变频器在空气压缩机节能改造中的应用

兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿空气压缩机在原有联控系统的基础上添加了高压变频调速系统，应用IGBT 直接串联技术、直接速度控制技术、抗共模电压技术和正弦波技术。 同时进行了运行方式的升级改造，消除了原系统启动电流大、维修费用高、空载运行时间长和气压波动大等缺陷，达到了节能降耗的目的。

济宁三号煤矿共安装9 台螺杆式空气压缩机，正常运行5 台，总功率为2100 kW，年耗电量占工业生产耗电量的9.58%。 随着矿井的开采，供风距离延长，系统存在以下问题：耗电大。空压机满载-空载交替运行，空载运行浪费电能；设备磨损大。空压机频繁启停，使用寿命缩短，增加维护成本和工作量；影响电网安全。 空压机电机直接起动，冲击电流大，影响电网及其它用电设备的运行安全；供气不稳定。 压力的调节靠进气阀的开闭来完成，无法闭环控制，调节精度差，难以保证气源稳定。 经调查研究，采用IGBT 直接串联高压变频技术对空压机实施节能改造，解决能源浪费和安全经济运行的问题。

⑴节能改造的原理

根据空气压缩理论，空压机的轴功率、排气量和轴转速符合下列公式：

Pr=n mr/9553 Vd1=KVh1n2

式中 Pr——空压机轴功率，kW

n——空压机轴转速，r/min

mr——空压机输入的平均轴扭矩，N·m

Vd1——在n2转速下的排气量，m3/min

K——与汽缸容积、温度、压力和泄露有关的系数

n2——变频调节后的空压机转速，r/min

Vh1——一级缸容积，m3

根据上述理论分析，在空压机的汽缸容积不能改变的条件下，只有调节空压机的转速才能改变排气量；空压机是恒转矩负载，空压机轴功率与转速呈正比变化；在空压机总排气量大于用气量时，通过降低空压机转速调节供风压力，是空压机经济运行的有效方法。

⑵改造的实施

原工况中，9 台空压机循环投入使用。 为使投入产出效益最大化，确定采用1 台JCS6k-315型空压机专用高压变频装置分别对2 台6 kV 空压机进行“一拖二”的变频控制。 安装时，保留原空压机的控制柜，将变频器控制柜主电路输出接到原控制柜相对应的空压机电机的接触器上，实现工频和变频的互锁。操作时只需对变频控制柜进行操作即可。

运行原理如下：

①KM30 和 KM80 互 锁 ；KM30 和 KM31 互锁；KM80 和 KM81 互锁。

②在设备第一次运行时，首先人工投入变频调速装置，并设定好所需的压力值。 当联控系统选中3#或8#空压机运行时，KM3 或KM8 闭合，此时 KM30 和 KM81 或 KM80 和 KM31 闭合，3#或8#空压机就会在变频状态下启动并运行。

③当3# 或8# 空压机已在变频状态下运行时， 此时如果联控系统选中了8# 或3# 空压机，由于 KM30 和 KM80 互锁，8# 或 3# 空压机就会在工频状态下启动并运行。

④在变频运行时采用人工手动或传感器反馈自动进行频率调节，控制电机的转速，拖动负载变转速运行， 实现设备的手动或自动变频调速。

⑶效果

节能技术改造后，经过测试各运行参数一直正常，变频器质量性能良好，安全可靠，变频器运行稳定，管网压力波动范围较小，能够满足矿井用风需求，达到了安全生产和节约用电的双重效果。 8# 空压机原工序能耗 0.129 kWh/m3·MPa，现工序能耗 0.114 kWh/m3·MPa，8# 空压机平均月工作量 1 002 019 m3·MPa， 节约电费 (0.129-0.114)×1002019×12×0.60=10.82 万元， 节约材料费7 万元左右， 人工维护费用约3 万元左右，年合计约20.82 万元； 满足了井下用风量的需求，减小空载运行时间，降低工序能耗，实现节能降耗的目的。