1 引言
空气压缩机是地下矿山生产的重要设备之一，它生产的压缩空气，用以带动风动凿岩机、风动装岩机等设备及其它风动工具，其耗电量在矿山总耗电量中占有相当大的比重。压缩空气系统的耗电量一般占地下矿山总耗电量的20%左右。空气压缩机站的容量是按最大排气量并考虑备用来确定的，然而在实际的使用过程中，用气设备的耗气量是随着用气设备工作台数的多少而变化的，当耗气量小于压缩空气站的排气量时，便需对空气压缩机进行控制,以减少排气量使之适应耗气量的变化，否则空气压缩机排气系统的压力会升至不能允许的数值，使空气压缩机和用气设备的零部件负载过大，并有发生爆炸的危险。深入分析空气压缩机的电能消耗情况，采用变频调速控制，实现空气压缩机的节能运行，对于降低矿山生产成本，提高其经济效益,具有重要意义。为此，长沙矿山研究院和某矿合作对其空压机站进行了变频调速节能运行改造。取得了很好的效果。
2 空压机设备及运行状况
2.1 空压机站设备组成及运行情况
该矿坑口空压机站共有6台空气压缩机，其中4台为日本日立空气压缩机。日立压缩机属活塞式两级压缩机，其拖动电机为鼠笼异步电动机，采y/δ降压起动方式;其余2台为国产空气压缩机，其拖动电机为高压(6kv)同步电动机。
6台空气压缩机采用并联运行方式。一般情况下，只运行2～3台(其中一台国产空气压缩机)其余的空气压缩机作为备用。
4台日本日立空压机采用的是多级压力节流进气控制方式:即当压力低于6.2mpa时,打开全部进气阀,压缩机组以100%负荷率状态运行;当压力达到6.2~6.5mpa时关闭余隙阀，压缩机组以75%负荷率运行;当压力达到6.8~7mpa时,关闭一个进气阀,压缩机组以50%负荷率运行,当压力达到7mpa时关闭所有进气阀,压缩机组进入空载运行状态。由于活塞式空气压缩机的起、停有着严格而复杂的规程，不允许频繁起停。为了满足井下用气量的变化，一般由调度根据井下用气量的时间变化特点把一天分为几个时段，每一个时段需要开的空压机台数由该时段内最大用气量决定。在该时段内，空压机不允许增开或停开(特殊情况除外)。
2.2 原控制方式存在的缺点
这种控制方式很显然存在一些比较大的缺点:
(1) 据统计，压缩机组75%负荷运行效率为41%，50%负荷运行效率为14%。无论空气压
机是处于75%、50%还是空载运转状态，管网压力较正常供气压力要高，井下用气量很显然要小于供气量，而这时各台空气压缩机仍然全速生产压缩空气，带来了不必要的电能浪费。
(2) 调节精度低，在某一进风量工作状态下压力波动大，特别在生产用风量变化频繁时期内(用风量大且变化频繁)，不能稳定风压;
(3) 阀门动作值在一次整定后经常会变，有时会使整个压风系统工作压力偏高，增大了单位压风量的功耗;
(4) 当空压机运行在75%、50%进气量的工作状态下，进气流速增大，造成进气过程压风量的损失，降低了压风机的效率。
因此采用变频调速控制空压机系统的压力恒定，是实现节约电能，提高空压机的运行效率的有效手段。
2.3 活塞式空气压缩机转速调节排气量原理
活塞式空气压缩机的排气量通常是指每分钟内空压机最后一级排出的压缩空气量经换算到第一级进气状态时的空气容积的大小，其单位为m3/min。双作用活塞式空气压缩机实际排气量公式为:
式中: qν—双作用活塞式空气压缩机实际排气量(m3/min);
λ—排气系数;
λφ－湿度系数;
λ1 —漏气系数;
λt—温度系数;
λp—压力系数;
λν—容积系数;
d—级气缸内径(mm);
d—级活塞直径(mm);
s—活塞行程(mm);
n—曲径转速(r/min)。
由上述公式可知:双作用活塞式空气压缩机与曲轴的转速成近似正比关系，调节其拖动电机的转速即可改变其排气量。
活塞式压缩机的多变压缩功率为:
式中: qν—空气压缩机的排气量(m3/min);
p1—空气压缩机吸气绝对阻力;
p2—空气压缩机排气绝对阻力;
z—压缩级数;
n—多变指数。
可见，空气压缩机功率与其排气量成近似正比关系，降低活塞式空气压缩机的转速即可降低其消耗的功率。
3 空压机变频调速恒压控制系统结构
3.1 方案简介
变频调速恒压控制系统框图如附图所示。
