空壓機變頻節能解析
一、空壓機節能改造原理
1、螺桿空壓機工作原理介紹：空壓機的工作原理是由一對相互平行嚙合的陰陽轉子(或稱螺桿)在氣缸內轉動，使轉子齒槽之間的空氣不斷地產生周期性的容積變化，空氣則沿著轉子軸線由吸入側輸送至輸出側，從而實現空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。空壓機的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉子的槽及陽轉子齒被主電機驅動而旋轉。
2、原空壓機系統工況的問題分析：
a) 主電機雖然以星三角降壓起動，但起動時的電流仍然很大，會影響電網的穩定及其它用電設備的運行安全。
b) 主電機時常空載運行，屬非經濟運行，電能浪費最為嚴重。
c) 主電機工頻起動設備的沖擊大，電機軸承的磨損大，所以對設備的維護量大。
d)主電機工頻運行致使空壓機運行時噪音很大。
3、空壓機節能改造的必要性：鑒于以上對空壓機的原理說明以及目前的工況分析，我們認為對空壓機的節能改造是必要的，這樣不僅能夠節約大量的運行費用，降低生產成本，同時還可以降低空壓機運行時產生的噪音，減少設備維護費用。
二、變頻節能改造應用優化分析
節能改造設計要求根據原工況存在的問題并結合生產工藝要求。空壓機變頻改造后系統應滿足以下要求：
1、電機變頻運行狀態保持儲氣罐出口壓力穩定，壓力波動范圍不能超過±0、2bar。
2、系統應具有變頻和工頻兩套控制回路。
3、根據空壓機的工控要求，系統應保障電動機具有恒轉矩運行特性。
4、為了防止非正弦波干擾空壓機控制器，變頻器輸出端應有抑制電磁干擾的有效措施。
5、在用電氣量小的情況下，變頻器處在低頻運行時，保障電機繞組溫度和電機的噪音不超過允許的范圍。
6、考慮到系統以后擴展問題，變頻器滿足將來工控擴展的要求。
7、在該變頻器上端加裝輸入電抗器，有效的抑制了變頻器對電網的干擾。
三、空壓機變頻節能改造的優點
1、節能變頻器控制壓縮機與傳統控制的壓縮機比較，能源節約是最有實際意義的。根據空氣量需求來供給的壓縮機工控是經濟的運行狀況。節省電費約20%以上，約半年即可回收投入的資金。
2、運行成本降低。傳統壓縮機的運行成本由三項組成：初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本大約占壓縮機運行成本的77%。通過能源成本降低44、3%，再加上變頻起動后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。
3、提高壓力控制精度，變頻控制系統具有精確的壓力控制能力，使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，所以它可以使管網的系統壓力變化保持在±0、2bar范圍內，有效地提高了工況的質量。
4、延長壓縮機的使用壽命。變頻器從0Hz起動壓縮機，它的起動加速時間可以調整，從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。
5、降低了空壓機的噪音。根據壓縮機的工況要求，變頻調速改造后，電機運轉速度明顯減慢，因此有效地降了空壓機運行時的噪音。現場測定表明，噪音與原系統比較下降約3至7分貝。
6、此外，變頻控制能夠減少機組起動時電流波動，這一波動電流會影響電網和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減少到最低程度。
空壓機變頻控制解決方案
系統概述
