一、引言

1.1、空氣壓縮機是一種利用電動(dòng)機將氣體在壓縮腔內進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備。它的用途廣泛，可以用于冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石油化工等各個(gè)行業(yè)?？諌簷C占大型工業(yè)設備(風(fēng)機、水泵、鍋爐、空壓機等)耗電量的15%。經(jīng)考察，大部分空壓機自身存在著(zhù)以下幾個(gè)缺點(diǎn):

    加載狀態(tài)是，在壓力達到最小值后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會(huì )繼續上升直到最大壓力值。在加壓過(guò)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(jìn)入氣動(dòng)元件前，其壓力需要經(jīng)過(guò)減壓閥減壓,這一過(guò)程同樣是一個(gè)耗能過(guò)程。

    空載狀態(tài)時(shí)，當壓力達到壓力最大值時(shí)，空壓機通過(guò)如下方法來(lái)降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機處于空轉狀態(tài)，同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過(guò)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(shí)的能耗約占空壓機滿(mǎn)載運行時(shí)的10%～25%,這還是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下。換而言之，該空壓機20%左右的時(shí)間處于空載狀態(tài)，在作無(wú)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。傳統空壓機供氣系統的壓力控制是上下限控制，首先根據生產(chǎn)設備的最低壓力要求，設定空壓機輸出壓力的下限，也就是空壓機開(kāi)始加載的壓力；再在最低壓力上加1帕左右，作為空壓機輸出壓力的上限，即開(kāi)始卸載的壓力?？諌簷C的輸出工作壓力將在上下限之間波動(dòng)?？諌簷C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1帕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(shí)運行，每臺空壓機的輸出壓力都將隨著(zhù)管網(wǎng)的壓力波動(dòng)而在上下限之間波動(dòng)，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(huì )造成空壓機用電量的不同，必須根據用氣工況進(jìn)行設定，才能達到最經(jīng)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(dòng)，導致在用氣量少的時(shí)候電機仍然要空載運行，浪費電能。經(jīng)常卸載和加載導致整個(gè)氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力。

二、空壓機的工作原理
    螺桿式空壓機的工作原理圖如圖1所示，空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器和吸氣調節閥而吸入，該調節閥主要用于調節氣缸、轉子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽(yáng)轉子旋轉相對于氣缸里偏心方式運轉?；惭b在轉子的槽中，并通過(guò)離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統能夠確保壓縮機良好的冷卻及潤滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經(jīng)壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經(jīng)過(guò)油氣分離器進(jìn)行分離之后，油氣經(jīng)過(guò)油冷卻器冷卻再經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器流回儲油罐，空氣經(jīng)過(guò)氣冷卻器(空氣冷卻裝置)進(jìn)行冷卻而進(jìn)入儲氣罐。

三、空壓機改造原理
（1）、出氣口釋放閥全部關(guān)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(lái)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(guān)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(shí)，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(shí)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(dòng)、加載時(shí)的電流平緩上升，沒(méi)有任何沖擊；可使電機實(shí)現軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長(cháng)設備的使用壽命；避免因電流峰值帶來(lái)的電力公司的罰款；

（5）、采用變頻控制系統后，可以實(shí)時(shí)監測供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中的氣體的壓力保持恒定，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；

（6）、由于電機在高效率狀態(tài)下運行，功率因數較高，降低了無(wú)功損耗，節約了大量電能。
（7）、保存原釋放閥系統，在必要時(shí)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(cháng)壓縮機的使用壽命，并可實(shí)現恒壓供氣的目的，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量

四、變頻改造方案設計原則
4 ．1 原供氣系統介紹
    某煉油廠(chǎng)聚丙烯供氣系統共有四臺37kW 空壓機，如下圖二，是原聚丙烯空壓機供氣系統工作流程圖，采用三臺空壓機工頻供電運行，另一臺空壓機作備用。

    存在問(wèn)題是由于工作空壓機是用工頻供電運行，始終處于滿(mǎn)負荷運行，趕產(chǎn)量用氣高峰時(shí)有氣壓偏低現象；用氣低谷時(shí)，特別是節假日休息時(shí)，供氣壓量特別大（該煉油廠(chǎng)聚丙烯供氣系統24小時(shí)運行）。容易損壞排氣閥門(mén)或氣管爆裂，同時(shí)浪費了電能，降低了設備使用壽命。希望恒壓供氣，三臺聚丙烯空壓機均衡工作運行。

