空压机变频节能技术应用
浅析空压机变频节能技术应用
作者：杨玉文
摘 要：空压机作为玻纤行业一种主动力源有着重要的用途。本文通过对变频节能原理及空压机节能潜力的分析，阐述了变频节能技术在空压机中的应用，对生产型企业怎样有效的提高生产效率、工艺、节能降耗从而降低生产成本，保住产品优势有着现实的意义。
关键词：变频器 调速控制 空气压缩机 节能降耗
引言
随着微机技术的日新月异、现代电力电子技术的迅速发展和现代调速控制理论的长足进步，通用变频器作为一种智能调速“元件”，以其多用途、高可靠性和明显的节电效果迅速广泛地应用于各种大型自动化生产线和各类电机控制上。空气压缩机是利用电能将空气压缩，使其达到一个设定的压力，作为一种稳定动力源推动一般产业机器。其电动机的容量一般都较大，而它本身不能调速，不能按使用压力或流量的变动来实现降速调节输出功率的目的，并且大多数是连续工作，达不到经济运行，造成很大的浪费，正因如此，其节能潜力很大。而80 年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。它一改普通电机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调节转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。80年代末，该技术引入我国并得到推广。
传统的控制方式容易对电网造成冲击，对空压机本身也有一定的损害。变频节能是在流量变化时只要对转速（频率）稍作改变就会使轴功率有更大程度上的改变，就因有此特点使得变频调速方式成为一种趋势并且不断深入的应用于各行各业及其各种调速领域。变频调速器为交流调速带来一场革命。
空压机概况及采用变频调速的必要性
1、空压机概况
据不完全统计，在我国，电能的60％是被各行各业中广泛使用的风机、水泵所消耗，而空压机则占了60％中的15％左右，可想而知其年耗电量有多大。而空压机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需要来决定电机容童，设计冗余量一般偏大。在运行中，轻载运行时间所占的比例是很高的。同时空压机是结构复杂的通用设备，工作时间长，配备电机功率较大，尽管我们加强日常运行管理如减少泄漏、合理润滑、定期维护，但是其蕴藏的节能潜力远未被挖掘出来。如果采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率，降低空压机的功耗。
2、改造的必要性
空压机的驱动轴上所需要的轴功率，与排气压力、空压机转速有直接的关系，即在实际运行中，由于压缩空气的使用随时在变化，空压机并不经常在额定工况下运行，而空压机排气压力的高低则直接影响实际轴功率的大小。排气压力越高，所需轴功率也越大。
另外，为满足用气量随时变化的要求，储气罐内气体必须保持一定的压力，对于空压机气量的供求关系表现为排气压力的变化。空压机排气量正好满足生产用气量要求时，储气压力保持不变，若能维持这种状态当然最佳，但实际上用气量是随时变化的，而且设计选型中空压机排气量都要偏大于用气量，如果空压机仍恒速运转，则储气罐内气体越积越多，当罐内压力上升达到设定压力时，一般采用两种办法：一种是空压机卸荷运行，不产生压缩气体，电动机处于空载运行，其用电量仍为满负载的30% -60%，这部分电能被白白浪费掉；另外一种办法是停止空压机运行，这样似乎空压机空转或不断放空所浪费的电能被消除了，但是若无容积较大的储气罐，将会带来电动机的频繁启动，空压机的空载启动电流大约是额定电流的5~7倍，对电网及其他用电设备冲击较大，同时空压机的使用寿命也会缩短。
空压机的有些调节方式（如调节阀门或用膨胀阀调节卸载等）即使在需要流量较小的情况下，电机转速不变，电机功率下降值很小。采用变频调速后，当用气量减小时，就可降低电动机的转速，从而较大幅度减小电动运行功率，进一步实现节能的目的，同时还能十分方便地进行连续调节，能保持压力、流量、温度等参数的稳定，从而大幅度提升了控制品质。
情况变频调速节能原理及实现方案
1、节能原理
由交流异步电动机的基本原理可知，转差功率Ps=SPM，与转差率S成正比。从能量转换的角度看，通用变频器的调速类型属于转差功率不变型，因此在种类繁多的调速类型中它的效率最高。
通过流体力学的基本定律可知：风机属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n,H∝n2,P∝n3，即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。可见变频节能的核心就是变频控制能根据被控制对象的实际需要，实现动态匹配，并达到最高的功率转换效率。
