变频器在螺杆式空压机上的应用
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摘 要：随着变频调速技术的迅速发展，其调速技术愈加成熟并在工业领域广泛使用。根据螺杆式空压机实际使用过程中存在能耗大，噪音大的情况，利用变频器对螺杆式空压机进行节能改造。通过实际改造结果对比，节能效果明显，可广泛推广。
关键词：螺杆式空压机；变频调速；变频器；节能改造；节能减排
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.180
0 前言
螺杆式空压机由于其可以根据生产所需气量的变化自动进行加载-卸载工作，且其运行性能及使用效果较好，如今已在工业领域广泛使用。但螺杆空压机在实际应用中，由于受现场设备的工作状况或者不同的生产工艺流程的影响，用气量会根据这些影响因素的不同而随之变化，由此造成空压机频繁加载、卸载。根据空压机的控制原理，卸载后其电机仍处于运行状态，既浪费电能又增加机械设备的磨损。同时，一般空压机电机功率都较大，多采用星-三角启动方式启动，这使得空压机在启动时会有较大的启动电流，加载和卸载的瞬时对设备机械造成较大冲击；不但造成电压波动，影响到其他用电设备的运行安全，而且输出压力靠卸载阀来调节，其调节速度慢，波动大，精度低，也会使压缩气源有较大的波动；同时空压机的启动电流高达5～8倍额定电流，频繁的加、卸载还会加速设备的磨损，降低设备的使用年限。如何使设备能运行在更好的状态并保证气源符合生产需要，是我们要考虑解决的问题。
1 螺杆空压机节能改造的可行性
螺杆空压机包括压缩机（主机）、电动机、气路系统、油路系统、电气控制调节系统及安全保护系统（原理如图1）。其电气控制系统普遍采用后端管道上安装的压力传感器来控制空气压缩机的运行。空压机启动时，加载阀处于不工作状态，空压机头进气口关闭，电机空载启动。电动机正常运行后，在低于下限设定压力时，加载阀工作，大量空气通过空滤进入主机内，压缩机开始负载工作。当气压达到卸载压力时，此时加载阀关闭，隔断空气进入主机，压缩机处于卸载状态运行，但此时电动机仍处于运行状态，此时功耗约占满载时的30%～50%。可见，如解决长时间空载运行问题将可节省一部分电能消耗。
同时对空压机进行变频改造，能够使电机实现软起软停，避免了瞬时启停造成对设备的冲击，延长设备使用年限；而且由于电机运行频率可变，由此空压机可根据用气量的大小自动调节电机转速，减少了电机频繁的加载和卸载，既维持了供气系统气压稳定，又可降低了空压机的能耗。
2 变频改造的实际应用
空压机的变频控制系统原理如下：通过系统压力传感器对气源压力的检测，所获得的检测值与变频器的压力设定值比较，经变频器的PID运算获得作用于电动机的频率值，通过改变输出交流电的频率和幅值，从而实现调节电动机的转速，空压机根据实际工况运行，使压缩空气压力变化，直至气源压力与设定压力值达到平衡。空压机变频控制系统原理图如图2：
我司的两条生产线的压缩空气供给原来由六台螺杆式空压机分别进行供气，各台空压机的运行情况如下：
改造前1#线由2台75KW及1台37KW空压机进行供气，2台75KW为开一备一，37KW的作为辅助；2#线由3台132KW空压机进行供气，开一备二。在正常生产时，两条线空压机平均日消耗电能为5500千瓦时（24小时运行）。
根据变频器改造原理，对我司3台132KW螺杆式空压机进行了变频改造：
（1）在各台空压机主回路接入一台变频器，保留原星-三启动主回路的接触器作为电动机绕组连接回路，在电动机绕组完成星-三转换后才由变频器启动输出到电动机。
（2）空压机原有控制回路（见图3）保留使用，只是把原电动机运行电流检测的互感器CT1移到变频器输入电源前安装，作为过载保护检测；并在交流接触器KM3（角形接法接触器）取一常开辅助触点连接到变频器FWD及CM端子，作为变频器启动控制信号；将空压机相关参数进行修改：原星角延时由6秒改为3秒，加载延时时间由2秒改为15秒，主机启动时间由8秒改为20秒，以使变频器在20秒内完成启动过程后才进行加载。