4.2 變頻恒壓供氣系統框圖
    空壓機改造工作流程圖三所示：

    針對螺桿式空壓機系統供氣控制方式存在的諸多問(wèn)題，我們對該廠(chǎng)二組（即2臺110kW、）一對一空壓機采用變頻調速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制。使用普傳科技PI9200 132G3專(zhuān)用變頻器，對該供氣系統進(jìn)行節能改造。

    設計方案：采用一對一帶工頻旁路，同時(shí)可轉換使用的方式。把聚丙烯空壓機供氣系統的管網(wǎng)壓力作為控制對象，用壓力變送器SP采集儲氣罐的壓力P轉變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內設PID自整定控制儀，與PID自整定控制儀的壓力設定值SV作比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運算，產(chǎn)生控制信號通過(guò)DSP來(lái)控制電機的工作頻率與轉速，從而使實(shí)際壓力P始終接近設定壓力值SV。預設了報警功能，當測量值超出上限設定值時(shí)AL1發(fā)出報警信號，當測量值低于下限設定值時(shí)AL2發(fā)出報警信號。通過(guò)變頻器、壓力傳感器與PID自整定控制儀的有機結合，構成供氣閉環(huán)自動(dòng)控制系統，自動(dòng)調節空壓機的輸出壓力。使每臺空壓機的利用率均等，增加系統、管道壓力的穩定性和可靠性，方便技術(shù)員控制和維護設備。

    該恒壓供氣控制系統增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護系統，另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻器來(lái)啟動(dòng)，實(shí)現了軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空壓機帶來(lái)的機械沖擊。

五、改造方案原理
    由變頻器（含工變頻轉換），壓力變送器(遠傳壓力表)、電機、螺旋轉子組成壓力閉環(huán)控制系統自動(dòng)調節電機轉速，使儲氣罐內空氣壓力穩定在設定范圍內，進(jìn)行恒壓控制。反饋壓力與設定壓力進(jìn)行比較運算，實(shí)時(shí)控制變頻器的輸出步，從而調節轉速，使儲氣罐內空氣壓力穩定在設定壓力上。

    我們的方案是保留使用原主電機，直接在原線(xiàn)路上增加變頻器，不改變原來(lái)的線(xiàn)路，通過(guò)變頻控制柜內部的交流接觸器進(jìn)行電子切換，只要通過(guò)變頻器上的選擇開(kāi)關(guān)，即可實(shí)現工頻/變頻模式的切換，這樣萬(wàn)一變頻器發(fā)生了故障，空壓機仍然可以以工頻模式運行，確保生產(chǎn)的正常。在原來(lái)的壓力檢測上，我們將再增加一個(gè)壓力檢測，檢測到的信號將通過(guò)PID轉換器換算，轉換成穩定的高精度信號提供變頻器使用，變頻器將通過(guò)該信號合理調節主電機轉速，提高整個(gè)系統的性能，同時(shí)達到良好的節電目的。

    變頻器為普傳科技矢量型PI9200系列132KW三相變頻器，該款變頻器采用華南理工大學(xué)的技術(shù)，自帶過(guò)壓和欠壓保護，過(guò)流保護，溫度過(guò)高保護等保護系統；異常自動(dòng)斷電關(guān)閉輸出；自帶散熱排風(fēng)系統；確保機器的穩定。開(kāi)機時(shí)電機從0Hz開(kāi)始上升速度，上升頻率每秒1Hz，直到目標頻率。最高頻率為50HZ。下降頻率每秒1Hz，直到30Hz 后停止。壓力傳感在變頻器啟動(dòng)后，時(shí)刻將數據傳輸到變頻器，反饋實(shí)際的壓力數值，用于電機的速度控制。當壓差比較大，變頻器將提高電機轉速，確保壓力滿(mǎn)足輸出要求；當壓差減少，變頻器將降低電機轉速，達到節能的目的。當壓力達到目標要求，空壓機進(jìn)入空車(chē)狀態(tài)，變頻器根據空壓機微電腦的信號，進(jìn)入停機狀態(tài)。

    在空壓機旁邊，我們將增加一個(gè)變頻控制柜，變頻器、工變頻切換裝置等設備將安裝到控制柜內，控制柜設計有散熱系統，確保內部散熱良好?？刂乒裾嬖O置有變頻器監視器，監察變頻器的狀態(tài)，同時(shí)上面設置有工變頻切換開(kāi)關(guān)，電源開(kāi)關(guān)，急停開(kāi)關(guān)，電源指示燈，故障報警指示燈。

