空压机变频节能改造新方法分析

王冠宇

（浙江省诸暨市盾安换热器有限公司，浙江 诸暨 311800）

作为我国当前机械制造及加工行业中不可或缺的重要设备，电动机能够带动相关机械设备工作[1]。由于技术发展所限，电动机基本上是以固定的速度进行拖动，在控制精度要求不高的情况下尚可满足相关设备的需要，但近年来随着工业智能化及自动化的快速发展，固定转速拖动的方式以难以适应当前机械制造加工业的生产需要，因此，在实际生产就需要利用变频调速来提高转速控制的精度，所谓变频调速技术，就是利用变频器来驱动电机，即让电机按照既定的程序或方式进行工作，从而实现速度的可调性。同时，对电机进行变频调速改造还可以调整供气量，使电机的输出功率基本与转速（供气量）成正比关系，达到良好的节约电能的效果。本文对空压机进行了变频节能改造分析，提出了一种空压机变频节能改造新方法。

1 变频改造的可行性分析

由流体力学的相关知识可知，缩机、风机及泵类等设备都属于变转矩负载，其压力、功率和流量满足如下关系：流量和转速是正比例关系，压力和转速的平方是正比例关系，轴功率和转速的立方是正比例关系，因此，若电动机的转速有所下降时，其轴功率将发生大幅度的下降，例如当流量为加载流量的 75%时轴功率将下降到额定功率的 49%[2]。从上述原理中可以得到对空压机进行变频控制设计的思路，即将压力传感器安装在空压机的出口处，以此来获得所需要的电流信号。若系统的用气量减小，则此时将出现空压机出口压力升高的现象，压力传感器的阻值将降低，通过24V直流的电源就可以将压力传感器的阻值转化为相应的电流信号，从而增大了其对变频器的输入信号，最后通过与预先设定值进行比较后得到偏差来减小变频器调节输出电源的频率，此时即可降低电动机和压缩机的转速，同时减小了排气量。

当系统的用气量增大时，其整体压力将逐渐降低，此时变频器所输出的电源频率将逐渐升高，进而使得电动机的转速和排气量都增大，此时采用变频器进行调速即可满足系统的用气要求，当所调节的用气量和供气量保持平衡时，变频器即会在该点稳定运行，这样就实现了系统的恒压运行，同时能够保证系统一直运行在最经济的状态下。整个控制系统的原理如图1所示。

图1 控制系统原理框图

2 变频调速技术对空压机改造的应用

2.1 空压机变频控制改造的需求

通常空压机所带的负荷是非常大的，且其起动方式多为星形三角起动，当起动完成后要迅速进行负载的装载，这就使得空压机的起动电流瞬间达到其额定运行电流的4～7倍，对电源造成严重的冲击，加速设备的老化的同时影响正常生产，降低了相关设备的使用寿命[3]。由于普通的空压机是无法进行调速的，因此无法对其使用压力或流量来实现降速的目的，同时在正常运行的过程中空压机也是无法进行频繁起动的，这就使得空压机需长期保持高损耗运行，造成了资源的严重浪费。

由于变频调速技术的节电效果好，调速能力和适应能力强，且平滑的变速性能和软起动方式能够降低起动和变速中对机械的冲击，减小了设备的损耗，延长了设备的使用寿命。同时由于电机运行时频率可以改变，在气量较小的时候可以降低电机的速度，这就是实现了在不需要对空压机进行加载和卸载的条件下完成了对空压机输出功率的调节，进而大幅提高了电机的运行功率，使气压供气系统保持在一个相对稳定的工况下运行，实现了节能的目标。

通过以上分析我们可以发现对空气压缩机进行变频改造可以实现节约能源、降低运行成本，延长设备的使用寿命，提高控制的精度等特点，能够从根本上改善空压机的运行工况和成本。

2.2 空压机的变频调速改造要求

在对空压机进行变频改造时，应保证储气罐出口压力稳定，其波动的范围在生产要求范围之内，同时系统应具备工频和变频两种控制回路，工频控制作为变频控制出现故障时的备用控制，根据空压机工况和转矩特征进行改造，在变频器的输入端可加载一些抗干电磁干扰元件以增强空压机对外界干扰的抵抗能力，若生产工艺发生改变，则应保证改造后的变频控制系统利用横气压和变流方式实现对供气气压的调整。

3 空压机变频调速节能改造的实例分析

3.1 对空压站的改造

在对空压机进行改造时如果其空压站的设备型号是统一的，则此时只需配备一台变频空压机，也就是只需对一台设备进行改造，其他设备只需配合即可达到改造的目标。若空压站所产生的耗气量小于一台空压机的空气量，则此时可以利用变频空压机完成供气，反之则需要起动普通空压机来完成补偿，使其处在加载状态就可以实现与变频设备联动的工况，此种方式就是利用变频空压机来维护供气系统的平衡而降低能耗。

3.2 具体控制措施

在对空压机进行起动时，由于其内部仍保留着少量气压，这就要求变频器反应速度较快，因此，此时多选用LG变频器。采用闭环自动的调节方式，根据对压力传感器所检测的空压机出口信号进行变换来调节单台压缩机的转速，通过PLC及变频器的控制来保证电机的最小输出功率。不但实现了精确的压力控制，而且通过电机的软起动延长了相关设备的使用寿命，且当PLC及变频器发生故障时，可将运行方式自动切换到原软起动柜工频电源运行，保证了压缩机能够正常工作，相关的改造方案如图2所示。

图2 改造方案图

3.3 经济效益分析

应用这种新方法对空压机变频节能进行改造，其经济效益如下：

1）年平均总电量=总功率×实际用电功率比例×每天平均运行时间×每年平均运行天数=97kW×0.75×20h/天×300 天/年= 436500 kW·h /年；

2）年平均耗电费用=年总用电量×电价=436500 kW·h /年×0.79 元/kW·h= 344835 元/年；

3）节电设备年折旧费=节电设备总价/10年=90000元/10年=9000元/年；

4）年节电效益=(年耗电量×电价)×预期节电率-节电设备年折旧费=436500元/年×15%-9000元/年=65475 元/年-9000 元/年=56475 元/年；

5）投资成本（合计）：90000元；

6）投资回收期=投资成本÷年节电效益=90000元÷56475元/年= 1.59（约为18个月）预期总收益=产品有效使用年限×年节电效益=10年×56475元/年=564750元。

由于该节电产品使用年限可达10年以上，因此其会带来非常大的经济效益。

4 结论

通过对电机输入电流频率的改变实现了变频调速，达到了对电机转矩进行控制的目的。利用该项技术能够解决空压机起动、加载和卸载过程中出现的大量消耗电能的现象，不但降低了工况改变所带来的能源浪费，而且带来了可观的经济效益。

[1] 李强,屈宝存,葛智强．PLC和变频器在空压机节能改造中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化,2006(7).

[2] 许振.交流电动机变频调速技术的发展[J].微特电机,2005(4).

[3] 胡炫,朱虎,杨志．高压变频器在发电厂引风机上的应用与节能分析[J].电机与控制应用,2010(2).