变频器在螺杆空压机节能改造中的应用

1 概述

空压机是一种利用电能将气体在压缩腔内进行压缩并使气体具有一定压力的设备。空压机作为工业基础设备，在冶金、矿山、纺织、生化等行业中有着广泛的应用，它担负着为工厂所有气动部件提供气源的职责，但是由于其自身结构的原因存在着明显的技术弱点。传统的空压机供气控制方式几乎全部是采用加载、卸载的控制方式，即当输出压力大于设定压力时，卸压阀自动打开卸压，使电动机空载运行，造成了能源的极大浪费;当输出压力低于设定压力时，电动机又加载运行，由于电动机在工频启动时，启动电流大，对电网冲击比较大，电动机的轴承很容易磨损坏。此外由于频繁加、减载，空压机的进气阀也极易损坏。

随着变频器技术的不断发展和成熟，变频调速技术在各种行业中的应用越来越广泛。此外PLC 具有强大的工业控制功能，触摸屏编程简单，可以方便的实现人机交互的功能。由变频器、PLC与触摸屏组合所构成的闭环控制节能系统，已成为一种自动控制的发展趋势。

2 传统空压机供气系统中存在的缺点

传统空压机供气系统如图1 所示。

传统空压机供气系统的工作状态主要有两种：一种是加载状态，另一种是空载状态。其电能浪费主要有如下几个方面。

2.1 加载时的电能消耗

加载状态是指在压力为最小值后，将压力继续上升到最大压力值的状态。在加压过程中,一定会向外界释放更多的热量，从而导致电能损失。另一方面，高于压力最大值的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压，这一过程同样也是一个耗能过程。

2.2 卸载时的电能消耗

在传统空压机供气系统中，为了不频繁启动电机，所以在用气量少时仍然要求电机空载运行，这种状况当然是在浪费电能。另外，当压力达到压力最大值时，空压机通过关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空的方法来降压卸载，显然，这种调节方法也会造成很大的能量浪费。据测算，根据空压机卸载时占运行时间的比例的不同，卸载损耗约占空压机满载运行时的10%耀30%。即在空压机运行中，很多时间是处于空载状态，在作无用功。

2.3 压力波动的电能消耗

传统空压机的供气系统对压力的控制采取的是对上限、下限值的控制，即首先根据生产设备所要求的最低压力，设定空压机输出压力的下限，也就是空压机开始加载的压力;再在最低压力上加0.1 MPa 左右，作为空压机输出压力的上限，即开始卸载的压力。这样，空压机的输出工作压力将在上下限之间波动。由于空压机的功率消耗和输出压力成正比，所以输出的压力越高消耗的功率也越大。

3 空压机变频调速恒压供气原理

针对传统空压机供气系统存在的缺点，采用PLC 与变频器调速相结合构成了自动恒压供气系统，如图2 所示。

此恒压供气系统中变频器采用ABB-ACS550变频器，根据PLC 发送过来的数据调节空压机的转速以达到调整产气量的目的，从而使供气量与用气量平衡实现恒压供气，并且还可以将变频器内部的运行参数反馈到PLC。

PLC 选用西门子S7-200小型PLC。PLC 作为控制单元，是整个系统的控制核心，主要作用是：

1)完成对系统各种数据的采集以及数字量与模拟量的相互转换;

2)完成对整个系统的逻辑控制及PID 调节的运算;

3)向触摸屏提供所采集及处理的数据，并执行触摸屏发出的各种指令;

4)将PID运算的数据结果转换成模拟信号，作为调节变频器的输出频率的控制信号。

此外，PLC控制系统可以根据供气压力要求，控制空压机的运行台数，如图3 所示。当1裕空压机调速到50 Hz 运行后仍然不能满足供气压力要求时，即将1#空压机切换为工频运行，再变频启动2#空压机，当1#、2#均在50 Hz 运行时压力仍然不能满足要求时，将2#空压机也切换为工频运行，然后再去控制3# 空压机变频运行;反之当用气量减少供气压力将要变高时，便停掉1#空压机，控制3#空压机变频运行，直至到控制最后一台空压机运行。空压机切换顺序可以在PLC程序中设定。

空压机恒压供气系统中的压力变送器、震荡传感器等检测到的实际参数值被转变成电信号后都会上传至PLC。

4 变频调速恒压供气特点

1)空压机属于恒转矩负载，即转矩在不同速度下保持不变，但所需功率和速度成正比，采用变频调速使电机转速降低，因而达到了节能的目的。

2)自动恒压供气系统的压力设定可以是一点，即可以将满足生产设备要求的最低压力作为设定压力，PLC 将根据管网压力上下波动的趋势，调节变频器输出的转速快慢，从而消除了空压机的卸载运行，节约了电能。

3)由于恒压供气使得管网压力稳定，可以降低甚至消除压力的波动，从而使系统中所有运行的空压机都在一个满足生产要求的较低的压力下运行，这样减少了压力向上波动造成的功率损失。

4)由于压缩机不能排除在满负载状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来决定电动机的容量，故电动机设计容量一般偏大，但在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例非常高。采用变频调速后，大大提高运行时的工作效率，因此节能潜力很大。

5)单电动机拖动系统大多不能根据负载的轻重连续地调节。而采用了变频调速后，则可以十分方便地进行连续调节，能保持压力、温度等参数的稳定，从而大大提高压缩机的工作性能。

5 改造实例

以曾经进行变频节能改造的1 台110 kW 空压机为例，改造后系统运行曲线如图4所示，变频改造前后运行数据如表1 所列。

图中曲线淤为变频器运行频率曲线(0 Hz 对应0%，50 Hz对应100%)，直线于为压力设定值0.6 MPa，曲线盂为实际压力值。从图中可以看出为了保证实际值和设定值相等，变频器运行频率会随负荷的变化而变化，运行频率在35 Hz和40 Hz之间变化。

从表1 中的数据可以看出，经变频节能改造后的自动恒压供气系统，节电效果明显。

6 变频改造注意事项

1)空压机是大转动惯量负载，变频器在启动这类负载时易出现跳闸过流保护的情况，建议采用具有高启动转矩的无速度传感器矢量变频器，这样既能保证实现恒压供气的连续性，又可保证设备可靠稳定的运行。

2)空压机电机不允许长时间在低频下运行，所以工作下限应不低于20 Hz。

3)建议选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动时出现变频器频繁跳闸的情况。

4)为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，这样还可以减少电机运行的噪音。

5)设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频器出现异常或保护动作时，将变频运行方式切换为工频运行，从而不会影响生产。

7 结语

空压机采用PLC控制的变频调速自动控制系统，实现了自动恒压供气，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，具有较好的控制效果。最主要的是实现了高效节能，节能效果可达30%左右，同时由于采用变频器实现了电机软起动，所以减少了设备损耗，延长了空压机的使用寿命。而触摸屏的应用使用户能够简单直观地监控整个空压机系统的运行状况，从而提高了整个被控系统以及企业的自动化程度和硬件档次。

作者简介：

姜洪松，男，工程师，现就职于希杰(聊城)生物科技有限公司，负责项目的应用。