空压机恒压自动控制变频调速系统可实现对5#空压机和6#空压机的轮换控制。5#空压机和6#空压机均可由新老两套系统拖动，这样做有两个目的:当5#空压机出现故障需要检修时，新系统可迅速切换到6#机，以提高恒压控制变频调速系统的利用率;当新系统出现故障需要停车检修时，能够很快地投入老系统运行，不致于影响正常生产;当管网压力超出恒压调节范围时，系统发出增开或者减开一台空压机的命令。
3.2 整个变频调速恒压控制系统的构成:
整个变频调速恒压控制系统由以下几个部分构成:
(1) 电源柜
电源柜由刀开关、断路器、电流互感器及电压、电流、有功率表等组成，断路器的作用是当出现严重故障而变频器又不能够自动停机时，由人工分闸，直接断开其供电电源。
（2） 切换柜
切换柜由两台机械联锁的刀开关组成，其主要作用是实现新、老等系统之间的切换及5#、6#机新系统之间的切换。
（3） 继电控制柜
继电控制柜由plc、继电器、380/220v控制变压器、dc24v电源等组成，其主要作用是完成本系统所需要的所有逻辑判断及控制。
（4） 变频柜
本系统变频柜选用的是siemens simovert master drives 6se71型变频柜。
（5） 操作台
操作台设在控制室内，供值班人员使用，对系统实施起动、停车、复位远端控制，并监控电压、电流、故障、运行、停车、自动卸荷、增开、减开空压机等信号。
（6） 其它
电磁阀:切断原系统压力反馈通道，令系统以100%负荷率运行。
压力传感器:产生4~20ma压力信号，送入变频器内参与pid调节运算。
3.3 变频调速柜的性能及构成
本系统变频柜的主要作用是把交流工频电网电压转换为频率可调、电压可调的交流电，给电机馈电，通过改变其输出频率以改变电机的转速，以及实现压力的pid调节。
3.3.1 主要技术参数
额定容量:500kva;
额定电压:380v~415v ac ±10%;
额定电流:860a;
额定频率:50hz;
输出频率:0~600hz。
3.3.2 主要技术特点
(1) 丰富的控制功能
l 通过设定，可实现标量控制、无速度传感器矢量控制、伺服控制三种控制模式;
l 电机辩识、电机连接校验、速度环自整定;
l pid控制;
l 丰富的图形界面及编程、监控软件。
（2) 完善的保护功能
如过电流、过压/欠压、反馈、功率元件损坏等等都可对故障及故障产生时间进行记录，便于用户检查维护。
（3) 丰富的控制接口
siemens的6se71p系列变频器有丰富的控制接口可令用户通过正确的配置，实现模拟量输入/输出开头信号检测、控制、最大程度地满足用户的需要。
3.3.3 变频柜的组成
(1) 变频电源柜
变频电源柜的主要作用是主电路的通断、控制电源的分配。
(2) 整流柜
整流柜主要由晶闸管及其保护电路单元、电子板(触发控制、功率放大、通讯)、操作面板、电源模块等组成。结构简单，便于维修。
(3) 逆变柜
逆变柜主要由igbt及其保护电路、中间直流回路电容单元、电子板(控制单元、光纤触发单元、通讯等)操作面板、电源模块等到构成。
4 系统运行中的问题及解决办法
(1) 控制板的故障
在变频器拖动空压机空载试车时发现:变频器仅有a相输入电流和c相输入电流的一半，经过分析认为:这种现象是由于整流桥有一相晶闸管没有导通所致。为了进一步查清其原因，我们对整流桥晶闸管做了自测试，方法如下:设定整流单元p353参数=3，即在整流单元接到下次起动命令时，对可控硅做自测试，若无故障则p353参数自动复位到0。p353参数设定为3后重新起动整流单元，这时开始进行晶闸管自测试，等待大约1min，主接触器跳，显示出现f103故障，f103这个故障号表示可控硅故障，检查参数r949(r949参数显示故障具体内容)，r949=13，表示整流桥第13号晶闸管未被触发。检查触发线路未发现有任何损坏，而晶闸管阴极和控制极之间的电阻值为23ω，属正常，于是判断控制板出了故障。更换控制板后一切正常。
（2) 压力反馈信号干扰问题
在系统运行过程中，变频器出现原因不明的跳闸现象，经检查故障发生时间、故障号及故障具体内容，发现都是f037.2故障，即模拟输入2故障，而模拟输入2在设定中是作为压力反馈通道的，其输入信号类型设定为4~20ma，当其输入电流<2ma时即会发出f037故障。因此判断这是由于压力反馈信号受到干扰所致，于是加装了一台24v直流电源，单独对压力传感器供电，避免继电控制柜中继电器的通断对其产生的信号干扰，有效地解决了这个问题。
（3) 继电控制柜各开关量信号间干扰问题