    在原主電機散熱風(fēng)扇部位將再增加一個(gè)軸流風(fēng)扇，軸流風(fēng)扇通過(guò)溫度控制器控制，當電機低頻運轉時(shí)，自身風(fēng)扇不能滿(mǎn)足散熱要求，那么輔助風(fēng)扇將會(huì )打開(kāi)，幫忙電機散熱，主電機自身散熱良好，輔助風(fēng)扇自動(dòng)關(guān)閉，避免輔助風(fēng)扇消耗電能。在變頻器三相電源輸入端，我們將增加一個(gè)三相EMC電抗器，用于變頻器對外輻射諧波信號，影響其他用電器的正常工作，同時(shí)也避免其他用電器對整個(gè)系統干擾，提高整個(gè)變頻系統的高穩定性。

    按照安裝布局圖，變頻控制柜器安裝在靠墻壁上，空壓機和變頻器間采用滿(mǎn)足電流要求的電纜線(xiàn)連接。安裝位置圖如下：（省略）
六、空壓機變頻改造后的效益
1）節約能源
    變頻器控制壓縮機與傳統控制的壓縮機比較，能源節約是最有實(shí)際意義的，根據空氣量需求來(lái)供給的壓縮機工況是經(jīng)濟的運行狀。

2）運行成本降低
    傳統壓縮機的運行成本由三項組成：初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本大約占壓縮機運行成本的77%。通過(guò)能源成本降低44.3%，再加上變頻起動(dòng)后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。

3）提高壓力控制精度
     變頻控制系統具有精確的壓力控制能力。使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶(hù)空氣系統所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著(zhù)電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，所以它可以使管網(wǎng)的系統壓力變化保持在3pisg變化范圍，也就是0.2bar范圍內，有效地提高了工況的質(zhì)量。

4）延長(cháng)壓縮機的使用壽命
    變頻器從0Hz起動(dòng)壓縮機，它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調整，從而減少起動(dòng)時(shí)對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長(cháng)。此外，變頻控制能夠減少機組起動(dòng)時(shí)流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會(huì )影響電網(wǎng)和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。將下限頻率調至40Hz，然后用紅外線(xiàn)測溫儀對空壓機電機的溫升及管路的油溫進(jìn)行了長(cháng)時(shí)間、嚴格的監測，電機溫升約2-4℃之間，屬正常溫升范圍，油溫基本無(wú)變化，排氣溫度下降5℃。所以40Hz下限頻率運行對空壓機機組的工作很安全。

5）降低了空壓機的噪音
    根據壓縮機的工況要求，變頻調速改造后，電機運轉速度明顯減慢，因此有效地降了空壓機運行時(shí)的噪音?，F場(chǎng)測定表明，噪音與原系統比較下降約3至7分貝。

七、現場(chǎng)情況及參數設置

    深圳某電子有限公司是一家專(zhuān)業(yè)從事精密塑料結構件配套產(chǎn)品加工服務(wù)的公司，主要為客戶(hù)提供：產(chǎn)品結構設計，模具設計與制造，精密注塑成型，UV涂裝，產(chǎn)品組裝等加工服務(wù)，主要產(chǎn)品：手機，藍牙耳，筆記本電腦，機頂盒，投影儀等產(chǎn)品機殼加工配套。公司生產(chǎn)用氣非常量非常大，在車(chē)間樓頂安裝了兩臺阿特拉斯110KW的空壓機，由于只開(kāi)一臺空壓機時(shí)，氣量滿(mǎn)足不了生產(chǎn)需求，而開(kāi)兩臺時(shí)，氣量又太大，造成電機長(cháng)時(shí)間空轉浪費電能，且易對電機造成不必要的磨損，減短電機使用壽命。所以用戶(hù)選擇我們普傳PI9200 132G3 的電流矢量變頻器進(jìn)行節能改造。

    生產(chǎn)需要的氣量是0.76MPa，現場(chǎng)裝有一只遠傳壓力傳感器，它可以將氣罐壓力以4-20mA電流信號反饋給變頻器，讓整個(gè)系統能用變頻器PID 實(shí)現閉環(huán)控制。當壓力到達設定壓力上限時(shí)，空壓機開(kāi)始卸載，同時(shí)變頻器讓空壓機以下限頻率運行；當壓力低于設定頻率一定值時(shí)，空壓機開(kāi)始加載，同時(shí)變頻器讓空壓機加速到上限頻率運行。這樣既能快速高效滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，又能最大限度的節約電能，也可以延長(cháng)空壓機使用壽命，一舉多得。

    為了方便檢修及維護，我們使用普傳變頻柜。它可以實(shí)現工變頻切換，當須檢修時(shí)，工頻可以正常啟動(dòng)，因為空壓機里星三角啟動(dòng)電路還是保留的。所以用戶(hù)更加方便使用，可以保證檢修檢修時(shí)不停產(chǎn)。