对空压机变频器改造的探讨

唐延嵩

【摘 要】空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。空压机占大型工业设备（风机、水泵、锅炉、空压机等）耗电量的15%。由于结构原理的原因，大部分空压机自身存在着明显的技术弱点。采用PLC和变频器实现对空气压缩机的节能改造，可使其自动化程度高，节能效果显著，实用性好。

【关键词】空压机；变频器；节能；改造

1.原系统存在的问题

由于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动机的容量，设计余量一般偏大。工频起动设备时的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护量大。虽然都是降压启动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全，而且大多数是连续运行，由于一般空气压缩机的拖动电机本身不能调速，因此就不能直接使用压力或流量的变动来实现降速调节输出功率的匹配，电机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，电能浪费巨大。经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力延长压缩机的使用寿命。空压机的有些调节方式（如调节阀门或调节卸载等方式）即使在需要流量较小的情况下，由于电机转速不变，电机功率下降幅度比较小。

2.变频空压机系统控制方案

根据普通空压机运行工况存在的问题并结合生产工艺要求，变频空压机后系统能满足以下要求：

2.1电机变频运行状态保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围控制在±0.02Mpa

在工频运行的方式中，利用空压机的容调控制，以及起跳、回跳压力控制得到的储压罐的压力仍然是较为粗略的，而且经常会波动。这将影响最终用户的使用。

而使用变频空压机来改变运行速度，因为空压机可以平滑的控制其供气量，压力波动控制更加精确，最终用户可以得到更加稳定的气压。

2.2系统具有开环和闭环两套控制回路

变频空压机控制系统，同时具有两种控制方式及开环、闭环。在正常状态下，可以利用闭环的控制方式，系统将自动的根据储压罐内压缩空气的压力自动的控制变频运行空压机的运行转速，从而控制空压机的供气量。当系统故障，或者时压力传感器故障时，可以切换到开环运行，直接给定空压机的运行速度，从而可以手动控制空压机的运行状况以及供气速度。

2.3一台变频空压机能控制多台空压机组，可用转换开关切换

该系统中仅仅只需配置一台变频空压机，但是可以选择拖动的空压机。也就是说，可以一套变频系统多台空压机使用。这样当其中一台空压机需要进行维修，或者是更换时，可以方便的切换到另外一台空压机变频运行。

2.4为保证空压机的节能效果，尽可能的避开容调控制

因为容调控制是非常耗能的，因此采用变频运行的空压机组必须很好的避开容调控制功能，才能尽可能的节省电能。首先当空压机变频运行时，通过电磁阀防止空压机进入容调功能；若一台空压机工频运行，另外一台空压机变频运行，则将工频运行的空压机的容调设置压力提高，避免容调运行。

2.5可靠的切换

变频系统同时控制多台空压机的变频和工频运行，因此必须根据压力（外界压缩空气的使用量），自动起动或停止工频使用的空压机。为了保证可靠的判断和切换空压机运行，系统设置了三个回差控制，保证切换的可靠，防止反复切换的故障发生。当外界的用气量增加，系统会自动的升高频率，当频率达到最大，压力仍然不能满足时，系统将自动的延时启动另外一台工频空压机，同时仍然恒压运行。当外界的用气量下降，系统会自动的降低频率，当频率达到最小时，压力仍然过高，系统将延时停止工频运行空压机，变频运行的空压机仍然恒压运行。

3.变频空压机系统功能特点

3.1该系统采用电源端的工频/变频互锁的结构

系统采用的是在电机的输入电源端直接工频和变频连锁，这样非常好的保证系统的安全运行；保证系统的可靠。

3.2系统采用大惯量PID控制算法，实现压力无静差控制

空压机系统输出的压缩空气首先进入储气罐，储气罐可以储存气压的能量，使得压力变化平稳。但储气罐的存在将导致系统反馈的惯量大大增加，使得该系统成为了大惯量控制系统。大惯量控制系统使用普通的PID控制将很可能导致系统超调严重、振荡幅度大、系统不稳定等一系列弊病。因此在该方案里采用了专门的大惯量PID控制系统，大幅度降低了系统超调的产生，增强了系统的稳定性。

3.3系统采用智能控制，可以实现分时段压力控制

系统的压力设定不再是一个单纯的设定值，而是一条根据贵厂一天用气量而设定的压力曲线，一旦压力曲线确定下来后系统将根据内部的实时时钟，按照预先设定的压力曲线自动运行。

系统可以将一天24小时自动分为多段（最多为5段），每段的起始时间和终止时间可以人为进行设定；每段都可以设定一个压力设定值，这样当时域性的用气低峰期，可以在较低的压力下运行；相反时域性的用气高峰期，可以在较高的压力下运行，最大可能的进行节能。

3.4零用气量自动停机功能

系统还可以根据用户的要求实现零用气量自动停机功能（即空压机出口阀门是自动逆止阀，当用气量相当小而储气管内压力非常大时，可以自动关机）。当用气量比较大的时候再恢复开机。这样在节假及双休日等非正常工作日或是深夜时，系统将自动停机，从而实现最大节能。注：空压机在使用变频改造后，因为系统的冲击将为0，因此可以频繁启动空压机。

3.5上位机界面图形化界面，设定更简单，监控更加直观

该系统采用上位机，其功能完善，质量可靠，而且在设计中基本采用图形的方式进行显示和监控，使设定和监控更加简单和直观。

3.6报警信号采用中文显示

报警信号采用全中文显示，方便直观。可以在第一时间内判断故障的所在，进行故障排除。另外在报警控制的同时，还配备一定的声光报警信号，以及在上位机界面上配备故障排除的帮助界面，加快了系统故障的响应速度。

3.7上位机界面中含有关键参数自动记录功能

在上位机界面中，集成了类似于无纸记录仪的参数历史曲线记录功能，可以对近10000个数据进行采集和记录，在人机界面内部自动形成历史曲线，并可以对该曲线实时的进行浏览。

3.8关键参数在上位机界面中直接设定

若采用分时段压力控制，系统将以图形的方式显示曲线，可以在曲线上直接进行设定。关键参数可以受3级密码进行修改权限的划分，保证参数设定的安全。

4.空压机变频改造后的效益

4.1节约能源

变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据空气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状。

4.2运行成本降低

通过能源成本降低44.3%，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。

4.3提高压力控制精度

由于变频控制电机速度的精度提高，所以它可以使管网的系统压力变化保持在3pisg变化范围，也就是0.2bar范围内，有效地提高了工况的质量。

4.4延长压缩机的使用寿命

变频器从0HZ起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。

4.5降低了空压机的噪音

根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，因此有效地降低空压机运行时的噪音。现场测定表明，噪音与原系统比较下降约3至7分贝。

【参考文献】

[1]方璇峰.电机原理及拖动基础[M].中国矿业大学出版社，2010.

[2]余发山.自动控制系统[M].中国矿业大学出版社，2005.

[3]王玉中.常用低压电器原理及其控制技术[M].机械工业出版社，2006.