本文對空壓機進(jìn)行了變頻節(jié)能改造分析，提出一種空壓機變頻節(jié)能改造方法。

變頻改造的可行性分析

由流體力學(xué)的相關(guān)知識可知，縮機、風(fēng)機及泵類等設(shè)備都屬于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其壓力、功率和流量滿足如下關(guān)系：流量和轉(zhuǎn)速是正比例關(guān)系，壓力和轉(zhuǎn)速的平方是正比例關(guān)系，軸功率和轉(zhuǎn)速的立方是正比例關(guān)系，因此，若電動機的轉(zhuǎn)速有所下降時，其軸功率將發(fā)生大幅度的下降。

例如當(dāng)流量為加載流量的75%時軸功率將下降到額定功率的49%。從上述原理中我們可以得到對空壓機進(jìn)行變頻控制設(shè)計的思路，即將壓力傳感器安裝在空壓機的出口處，以此來獲得所需要的電流信號。

若系統(tǒng)的用氣量減小，則此時將出現(xiàn)空壓機出口壓力升高的現(xiàn)象，壓力傳感器的阻值將降低，通過24V直流的電源就可以將壓力傳感器的阻值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流信號，從而增大了其對變頻器的輸入信號，最后通過與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較后得到偏差來減小變頻器調(diào)節(jié)輸出電源的頻率，此時即可降低電動機和壓縮機的轉(zhuǎn)速，同時減小了排氣量。

當(dāng)系統(tǒng)的用氣量增大時，其整體壓力將逐漸降低，此時變頻器所輸出的電源頻率將逐漸升高，進(jìn)而使得電動機的轉(zhuǎn)速和排氣量都增大，此時采用變頻器進(jìn)行調(diào)速即可滿足系統(tǒng)的用氣要求，當(dāng)所調(diào)節(jié)的用氣量和供氣量保持平衡時，變頻器即會在該點穩(wěn)定運行，這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)的恒壓運行，同時能夠保證系統(tǒng)一直運行在最經(jīng)濟的狀態(tài)下。整個控制系統(tǒng)的原理如圖1所示：

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

變頻調(diào)速技術(shù)對空壓機改造的應(yīng)用

1 空壓機變頻控制改造的需求

通?？諌簷C所帶的負(fù)荷是非常大的，且其啟動方式多為星形三角啟動，當(dāng)啟動完成后要迅速進(jìn)行負(fù)載的裝載，這就使得空壓機的啟動電流瞬間達(dá)到其額定運行電流的4~7倍，對電源造成嚴(yán)重的沖擊，加速設(shè)備的老化的同時影響正常生產(chǎn)，降低了相關(guān)設(shè)備的使用壽命[3]。由于普通的空壓機是無法進(jìn)行調(diào)速的，因此無法對其使用壓力或流量來實現(xiàn)降速的目的，同時在正常運行的過程中空壓機也是無法進(jìn)行頻繁啟動的，這就使得空壓機需長期保持高損耗運行，造成了資源的嚴(yán)重浪費。

由于變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)電效果好，調(diào)速能力和適應(yīng)能力強，且平滑的變速性能和軟啟動方式能夠降低啟動和變速中對機械的沖擊，減小了設(shè)備的損耗，延長了設(shè)備的使用壽命。同時由于電機運行時頻率可以改變，在氣量較小的時候可以降低電機的速度，這就是實現(xiàn)了在不需要對空壓機進(jìn)行加載和卸載的條件下完成了對空壓機輸出功率的調(diào)節(jié)，進(jìn)而大幅提高了電機的運行功率，使氣壓供氣系統(tǒng)保持在一個相對穩(wěn)定的工況下運行，實現(xiàn)了節(jié)能的目標(biāo)。

通過以上分析我們可以發(fā)現(xiàn)對空氣壓縮機進(jìn)行變頻改造可以實現(xiàn)節(jié)約能源、降低運行成本，延長設(shè)備的使用壽命，提高控制的精度等特點，能夠從根本上改善空壓機的運行工況和成本。

