摘 要: 本文介绍了空压机的工作情况,运用科陆CL2700高压变频器对空压机的改造,节能效果明显.
一、 引言
空压机在工业生产中有着广泛地应用。它担负着为所有气动元件，包括各种气动阀门，提供气源的职责。因此它运行的好坏直接影响生产工艺。空压机的种类主要有活塞式、螺杆式、离心式，但其供气控制方式几乎都是采用进气口调节与加、卸载控制方式的控制模式。
首先来了解一下空压机的基本工作原理。空压机结构复杂，运转时间长，配备的功率大。以活塞式空压机为例，在空压机工作过程中，活塞在气缸内作往复运动，周期性地改变缸内的容积，从而使气缸内气体容积发生变化，并与气缸内气阀相应的开启和闭合动作相配合，通过吸气、压缩、排气等动作，将自然气体或较低压力的气体（一级缸气体）升压，最终输出到储气罐内。为了满足设备的用气需求，储气罐内气体必须保持一定的压力，以作缓冲作用，加上设备自身的原因，空气压力变化幅度必然很大，通常采用切断进气的调节方式来改变排气量。理想状态是供气压力刚好满足需求，保持压力不变，实际上通过进气门控制起来不太理想，通常是空压机排气量大于实际用气量，空压机保持恒速运转，此时储气罐内气体越积越多，直到压力上升到设定的最高压力。通常采取以下两种方法解决高压问题：一是使空压机卸荷运行，保持运转但不产生气体，此时空压机消耗的功率一般在额定功率的30%左右，全是无用功；二是停止空压机的运行，这样看起来是节约了电能消耗，但是大功率电动机的启动会带来诸多问题，而且空气储存的容积有限，当气压低于下限压力值时，空压机再次以额定转速给储气罐加压，直到压力达到上限压力而停止运行，如此循环，如图1所示
图1 空压机的循环运行图
二、空压机加、卸载供气控制方式存在的电能浪费
2（1）交流异步电动机的转速公式为:
n=60f(1-s)/p
其中 n—电机转速 f—运行频率;
p—电机极对数 s—转差率;
2（2） 空压机加、卸载供气控制方式存在的问题
2.1 能耗分析
加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。Pmin是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示:
Pmax＝(1＋δ)Pmin
δ是一个百分数，其数值大致在15%～30%之间。
在加、卸载供气控制方式下的空压机，所浪费的能量主要在2个部分:
(1) 加载时的电能消耗
在压力达到最小值后，原控制方式决定其压力会继续上升直到最大压力值。在加压过程中,一定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。另外，空压机本身通过检测压力，自动调节进气门，一部分能量消耗在进气门上。
(2) 卸载时电能的消耗
当压力达到压力最大值时，空压机通过如下方法来降压卸载: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通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。据我们测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%～25%(这还是在卸载时间所占比例不大的情况下)。换言之，该空压机20%的时间处于空载状态，在作无用功。很明显在自动调节进气门与加卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。
2.2 其它不足之处
(1)靠机械方式调节进气阀，使供气量无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力不可避免地产生较大幅度的波动。用气精度达不到工艺要求。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) 频繁采用打开和关闭放气阀，放气阀的耐用性得不到保障。
三、 恒压供气控制方案的设计
电机型号:Y450-2
功率因数:0.87
额定电压:10KV
额定电流:35.1A
额定功率:500KW
额定转速:2975rpm
空气压缩机
额定流量:120 m3/min
额定压力:0.3MPa
变频器: 深圳市科陆变频器有限公司CL2700-10-0630-9QY高压变频器
控制模式：PID恒压控制
针对原有供气控制方式存在的诸多问题，采用深圳科陆变频器有限公司CL2700系列高压变频调速器对上述空压机进行恒压供气控制。采用这一方案时，我们可以把管网压力作为控制对象，压力变送器将储气罐的压力P转变为电信号送给PID智能调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器VVVF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。同时，该方案可增加工频与变频切换功能，并保留原有的控制和保护系统，另外，采用该方案后，空压机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击。
在以上PID恒压控制模式下，我们根据用户现场的需要，把压力设定值P0设定为0.25 Mpa，当用户生产用气量加大，管网压力低于0.25 Mpa时，变频器输出频率增加，电机转速加快，空气压缩量增大，压力随之上升；当生产用气量减少，管网压力高于0.25 Mpa时，变频器输出频率减小，电机转速减慢，空气压缩量减小，压力随之下降，始终使压力保持在0.25Mpa左右。
四、 改造效益
4.1 工频运行参数测量
电机运行参数：电压：10KV, 有功功率385KW,年运行时间约7200小时，电费0.8元/度；
空压机运行参数:进口阀门开度40%,出口阀门开度100%,出气口压力:0.25MPa。
4.2 变频运行参数测量
电机运行参数：运行频率46HZ, ,有功功率330KW，年运行时间约7200小时，电费0.8元/度；
空压机运行参数: 进口阀门开度80%，出口阀门开度100%，出气口压力0.25 Mpa。
4.3 经济效益
节约电功率：385-330=55（kW）
节电率：（385-330）÷385=14.28%
每年节约电能：55×7200÷10000=39.6（万度）
每年节约电费：39.6×0.8=31.68（万元）
4.4 附加经济效益
1)解决压力波动幅度大，提高精度。
2)解决阀门磨损成本和降低维修量。