空氣壓縮機組是很多企業的必備設備。根據工地用氣狀況，需要控制空氣壓縮機的開、停（如定期檢修、故障緊急停止等），通過變頻器控制壓縮速度以適應隨即變化的用風情況達到節電目的。所有這些要求順序操作相應開關、閥門和控制變頻器來完成。運行中，要求經常檢測機組狀況，在溫度、壓力、電機額定電流等超過允許值時應緊急停車。壓力過大要求變頻器降低電機轉速，必要時停止部分空壓機。所有這些采用人力監視的缺陷是：24小時監視人員容易疲勞，很不安全，且浪費人力資源。因此采用工控機自動智能監測解決方案正在得到廣泛應用。
某礦區有三臺V-6/7電動固定水冷式空氣壓縮機組，要求是遠程操作自動啟停，參數異常自動停車，變頻節能運行。由于礦區電壓不穩，特別是空壓機的開停對電網的干擾很大，振動強、灰塵多、環境惡劣，需要24小時不間斷工作，為確保系統的安全穩定，本系統控制核心采用研祥工控機I-P10S22，整體解決方案如下。
系統組成
一、 需要檢測的點
1、 電量信號檢測裝置：檢測主電機電流1點，及總電源的3相電壓共3點。
2、 壓力信號檢測裝置：檢測1級缸、2級缸及儲風缸壓力3點。
3、 溫度信號檢測裝置：檢測1級缸排氣溫度、2級缸進氣溫度、2級缸排氣溫度、油溫、曲軸軸承溫度2點、電機軸承溫度2點以及冷卻水出口溫度共9點。
共計：（1+3+9）X3+3=42點
二、關鍵設備
1、 I-P10S22工控機：“祥捷 I-P10S22”工控機是國內最大的工控機設計生產公司研祥產品，由IPC-810A機箱、IPC-6113LP4底板、FC-1622VDNA工業級CPU長卡、工業電源PS-270A……等等組成，質量有保證，系統的安全系數大大提高。
2、 PCI-64AD數據采集卡： 64通道高增益多功能DAS卡（PCI總線接口），在此系統作為32路差分模擬信號進行A/D轉換，負責對檢測點模擬量輸入信號進行定量數據采集。
3、 PCI-16P16R控制卡：是一個16通道的繼電器輸出和隔離的緊湊型PCI總線數字D/I卡，提供16路繼電器輸出和16路光隔離數字輸入。板上16繼電器輸出用于控制功率開關或開關控制設備（如冷卻水泵開關，進氣閥、排氣閥開關、主電機開停等等），16路光隔離數字輸入用于監測點的“開關量信號”輸入（如高溫報警點、壓力最大閥值等等）。
4、 變頻控制器：由工控機控制其運行，通過改變輸出電壓頻率改變電機轉速，以改變空壓機壓速速度。
系統框圖
空壓機變頻自控系統改造方案
（一拖五）
1、空氣壓縮機的概況：
1.1空氣壓縮機的工作原理
我們知道，壓縮機在1640年由德國試制成功到目前已有幾百年歷史。壓縮機是一種將氣體壓縮從而提高氣體壓力或輸送氣體的機器，例如：螺桿式空壓機原理。
1）吸氣過程：
螺桿式的進氣側吸氣口，必須設計得使壓縮室可以充分吸氣，而螺桿式壓縮機并無進氣與排氣閥組，進氣只靠一調節閥的開啟、關閉調節，當轉子轉動時，主副轉子的齒溝空間在轉至進氣端壁開口時，其空間最大，此時轉子的齒溝空間與進氣口之自由空氣相通，因在排氣時齒溝之空氣被全數排出，排氣結束時，齒溝乃處于真空狀態，當轉到進氣口時，外界空氣即被吸入，沿軸向流入主副轉子的齒溝內。當空氣充滿整個齒溝時，轉子之進氣側端面轉離了機殼之進氣口，在齒溝間的空氣即被封閉。
2）封閉及輸送過程：
主副兩轉子在吸氣結束時，其主副轉子齒峰會與機殼閉封，此時空氣在齒溝內閉封不再外流，即[封閉過程]。兩轉子繼續轉動，其齒峰與齒溝在吸氣端吻合，吻合面逐漸向排氣端移動。
3）壓縮及噴油過程：
在輸送過程中，嚙合面逐漸向排氣端移動，亦即嚙合面與排氣口間的齒溝間漸漸減小，齒溝內之氣體逐漸被壓縮，壓力提高，此即[壓縮過程]。而壓縮同時潤滑油亦因壓力差的作用而噴入壓縮室內與室氣混合。
4）排氣過程：
當轉子的嚙合端面轉到與機殼排氣相通時，（此時壓縮氣體之壓力最高）被壓縮之氣體開始排出，直至齒峰與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時兩轉子嚙合面與機殼排氣口這齒溝空間為零，即完成（排氣過程），在此同時轉子嚙合面與機殼進氣口之間的齒溝長度又達到最長，其吸氣過程又在進行。
