毛亚红 中国铝业青海分公司， 青海大通810108 摘要 介绍了空压机的工作原理，分析了传统空压机供气系统存在的电能浪费问题，阐述了空压机变频控制原理及节能原理，提出了变频改造方案的设计方法，分析了空压机供气系统的变频改造达到的节能效果。 关键字 变频器；螺杆压缩机；节能改造 Abstract Keywords
0 引言
LU315W-500W 系列螺杆式空气压缩机是喷油单级螺杆压缩机。它采用联轴器直联传动，带动主机转动对空气进行压缩，通过喷油对主机内的压缩空气进行冷却，主机排出的空气+油的混合气体经过粗、精两道分离，以将压缩空气中的油分离出来，压缩空气中的水分进入冷却器进行气水分离后，最后得到洁净的压缩空气，气水分离器分离出来的水经过排污电磁阀被排出。冷却器用于冷却压缩空气和油。这种供气方式虽然原理简单、操作方便，但存在耗电量高、进气阀易损坏、供气压力不稳定等问题。随着国家节能减排政策的实施，企业越来越关注高效低耗的生产技术，故提出在空压机供气中应用变频调速技术，以此来改善空压机性能、提高供气品质，达到节能降耗的目的。
1 螺杆空压机的工作原理
螺杆压缩机是容积式压缩机中的一种，对空气的压缩是靠装置于机壳内互相平行啮合的阴阳转子的齿槽的容积变化而达到的。其工作原理是转子副在与它精密配合的机壳内转动，使转子齿槽之间的气体不断地产生周期性的容积变化，气体进而沿着转子轴线，从吸入侧被推向排出侧，这样就完成了吸入、压缩、排气三个工作过程，如图1所示。
2 系统工况存在的问题
空压机三相异步电机启动时虽然采用星-角降压启动，但启动电流仍然很大，对电网冲击较大，影响用电设备的平稳安全运行。传统空压机供气系统有两种工作状态：加载状态和空载状态。加载时消耗大量的电能，因为在加载压力达到最小值后，原控制方式决定其压力会继续上升直到最大压力值。而在加压过程中，要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，这一过程同样是一个耗能过程。卸载时同样消费电能，大多数人认为空载状态时不耗电，其实恰恰相反，空载状态时，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经放空阀放空来降压卸载。空转时尽管电流较加载时小（由68.5 A降到18 A），但这种调节方法同样会造成很大的能量浪费。据测算，在卸载时间少的情况下，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%耀25%，换而言之，该空压机有20%左右的时间处于空载状态，在作无用功。很明显，空压机在加、卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节电空间。
另外，电机工频起动对设备的冲击大，电机轴承磨损大，严重影响空压机的使用寿命。管网压力不稳定，供风不稳定，对生产造成间接影响，而且空压机运行时噪音非常大。
3 空压机变频控制系统
3.1 系统原理设计
空压机变频节能系统是由工控机、可编程控制器（PLC）、变频器、压力传感器、软件控制单元、空压机切换单元等组成，如图2 所示。其中，PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块等组成，用来实现电气部分的控制，包括起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断等五部分。
3.2 节能原理
螺杆式空压机运行方式是加载、卸载方式。在卸载时电机转速自身不能改变，电机在空转，电能被严重浪费。而采取变频控制，通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而控制管路的压力，达到稳定供风的目的。变频器控制的具体实现过程是，将通过压力变送器测得的管网压力值与设定压力值相比较，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出相应频率和幅值的交流电，控制电动机的转速，使空压机输出相应的压缩空气至储气罐，压力随之变化，以保持管网压力与给定压力值相同。
4 变频改造方案设计
根据原工况存在的问题并结合生产工艺要求，对空压机进行变频技术改造后，系统应满足以下要求。
