利用变频器对空气压缩机节能的改造

赵 群

（渤海船舶职业学院，辽宁 葫芦岛 125105）

0 引言

目前空气压缩机种类繁多，工作方式多种多样。但是其控制系统大多都是启、停控制方式为主。这种控制系统原理简单，只根据空压机输出压力上下限控制电机启动与停止过程。从而其空压机制作成本低，得到广泛应用。但是在使用过程中启动电流过大，对电网造成严重冲击。突然启动时对机械部件冲击比较大，磨损严重。工作过程中性能不稳定等缺点。随着社会经济发展和进步，节能减排技术日益受到人们的重视。在空压机节能领域使用变频调速技术，在节省电能同时改善空压机性能成为可能。

1 传统空压机工作原理

目前空压机上基本采用两点式控制，通过压力检测装置控制电机。一是当压缩气体气缸内压力达到下限压力时，电机停止工作。二是当压力值达到上限时再启动。空压机电机如此重复工作使空压机内部压力保持在一定的压力范围内。在大型空压机中增加了温度、油压等辅助信号检测与处理控制，保持空压机正常工作。但基本控制系统仍然采用启停控制方式。

图1 传统空压机工作图Fig.1 The traditional air compressor working diagram

为了使空压机稳定工作，空气压缩机各点的工作量（主要包括各点温度、气压力、水压力、油压等）和整机电气控制由主控制电路板进行控制。当空气压缩机输出口压力达到上限设定值时，空气压缩机的油压分路阀控制进气口进行关闭，打开内部循环管路，进行自循环。出气口续输出气体，直到压力到达下线时，循环管路被关闭，同时打开空气进口经过空气过滤器后被压缩到储气罐中。如图1 所示，传统空压机工作图，完整描述了空压机工作过程及压力变化。在实际生产使用中包括正常工作时间与非用气时间（夜间低用气时间）。在正常工作时通过控制系统，空压机反复进行充气与放气状态，在图中内部压力呈现一个折线，折线上升表示空压机在工作，下降表示空压机停止工作。

在这种状态下不断重复，使得及加载、卸载时不仅对电网供配电设备及螺杆都会造成较大的冲击，还会造成电能的严重浪费。如图1 所示，传统空压机工作图，完整描述了空压机工作过程及压力变化。

为了使压力保持在一定的使用压力值，可以利用变频调速技术改造。由图2 所示可见，利用变频器频率变化维持压力不变，在图中压力成直线，频率为曲线。变频器改造后系统控制下的空压机，比原来控制系统下的空压机节能可由图3 来分析判断。

图2 变频空压机工作图Fig.2 Frequency conversion air compressor working diagram

图3 变频节能空间分析Fig.3 Analysis of frequency conversion energy saving space

原有控制系统启停调节压力，输出气压是非连续稳定的。但工作时输出气压是变化的，输出气体压力产生波动幅度较大，不能满足实际使用稳定性要求。而且重复性电机启停工作，机械磨损严重，提高维护成本。采用变频控制后放气阀无需频繁开关，可以降低成本，稳定工作性能，提高使用寿命。改造后空压机具有工频与变频切换功能，而且把原来的控制与保护系统保留。实现了变频调速，与启动时电流对电网的冲击，减轻了机械冲击磨损，避免了空程的出现。

2 改造过程

某轮胎厂原有132kW 空压机5 台，65kW 空压机1台，空压机压力变化范围比较大，空气压力也是很稳定。在用气量较大时其中一台空压机在空转，浪费电能现象严重。一般工厂生产时间都集中在白天，夜间用气量较少。造成不必要的浪费。通过技术研讨与论证，对其变频改造该两台132kW 空压机控制系统。

（1）系统主要参数。空压机型号：L 型两级双缸复动水冷空气压缩机4L-20/8。主电机型号：Y315M2-6；额定功率132kW；额定电压380V；额定电流250A；额定转速960r／min。采用变频器：科姆龙无感矢量变频器KV2000-G1320-4T，额定电流253A。远传压力表：VTP10-A-G10-B。