首先，空壓機的驅動軸上所需要的軸功率，與排氣壓力、空壓機轉速有直接的關系，也就是說，在實際運行中，由于壓縮空氣的使用隨時在變化，空壓機并不經常在額定工況下運行，而空壓機排氣壓力的高低則直接影響到實際軸功率的大小。排氣壓力越高，所需軸功率也越大。
其次，為滿足用氣量的隨時變化要求，儲氣罐內氣體必須保持一定的壓力，目前大多數空壓機均采用切斷進氣的調節方式來改變排至儲氣罐的氣量。對于空壓機氣量的供求關系表現為排氣壓力的變化，空壓機排氣量正好滿足生產用氣量要求時，儲氣壓力保持不變，若能維持這種狀態當然最佳，但實際上用氣量是隨時變化的，而且設計冗余量較大，所以空壓機排氣量都要大于用氣量，如果空壓機仍恒速運轉，則儲氣罐內的氣體越積越多，當罐內壓力上升達到設定壓力時，一般采用兩種辦法：一種是空壓機卸荷運行，不產生壓縮氣體，電動機處于空載運轉，其用電量仍為滿負載的30-60%，這部分電能被白白浪廢掉。另外一種辦法是停止空壓機運行，這樣似乎空壓機空轉或不斷放空所浪費的電能被消除了，但是若無容積較大的儲氣罐，將會帶來電動機的頻繁啟動，空壓機的空載啟動電流大約是額定電流的5-7倍，對電網及其它用電設備沖擊較大，同時使空壓機的使用壽命也會縮短。
空氣壓縮機在國民經濟和國防建設的許多部門中應用極廣，特別是在石油、化工、動力等工業領域中已成為必不可少的關鍵設備，是許多工業部門工藝流程中的核心設備。提供自動化生產所需的壓縮空氣足夠的供氣壓力，是生產流程順暢之要素，瞬間的壓降，即會影響產品品質。所以，空壓機的自動化和節能控制也日益受到用戶單位的關注和重視。
1.2原系統存在的問題
由于原有空壓機為五臺，在生產任務多的情況下，開一組空壓機不能滿足使用要求，要開啟第三臺空壓機，但是在第三臺空壓機開啟的情況下，氣壓又比較富裕，只能將富裕的氣壓排放掉，造成能源的大大浪費。而且原有空壓機為分立單臺機器，開停和排放氣操作都要有人工操作，一方面不方便，造成人力資源負擔，另一方面，由于人工切換操作極易造成氣壓不穩定，影響使用和造成產品質量不穩定等現象。
空壓機工頻起動時的沖擊大，電機軸承的磨損大，所以設備維護量大。雖然使用了降壓啟動，但起動時的電流仍然很大，會影響電網的穩定及其它用電設備的運行安全，而且大多數是連續運行，由于一般空氣壓縮機的拖動電機本身不能調速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現降速調節輸出功率的匹配，電機不允許頻繁啟動，導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，電能浪費巨大。空壓機在經常卸載和加載時會導致整個氣網壓力經常變化，不能保持恒定的工作壓力。空壓機的有些調節方式（如調節閥門或調節卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉速不變，電機功率下降幅度比較小。
綜上所述，若能采用自動控制和變頻調速技術，將五臺空壓機實行自動控制，可以實現互為熱備自動運行，穩定輸出生產要求所需的穩定氣壓，減少機械維修工作量，延長空壓機的使用壽命，另外當流量需要量減少時，就可降低電動機的轉速，從而較大幅度減小電動機的運行功率，也可以實現節能的目的。
相應帶來的其它好處是：改用自動控制方式后五臺空壓機可以互為熱備輪流使用，輔以壓力閉環控制供氣壓力穩定，通過壓力調節器，可使空壓機保持在設定的壓力值下工作，壓力穩定可靠性高，而且壓力可以無級設定，隨時可調。電機實現軟啟動，壓縮機的使用壽命及檢修周期都將得到大大延長。空壓機排氣量由空壓機的轉速來控制，氣缸內氣閥片不再反復地開啟和關閉，閥座、彈簧等工作條件大大改善，避免了高溫、高壓氣體急劇的流動與沖擊，維修工作量減少。
