逐渐降低至200%，变频式将进入空车状态。完全由二及三号机提供压缩空气。风量降至200%以下时，随着压力升高二号机将空车，至使压力回落至7 bar 时变频式重新激活，如果压力下降速度不至于太快而仍能维持在6.8 bar 以上，则变频式接手重任。如果压力下降速度太快而到6.6 bar，三号机将再激活，但由于三台同时运转时压力必然上升至7.6 bar，因此二号机将继变频式之后再空车，至压力降至7 bar。由于变频式已在空车而非停车状态，因此压力上升速度不致使系统降至6.6bar，所以三号机停机，变频式继续运转。
(五) 系统需求风量降低至150%以下：
如上所述，由于变频式最低频率为50%，因此系统压力将逐渐升高至7.5 bar 而使变频式在7 bar 至7.5 bar 之间空重车交替运转，甚至自停车。
(六) 系统需求风量降低至100%以下：
随着风量降至100%，系统将完全由二号机供气。如果风量降低至100%以下而使二号机达到空车压力7.7 bar，二号机将空车，而当压力降至7 bar 时，由于已达变频式自动起动之压力，变频式将自动起动。如果因压力下降太快而发生二号甚至三号机亦起动之现象，系统亦将会如前所述自行调适至只有变频式供气之状态。
依以上说明，装设变频式压缩机之后，只要系统中有任一压缩机不是在满载运转，变化需求的部份将可完全变频式压缩机担纲，而使系统发挥最佳节约能源效果。即使是原有的传统压缩机系统亦可改装。压缩机系统在安装时，为考虑各种使用状况，因此一般都会预留余裕，为使系统压力稳定，节约能源，延长机组寿命，装设变频式压缩机组乃是最佳的选择，本公司之专业人员可为客户提供各种装设变频式控制单元、压缩机驱动系统之询问及安装指导。
7．装设变频式控制对压缩机之省电效益分析（以50HP压缩机为例）
一、 只使用一台50HP压缩机的情况
假设压缩机为50HP，装置时预留20 %裕度，如果未装设变频器控制模块，则在运转时将有80 %时间重车，20 %时间空车。
(一) 使用传统空重车控制：
由于使用压力开关做空重车控制，其压力上下限一般为1 kg/cm2 ，因此其运转压力假设为介于6 kg/cm2G与7 kg/cm2G之间。7 kg/cm2G时，耗用马力为满载50HP。在6 kg/cm2G时耗用马力约为46HP，平均消耗马力为48HP，假设空车时消耗马力为20HP(空车消耗功率设约为满载之40 %)，因此在20 %空车，80 %重车的情况下，总平均消耗马力为48 HP x 80% + 20HP x 20% = 42.4HP。
(二) 使用变频器控制模块控制（此范例假设变频最低转速可以低至40%）：
变频器控制模块之精确压力控制可将系统压力准确维持在约6 kg/cm2G±0.1 kg/cm2 ，系统风量如有任何变化，变频器控制模块将可随时调整压缩机转速以符合最佳需求。
因此在运转具有20%预设裕度之压缩机时，变频控制模块将使系统恒定在输出80%之风量，其马力消耗则为稳定之46HP x 80% = 36.8HP。两者之马力差异为5.6HP。
如果是在70%重车，30%空车的情况下运转，则传统空重车控制之平均消耗马力为48HP x 70% + 20HP x 30% = 39.6HP，使用变频器控制模块之消耗马力为46HP x 70% = 32.2HP。两者之马力差异为7.4HP。
传统控制之螺旋式压缩机除了空重车控制之外，亦可使用进气节流之容量控制方式，但是进气节流之控制方式虽可使压缩机运转压力较为隐定，不至于一直徘徊于空重车之间，但是在节流状态时并不会比较省电，其平均耗电量比空重车控制之方式还要高。空重车时所排放的气体能量亦颇为可观。假设油气桶有100公升之气体空间，压缩机每三分钟空车一次，则其所消耗之气体为0.1m3 x 6 ÷3min = 0.2 m3 /min，大约相等于1.5HP，即3%。
二、 使用二台50HP压缩机的情况
假设二台压缩机均为50HP，装置时预留20 %裕度。
(一) 使用传统空重车控制：
依前例，每台压缩机之平均消耗马力为42.4HP，如将其中一台固定在满载，另一台执行空重车运转，则第一台消耗马力为48HP，第二台将有60%为重车，40%为空车，第二台之平均消耗马力为48HP x 60% + 20HP x 40% = 36.8HP，与第一台合计，总平均消耗马力为(48 + 36.8)÷2 = 42.4HP，因此不管其中一台是否设为满载，其总马力均约为84.8HP。