（2）原系统存在的问题。由于空压机白天要正常满足长时间生产需要，电动机容量要按照最大的需要来解决，原始设计余量过剩。原系统启动时机械冲击较大，机械磨损大，维修量增加。虽然原系统采用了降压启动，但是启动时冲击电流还是比较容易冲击电网。并且空压机是连续实用的，空压机本身电机不具备调速能力，所以不能根据使用时空气压力或使用量来实现降速调节使输出与需要功率相匹配。而电机不能频繁启停运行，使得电机出现空转现象，电能过多浪费。而空压机内部压力不断变化，使得输出气压不稳，影响生产工作过程。同时缩短了空压机使用寿命。综上所述，采用变频调速技术改造，当用气量减少时，可调节电动机的转速，减小电动机的输出功率，节省电能。

（3）系统改造要求。根据实际生产要求，针对上诉问题进行改造。①保障原有系统正常工作，可实现原系统与改造系统相互切换，确保改造电路出现实际问题时保证空压机正常工作满足实际生产需要；②改造后系统运行时保持输出气体压力稳定，压力波动范围小；③当生产需求用气量小时，改造后系统应保障电机绕组温度和电机噪声在允许范围内，保障电机安全。

（4）改造注意事项：①为保证于空压机不受惯性负载影响，必须采用具有高启动转矩无速度传感器矢量变频器；②空压机在低频下运行时间不能过长，低频工作时空压机的工作稳定性比较差，空压机内部润滑变差，磨损加剧，工作频率应一般不要低于20Hz；③建议使用输出电流电抗器，有效滤除输出电流中高次谐波，减轻高次谐波引起电磁干扰，降低电机运行噪声和温升，提高电动机稳定性。

（5）系统工作原理。如图4 所示，利用选择开关和交流接触器配合，实现原系统控制与变频调速控制系统可以随时切换。利用输出管网的压力信号作为控制参数，实际输出压力值由变送器SP 来检测，通过PID 反馈到变频器，通过变频器计算调节其输出频率，从而控制空压机恒压输气。

KV2000 系列变频器具有无感矢量（Sensor-Less vector）控制技术，在低频输出同时提供更大的转矩，可对电机转速变动时进行自动补偿负载，动态特性良好。同时过载能力强，可以满足大多数应用场合。KV2000 无感矢量变频器控制可以获得接近闭环控制的性能，并且不需要速度传感器，维护成本低。比传统的U/f 控制低速运行特性好，负载变化是时速度调节能力强，启动转矩大，重复性摩擦与惯性负载启动中有明显优势。鉴于这些驱动特性，该种控制技术多应用于转矩驱动。

图4 变频控制系统原理框图Fig.4 The frequency conversion control system principle

（6）空压机变频运行。由于进行变频器启动改造，可以对启动时间进行调整，启动过程中对压缩机电器部件和机械部件所造成的冲击，可靠性增强，使用寿命延长。减小了电流对电网和其他设备频率的影响。

3 改造效果

（1）改造后原有控制方式被保留，并可以实现原有控制系统与变频调速系统相互切换，保证在改造系统出现故障时，可以正常维持生产过程。并保证两套系统不相互影响，提高系统改造后的稳定性。

（2）由于利用变频器进行启动与调速，电流对电网冲击减小，避免对其他设备的影响。电机工作时机械冲击也相应减小，从而减低了设备使用时的噪声，使得工作环境更为舒适。减低了设备的维修与维护成本。

（3）在变频调速改造后，原有各种辅助信号全有变频器协调控制，提高了原有控制系统下信号参数的准确性，使得整个系统更加安全。

（4）通过变频器调节电机，减低了电能使用量，在短时间内便可以收回成本，减小了生产成本。

4 结束语

目前，变频器在工业生产中已经普遍使用，传统的节能方式也在逐渐改变。我国正处在社会转型阶段，社会发展趋势下节能减排是企业面对社会转型的又一次改革机遇。而其中利用变频器进行节能改造逐渐被企业重视。通过本文结果可以看出，在利用变频器改造后空压机达到了预期目的，满足生产实际需要，并且节能效果明显。

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