2. 變頻自控系統改造方案設計要求
根據原工況存在的問題并結合生產工藝要求，空壓機變頻自控改造后系統應滿足以下要求：
1) 變頻驅動電機運行狀態下保持儲氣罐出口壓力穩定，壓力波動范圍不超過±0.02Mpa；
2) 系統應具有變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現異常跳脫保護時，不影響生產；
3）控制系統應能夠壓力狀況自動切換空壓機的工變頻運行狀態和增減空壓機的運轉臺數；
4)在用電氣量小的情況下，變頻器處在低頻運行時，應保障電機繞組溫度和電機的噪音不超過允許的范圍。
3. 空壓機變頻改造的注意事項
1) 空壓機是大轉動慣量負載，這種啟動特點就很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動時出現跳過流保護的情況，需要選用具有高啟動轉矩的變頻器，保證即能實現恒壓供氣連續性，又保證設備可靠穩定的運行；
2) 空壓機不允許長時間在低頻下運行，當空壓機的轉速過低，一方面將使空壓機的工作穩定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會加快磨損。
3)為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減小電機運行噪音和溫升，提高電動機的穩定性。
4. 變頻調速改造方案
根據貴公司目前使用情況，目前共有五臺75KW空壓機，型號相同。本方案選用一臺變頻器輪換去驅動五臺空壓機，這樣在自動控制系統運行時，實現整個空壓站的恒壓自動控制，該系統可以根據儲氣罐壓力的變化，自動調節空壓機的轉速和空壓機的運轉臺數，自動控制系統可以實現五臺空壓機互為熱備輪流使用。
4.1 系統工作原理概述
本自動控制系統以輸出壓力作為控制對象，采用標準功能矢量變頻器和遠傳壓力變送器SP，組成閉環恒壓控制系統，所需壓力值可由壓力設置調整控制器直接操作,現場壓力由變送器來檢測,反饋到壓力設置調整控制器，壓力設置調整控制器通過PID進行比較計算，從而調節變頻器的輸出頻率，并由控制器自動控制系統來控制空壓機的工變頻切換和運轉臺數，達到空壓機恒壓供氣的要求。
5、空壓機變頻自控系統改造后的益處
1、節約能源
變頻器控制壓縮機與傳統控制的壓縮機比較，能源節約是最有實際意義的，根據空氣量需求來供給的壓縮機工況是經濟的運行狀態。
2、運行成本降低
傳統壓縮機的運行成本由三項組成：初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本和維護成本大約占壓縮機運行成本的主要部分。通過能源成本降低，再加上變頻起動后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。
3、提高壓力控制精度
變頻控制系統具有精確的壓力控制能力，使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，所以它可以使管網的系統壓力變化保持在穩定的變化范圍，有效地提高了工況的質量。
4、延長壓縮機的使用壽命
變頻器從0HZ起動壓縮機，它的起動加速時間可以調整，從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機組起動時電流波動，這一波動電流會影響電網和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減少到最低程度。
5、降低了空壓機的噪音
根據壓縮機的工況要求，變頻調速改造后，電機運轉速度明顯減慢，因此有效地降低了空壓機運行時的噪音。
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