1）控制方式上采用“一拖二”运行，即1 台变频器控制两台空压机组，通过转换开关切换，系统应具有变频和工频两套控制回路，采用开环和闭环两套控制回路。起动时，对两台电机M1，M2，可以通过转换开关选择变频/工频启动。正常运行时，电机M1 处于变频调速状态，电动机M2处于停机状态。现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经PID 指令运算，得到频率信号，调节转速达到所需压力。停止时按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。
2）确保变频出现异常保护时，不至于影响生产的正常进行。为了防止非正弦波干扰空压机控制器，变频器输入端应有抑制电磁干扰的有效措施。控制线、信号线采用屏蔽线缆，布线时要和动力电缆分开，防止引入干扰。
3）电机变频运行状态时保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不能超过依0.02 MPa。
4）注意在用气量小的情况下，变频器处在低频运行时，应保障电机绕组温度和电机的噪音不超过允许的范围。
5）空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损，所以工作下限应不低于25 Hz。
6）应设置安全阀、高压保护、高温保护、冷却水流量低保护、油过滤器堵塞报警、油精分离器堵塞报警、进气过滤器堵塞报警以及电气保护。除安全阀装置外，只要其他有一项出现问题都要紧急停机保护。一般会对空压机内部的冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测等设置报警及故障自诊断。
（1）安全阀装在分离油罐上，当调节系统万一发生故障，排气压力上升达到安全阀开启压力时，气体顶开阀芯向大气喷射，使分离油罐的压力下降，当压力下降到安全阀关闭压力时，安全阀自动关闭。
（2）高压保护当系统压力超过设定值时（额定工作压力+0.07 MPa），切断主机电源，使压缩机紧急停机。
（3）高温保护当压缩机排气温度超过调定值（115益）时，由接在主机排气孔口处的温度传感探头控制温度电触点动作，自动切断电动机电源，使压缩机紧急停机。
（4）冷却水流量低保护当水冷型缺水或水流量过低时，水流量开关动作，如果在20 s内，水流量还不恢复正常，且排气温度已升到110益，则自动切断电动机电源，压缩机停机。
（5）油过滤器、油精分离器、进气过滤器堵塞报警当油过滤器、油精分离器、进气过滤器堵塞，压差超过设定值时，压差发讯器动作，面板显示屏提示更换新件。
（6）电气保护系统采用软启动方式，具有相序保护（防止压缩机反转）、缺相保护、电机热过载保护等功能。
5 变频器的选择
对系统进行变频改造时，应保持原有设备主电路和控制电路的完整性，尽量对其电路不作改动；这有利于在变频器发生故障或是检修时，可以很方便地将空压机改回到原有的控制方式上去，这保证了空压机在变频和工频状态下都可以运行。为使系统能够满足工况要求，采用的变频器应具有：
1）采用32 位电机控制专用微处理器，高精度频率输出；
2）新颖的功率累计功能，观察节能效果更直观方便；
3）内置RS-485 接口，可计算机联网控制，多信号输入，内置简易PLC，自动化控制更方便；
4）控制方式多样化，通用性强；
5）内置PID 调节功能，闭环控制简单，低速额定转矩输出，运行稳定；
6）键盘操作方便，可在运行时在线调整和设定有关参数；
7）低频转矩输出180%，低频运行特性良好；
8）全方位的侦测保护功能（过压、欠压、过载）瞬间停电再起动；
9）加速、减速、动转中失速防止等保护功能；
10）减速停止成自然停止，自动复归，多样的变频器运行状态参数显示，可对控制信号和负载运行状况一目了然。
6 节能效果分析
空压机改造前测试参数为：电机功率450 kW，运行时间24 小时/天，一年运行360 天，平均每天运行1.5 台，加载时间为15 s，减载时间15 s，加载电流为50 A，减载电流为20 A。变频改造后，经检测其节电率为30%以上，电费按0.3 元/kW·h 计算，则年节电量W 节电量=24伊360伊450伊30%伊1.5=1.75伊106（kW·h），那么每年可节约费用为1.75伊106伊0.3越52.488（万元）。
可见采用变频器控制压缩机，节约能源，根据空气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行，节电效果明显。此外，改造后系统还存在其他优点，如有效地降低了空压机运行时的噪音，提高了压力控制精度；延长了压缩机的使用寿命；两套控制回路可保证系统的正常、安全运行，自动化程度高，克服原系统手动调节的缺点。
作者简介：
毛亚红（1976-），女，陕西兴平市人，本科，电气工程师，从事电解电气设备的技术管理工作，在国家级刊物上发表过多篇论文。
参考文献：