(二) 使用变频器控制模块控制：
在此种情况时，仅需将一台压缩机更改为变频器控制模块控制，另一台依旧使用传统压力开关做空重车控制。其运转方式如下：
传统空重车控制之压缩机仍将压力开关设定在6 kg/cm2G至7 kg/cm2G之间，变频压缩机之运转压力设定在比6 kg/cm2G略高一点点。在此情况下，第一台传统控制的压缩机将持续于6 kg/cm2G做100%运转，其消耗马力为46HP。至于第二台变频压缩机则用于补充不足之60%，其消耗马力为46 x 60% = 27.6HP，总马力为46 + 27.6 = 73.6HP。与传统方式控制之两台压缩机马力相差11.2HP。
三、 使用三台50HP压缩机之情况
假设三台压缩机均为50HP，装置时预留20 %之裕度。
(一) 使用传统空重车控制：
依前例，每台压缩机之平均消耗马力为42.4HP，总消耗马力约为127.2HP。(注：未加上空车时所排放之气体能量)
(二) 使用变频器控制模块控制：
在此种情况时，仅需将一台压缩机更改为变频式控制，另两台可维持使用传统压力开关控制。依二所述由开关控制之两台压缩机均运转于6 kg/cm2G，100 %，其消耗马力均为46HP，至于变频压缩机则用于补充不足之40%，其消耗马力为46HP x 40% = 18.4HP，总马力为46HP x 2 + 18.4HP = 110.4HP，与传统控制之三台压缩机马力差为127.2HP - 110.4HP = 16.8HP。
★省电效益运转分析表★
略……
2、两台变频控制后的耗费
(1)变频90KW的分析结果是:
负载时的功率：
90KW×40%（注1）×84%（注2）＝30.24KW
160KW×100%（注3）×80%（注4）＝128.00KW
卸载时的功率：控制后无卸载过程，所以卸载的功率应为零
一年的耗费为：158.24KW×24h/d×360d/y =1367193.60KW-hr
注1: 由于变频控制后使其160KW的一台满载,90KW的一台做补充,所以变频控制的一台负载比即是22%，计算公式如下：（90KW的排气量乘以负载比例+160KW的排气量乘以负载比例＝现场所用的排气量，再用现场所用的排气量-160満载的排气量＝变频控制的90KW排气量，再用变频控制的90KW排气量比上额定的排气量即是变频后的90KW负载比。）但保守起见,我们以40%计算.
注2:排气压力每降低1kg功率降低8%，当机器在额定压力下运转时的功率为100％，由此可知在压力恒定在5.5公斤输出时候的功率系数为: 100%-(7.5-5.5)×8%]=84%
注3:由于变频控制后无卸载所以此时的应乘以100%
注4:排气压力每降低1kg功率降低8%，当机器在额定压力下运转时的功率为100％，由此可知在压力恒定在6.0公斤输出时候的功率系数为: 100%-(8.5-6.0)×8%]=80%
变频控制后两台一年的耗费为: 1367193.60KW-hr
通过以上分析结果，变频控制后两台一年节约电约为：1592352.00KW-hr-1367193.60KW-hr=225158.40KW-hr
通过以上分析方法,我们可得到如下结论,即使是在最保守的状态下,贵公司一年也可节省225158.40KW-hr电,如电费平均为：0.7元/度，贵公司一年的节能即是157610.88元
五、投资回报结论
贵公司空压机使用变频控制，在 时间内即可收回成本，以十年计算则可为贵司创造近 万的高额利润,而今后数年将为贵公司节约更多费用，提高成本竞争力；而且因为变频控制后空压机和马达维修维护费用也可有节约。而且能大大提高产品质量.
六、政策理念
空压机变频调速控制作为国家经贸委节能信息传播中心重点推荐40项节能新技术之一（代号：JS034），已得到社会广泛的认可及有远见的企业初步的应用。复盛公司致力于空压机变频控制项目，以提供“节能负载管理”为公司的发展方向，以“节约能源保护环境，节省能耗提高顾客竞争力”的服务理念，为您的企业能赢在起跑点并自始自终保持竞争力而不懈努力。我们在空压机变频控制方面有丰富的经验，将竭诚为贵公司提供专业的咨询，设计出最适合贵公司空气压缩系统的控制方案，在为社会做出一份贡献的同时，也为贵公司节约大量能源、资金，提高竞争力！
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