（3）在每台储气罐安装一个压力传感器作为供气管网压力检测，检测信号接入变频器模拟输入端子AI2及GND，与变频器PID参数中的压力设定值进行比较，通过变频器自带的PID功能进行调节输出相应的频率和幅值的交流电，使电动机的转速进行相应调速，以达到调节供气压力的目的，使之与设定压力一致。
（4）由于我司有六台空压机，一般生产运行两台132KW空压机可满足要求，另外的四台可作为备用，即使有一台变频器坏也可以转用备用空压机，所以，为简化线路本次改造没设置工频旁路线路。
（5）空压机运行控制由中控进行控制运行、停止及切换空压机，无需另外增加PLC及触摸屏作为现场控制，减少投入及简化线路。
改造后对两条生产线实行集中供气，从运行3个月情况看，正常生产平均每天空压机消耗电能约为4500千瓦时，相对于原来的5500千瓦时空压机电能降低了消耗18%左右。以我司生产运行需要，保持两台132KW的螺杆式空压机运行为例，按全年运行时间300天（每天24小时运行），电费按0.6元/度，改造后每天节电约1000度，则每年可节省电费300×1000×0.6=180000元，投资成本约在半年左右全部收回（两台变频器选用国产产品）。同时，变频改造后还可带来其他益处：（1）供气气压稳定，排气温度基本恒定，使供气质量提高；（2）减少设备高速运转状态，油使用寿命延长，降低油消耗；（3）实现设备软启动，避免了电气及机械的冲击，大大延长了设备使用寿命及检修周期，设备的日常维护费用相应降低；（4）进气阀的开闭次数大为减少，避免了其频繁动作而损坏；（5）基本上空压机都运行在额定转速之下，其运行噪音有明显降低。
此外，该系统可根据现场实际情况由现场进行启停控制，或者设置“现场”及“中控”控制转换开关，根据需要进行转换控制方式。
3 变频改造的注意事项
（1）尽可能维持原有设备电路的完整性，对其改动越少越好；这有利于在变频器发生故障或是检修时，使空压机可以根据需要在变频和工频之间进行选择，同时也可以在改造时不用对原有PLC程序进行修改。
（2）如没有配置备用空压机，尽量保留空压机原有的运行电气线路，并设置旁路电气线路，这样在变频器出故障时，可以很快切换到原有的模式下运行，降低了对生产所造成的影响。
（3）由空压机原角形交流接触器控制变频器的启动信号，即在星形接触器吸合时变频器不启动，待角形接触器吸合时，通过其常开辅助触点吸合才启动输出。
（4）延时加载时间要保证变频器正常运行后才加载，以避免变频器由于低频运行造成的过负荷跳停。
（5）一般要对变频器的下限运行频率重新设置（我司为30赫兹），下限值设置不当，会造成油气分离器无法对油气进行有效分离，从而出现漏油现象，造成油的浪费。但要下限频率值的设定要根据所使用的空压机型号而定，因为空压机其机械配合磨损和效率不尽相同，其不漏油的下限频率要求也相同。
（6）为避免由于压力超限而发生事故，压力传感器其安装位置选择必须恰当。不能安装在过滤器或是阀门的后面，要尽量靠近空压机，而且压力传感器和空压机之间严禁安装任何阀门元件，以防过滤器堵塞或是阀门关闭后，空压机不停机而发生爆炸危险。
（7）保留空压机原有控制线路及保护功能，既可保证设备运行安全，又节约了投资成本。
4 结语
变频调节技术在压缩机、风机和泵类等流体设备的应用，是实现节能运行的重要途径，是节能减排的一项重点推广技术。变频技术的应用，既提高生产效率及降低能耗，又促进生产工艺水平的提高，并由此降低了设备维护、维修费用，直接和间接经济效益十分明显。因此，在使用到压缩机、风机和泵类等流体设备的行业中，特别是工业领域，可结合自身实际情况推广实施此项技术，对推进节能减排，保护环境具有很大实际效果。
参考文献：
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