2 空壓機的變頻調(diào)速改造要求

在對空壓機進(jìn)行變頻改造時，應(yīng)保證儲氣罐出口壓力穩(wěn)定，其波動的范圍在生產(chǎn)要求范圍之內(nèi)，同時系統(tǒng)應(yīng)具備工頻和變頻兩種控制回路，工頻控制作為變頻控制出現(xiàn)故障時的備用控制，根據(jù)空壓機工況和轉(zhuǎn)矩特征進(jìn)行改造，在變頻器的輸入端可加載一些抗干電磁干擾元件以增強空壓機對外界干擾的抵抗能力，若生產(chǎn)工藝發(fā)生改變，則應(yīng)保證改造后的變頻控制系統(tǒng)利用橫氣壓和變流方式實現(xiàn)對供氣氣壓的調(diào)整。

空壓機變頻調(diào)速節(jié)能改造的實例分析

1 對空壓站的改造

在對空壓機進(jìn)行改造時如果其空壓站的設(shè)備型號是統(tǒng)一的，則此時只需配備一臺變頻空壓機，也就是只需對一臺設(shè)備進(jìn)行改造，其他設(shè)備只需配合即可達(dá)到改造的目標(biāo)。若空壓站所產(chǎn)生的耗氣量小于一臺空壓機的空氣量，則此時可以利用變頻空壓機完成供氣，反之則需要啟動普通空壓機來完成補償，使其處在加載狀態(tài)就可以實現(xiàn)與變頻設(shè)備聯(lián)動的工況，此種方式就是利用變頻空壓機來維護供氣系統(tǒng)的平衡而降低能耗。

2 具體控制措施

在對空壓機進(jìn)行啟動時，由于其內(nèi)部仍保留著少量氣壓，這就要求變頻器反應(yīng)速度較快，因此，此時多選用LG變頻器。采用閉環(huán)自動的調(diào)節(jié)方式，根據(jù)對壓力傳感器所檢測的空壓機出口信號進(jìn)行變換來調(diào)節(jié)單臺壓縮機的轉(zhuǎn)速，通過PLC及變頻器的控制來保證電機的最小輸出功率。不但實現(xiàn)了精確的壓力控制，而且通過電機的軟啟動延長了相關(guān)設(shè)備的使用壽命，且當(dāng)PLC及變頻器發(fā)生故障時，可將運行方式自動切換到原軟啟動柜工頻電源運行，保證了壓縮機能夠正常工作，相關(guān)的改造方案如圖2所示：

圖2 改造方案圖

3 經(jīng)濟效益分析

應(yīng)用這種方法對空壓機變頻節(jié)能進(jìn)行改造，其經(jīng)濟效益如下：

(1) 年平均總電量=總功率×實際用電功率比例×每天平均運行時間×每年平均運行天數(shù)=97 kW×0.75×20 小時/天×300天/年= 436500度/年；

(2) 年平均耗電費用=年總用電量×電價=436500度/年×0.79 元/度= 344835元/年；

(3) 節(jié)電設(shè)備年折舊費=節(jié)電設(shè)備總價/10年=90000元/10年=9000元/年；

(4) 年節(jié)電效益=(年耗電量×電價)×預(yù)期節(jié)電率-節(jié)電設(shè)備年折舊費=436500元/年× 15 %-9000元/年=65475元/年-9000元/年=56475元/年；

(5) 投資成本（合計）：90000元；

(6) 投資回收期=投資成本÷年節(jié)電效益=90000元÷56475元/年= 1.59 (約為18個月)預(yù)期總收益=產(chǎn)品有效使用年限×年節(jié)電效益=10年×56475元/年 =564750元。

由于該節(jié)電產(chǎn)品使用年限可達(dá)10年以上，因此其會帶來非常大的經(jīng)濟效益。

結(jié)論

通過對電機輸入電流頻率的改變實現(xiàn)了變頻調(diào)速，達(dá)到了對電機轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制的目的。利用該項技術(shù)能夠解決空壓機啟動、加載和卸載過程中出現(xiàn)的大量消耗電能的現(xiàn)象，不但降低了工況改變所帶來的能源浪費，而且?guī)砹丝捎^的經(jīng)濟效益。

本文編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“空壓機變頻節(jié)能改造新方法分析”，作者為王冠宇。