2、实现方案
变频调速系统以输出压力作为控制对象。由压力传感器取出的反馈信号，接到PID调节器，与预置的压力给定信号相比较，经PID调节后的综合信号接到变频器的输入给定端，从而按压力的变动量决定电动机的工作频率和转速的大小，实现自动调节方式。如果变频器本身PID调节功能时，则不需外加PID调节器。
近年来螺杆式空压机以其良好的性能成为空压机型中的佼佼者，工业使用量逐渐增多，它的启动运行及保护多数采用PLC 智能控制。在对这类空压机进行改造时应特别注意，在保留原工频系统基础上加装变频器，做到工频变频互锁切换，保持原系统喷油温度、油过滤器、空气过滤器、轴承温度、排气温度等五大保护不被破坏，同时应注意变频器所控电机不要再设热继电器作为工作过流保护，要通过对外部电路的合理设计，使空压机起停操作规程依然如前，操作简单，安全。图1为一拖二空压机系统改造方案：
性能选择
1、变频器容量的选择
选择变频器容量的基本原则：最大负载电流不能超过变频器的额定电流。一般情况下，按照变频器使用说明书中所规定的配用电动机容量进行选择。但选择时应注意，变频器的过载能力允许电流瞬时过载为150％额定电流（lmin）或120％额定电流（1min），这对于设定电动机的起动和制动过程才有意义，而和电动机短时过载200％以上、时间长达几分钟是无法比拟的。凡是在工作过程中可能使电动机短时过载的场合，变频器的容量都应加大一档。
必须说明，空压机变频改造后，在运行中随着实际转速与设计转速的偏离，电机性能参数逐渐变差，低速时尤甚。由于某些通用变频器低速特性不理想，所以最低频率越高越好，而且运行频率最好设定不要低于30Hz。从电机温升的角度考虑，为了不降低电机的寿命，温升必须在绝缘所限制的范围以内，这要看空压机的运行工况，如果电机每次在最低频率时连续工作的时间不长，则可留用原选电机，反之则电机的容量应提高一档。
2、变频器类型选择
为达到最佳节能效果，改造应注意：变频器内部由交- 直-交逆变器产生的是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波，称为SPWM波，这就不可避免地在异步电机的定子中含有高次谐波，谐波损耗的产生将使电机温升比变频改造前有所提高，噪音有所增加，所以我们期望变频器高次谐波分量越少越好，这也是检验通用变频器性能是否优良的重要标志之一，所以要慎重选择变频器的类型。由于空压机同时具备了变转矩负载和恒转矩负载的特性，根据负载对供风系统的动、静态指标要求，要选择带压力反馈的矢量控制方式的变频器，能够四象限运行。如德国原装的TP2200A系列变频器，或专门用于风机的台湾普传变频器PI-168F系列，它们均采用多种控制模式包括磁场定向矢量控制、直接转矩控制等，可以保证变频器足够的转矩输出。
效果
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- 转速的动态匹配，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，减少了电机的实际输入功率，达到节能目的。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。众多的改造资料显示，改造节电率可达5％~25%。
相应带来的其他好处是：通过压力调节器可使空压机保持在设定的压力值工作，压力稳定可靠性高，控制品质大为提高。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。同时变频控制装置，再设一套带闭锁功能的切换电路，即可实现1台变频主机带2台压风机，这样减少了1台变频器投入，经济效益将会更加显著。
结语
风机、泵类等设备采用变频调整技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视，“中华人民共和国节约能源法”第39条就把它列为通用技术加以推广。实践证明，变频器用于风机、泵类既提高了效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期，直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回。
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