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英格索兰空气压缩机（以下简称空压机）在工矿企业生产中有着广泛的应用。它担负着为各种气动元件和气动设备提供气源的重任。因此空气压缩机运行的状况直接影响着生产工艺和产品质量。

1-1 空压机变频调速原理

空压机是一种把空气压入储气罐中，使其保持一定压力的机械设备，属于恒转矩负载，其运行功率与转速成正比：

PL=TLnL/9550

式中，PL为空压机的功率；TL为空压机的转矩；nL为空压机的转速。所以单就运行功率而言，采用变频调速控制其节能效果远不如风机泵类二次方负载显著，但空压机大多处于长时间连续运行状态，传统的运行方式为进气阀开、关控制方式，即压力达到上限时关阀，空压机进入轻载运行；压力达到下限时开阀，空压机进入满载运行。这种频繁地进行加减负荷的过程，不仅使供气压力波动，而且使空气压缩机的负荷状态频繁地变换。由于设计时压缩机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按照最大需求来选择电机的容量，故选择的电机容量一般较大。在实际运行中，轻载运行的时间往往所占的比例是非常高的，这就造成了巨大的能源浪费。

值得指出的是，供气压力的稳定性对产品质量的影响是很大的，通常生产工艺对供气压力有一定的要求，若供气压力偏低，则不能满足工艺要求，就可能出现废品。所以为了避免气压不足，一般供气压力要求值要偏高些，但这样会使供气成本高、能耗大，同时也会产生一定的不安全因素。

1-2 空压机加、卸载供气控制方式存在的问题

1． 空压机加、卸载供气控制方式的能量浪费

空压机加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在设定值Pmin~Pmax间来回变化。其中，Pmin为能够保证用户正常工作的最低压力值；Pmax为设定的最高压力值。一般情况下，Pmin、Pmax之间的关系可以用下式表示：

Pmax=（1+t）Pmin

式中，t的数值大致在10﹪～25﹪之间变化。若采用变频调速技术连续调节供气量，则可将管网压力始终维持在设定供气的工作压力上，即等于Pmin的数值。由此可见，加卸载供气控制方式浪费的能量主要在三个部分：

1） 压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量

当储气罐中空气压力达到Pmin后，加、卸载供气控制方式还要使其压力继续上升，直到Pmax。这一过程中需要电源提供压缩机能量，从而导致能量损失。

2） 减压阀减压消耗的能量

气动元件的额定气压在Pmin左右，高于Pmin的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin。这同样是一个耗能过程。

3） 卸载时调节方法不合理所消耗的能量

通常情况下，当压力达到Pmax时，空压机通过如下方法来降压卸载：关闭进气阀使空压机不需要再压缩气体做功，但空压机的电动机还是要带动螺杆做回转运动，据测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10﹪～15﹪，在卸载时间段内，空压机在做无用功，白白地消耗能量。同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空，这种调节方式也要造成很大的能源浪费。

2． 加、卸载供气控制方式的其他损失

1） 靠机械方式调节进气阀，使供气量无法连续调节，当用气两不断变化时，供气压力不可

避免地产生较大幅度的波动，从而使供气压力精度达不到工艺要求，就会影响产品质量甚至造成废品。再加上频繁调节进气阀，会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。

2） 频繁地打开和关闭放气阀，会导致放气阀的寿命大大缩短。

1-3  空压机变频调速控制方式的设计

1．空压机变频调速系统概述

变频器是基于交－直－交电源变换原理，集电力电子和微计算机控制等技于一身的综合性电气产品。变频器可根据控制对象的需要输出频率连续可调的交流电压。

由电动机知识知道，电动机转速与电源频率成正比：

n=60f(1－s)／p

式中，n为转速；f为输入交流电源频率；s为电机转差率；p为电机磁极对数。因此，用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电动机的电源电压，就可以方便地改变空气压缩机的转速。空压机采用变频调速技术进行恒压供气控制时，系统原理框图如图3-1所示。                                                                                                                                               

3-1  系统原理框图

变频调速系统将管网压力作为控制对象，压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给变频器内部的PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和频率，调整电机转速，从而使实际压力始终维持在给定压力。另外，采用该方案后，空压机电机从静止到稳定转速可由变频器实现软起动，避免了起动时的大电流和起动给空压机带来的机械冲击。  

正常情况下，空压机在变频器调速控制方式下工作。考虑到一旦变频器出现故障时，可由工频电源通过接触器直接供电，使空压机照常工作。

2.变频器的选择

由于空压机是恒转矩负载，故变频器应选用通用型的，如四方E380系列机型。又因为空压机的转速也不允许超过额定值，电机不会过载，一般变频器出厂标注的额定容量都有一定的裕量安全系数，所以选择变频器容量与所驱动的电机容量相同即可。

3.变频器的运行控制方式选择

由于空压机的运转速度不宜太低，对机械特性的硬度没什么要求，故可采用U／f控制方式。

4.控制原理说明

改造后，便于对空压机进行“变频运行”和“工频运行”的切换，控制电路采用三态切换按钮进行选择“工频运行”和“变频运行” ,  在变频运行过程中，如果变频器因故障而跳闸，通过报警扬声器和报警灯进行声光报警。同时，时间继电器得电，其触点延时一段时间后闭合，使电网接入接触器动作，电机进入工频运行状态。操作人员发现报警后，应及时将三态切换按钮旋至“工频运行”位置，这时，声光报警停止，并使时间继电器断电。这时便可以开始对变频系统进行检修。

5.压力变送器选用（贵公司已经选好）

6.四方变频器的功能预置

使用前对变频器做以下功能预置：

1）上限频率   由于空压机的转速一般不允许超过额定值，故

fH≤fN

式中，fH为设置上限频率，（F2．9） fN为额定频率。

2）下限频率   空压机采用变频调速后，其下限频率的预置要视压缩机的机种的工况而定，一般来说，其范围为

25Hz≤fL≤35Hz

3）加、减速时间  空压机有时需要在储气罐已经有一定压力的情况下起动，这时通常要求快一点的加速，故加速时间尽可能缩短（以起动过程不因过流跳闸为原则）；减速时间可参照加速时间进行预置（以制动过程不因过电压而跳闸为原则）。

4）升、降速方式  空压机对升降速方式无特殊要求，可设置为线性方式。

1-4  空压机变频调速后的效益

1．节约能源使运行成本降低

空压机的运行成本由三项组成：初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占空压机运行成本的80%。通过变频技术改造后能源成本降低20%，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟着降低，所以运行成本将大大降低。通过测算，使用变频器前空压机用电为55度／小时，使用变频器后加载电流为107A，卸载电流为45A，因采用PID控制，频率在27～46Hz，工作压力在0．6MPa左右，空压机用电量为38度／小时，每小时节电17度。按以下计算：每月节电量=17度×24小时×30天=12240度，若每度电按0．6元计算，则：每月节约电费=12240×0．6元／度=7344元。可见投资回报高，半年左右节约的电费就可以收回改造的投资。

2．提高压力控制精度

变频控制系统具有精确的压力控制能力，能使空压机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量匹配。变频控制空压机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制使电机的转速精度提高，所以它可以使管网的系统压力保持恒定，有效地提高了产品质量。

3. 改善空压机的运行性能

变频器从0Hz起动空压机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对空压机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使空压机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时的电流波动（这一波动电流会影响电网和其他设备的用电，变频起动能有效地将起动电流的峰值减少到最低程度）。根据空压机的工作状况要求，变频调速改造后，电机转速明显减慢，因此有效地降低了空压机运行时的噪音。现场测定表明，噪音与原系统比较下降约3～7dB。

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