空压机变频改造节能技术的研究与应用

梁艳娟

（广西工业职业技术学院，南宁 530001）

0 引言

空压机是工厂里最重要的机器设备之一。空压机供气领域能否应用变频调速技术，在节省电能的同时改善空压机性能，提高供气品质，降低生产设备的故障率，延长设备的使用寿命备受社会各界关注。只有解决节能这一全球性问题，才能提高企业的竞争力。为节约能源，对企业中原有的工频空压机进行技术改造，将变频调速技术引入空压机领域，尝试用变频控制取代原有控制模式，是近年来各企业争相研究的重要课题。目前企业中工频空压机的运用仍非常普遍，空压机变频改造市场非常巨大。

1 空压机概况

空压机，是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备，简单地说空压机就是一种提供压缩空气的机器，担负着为工厂所有气动部件提供气源的职责，它在国民经济和国防建设的许多部门中应用极广，特别是在纺织、化工、动力等工业领域中已成为必不可少的关键、核心设备，尤其是螺杆式的空气空压机几乎所有的工业领域都在广泛应用，成为压缩空气的主流产品。

空压机发展至今，其机械结构方面原理是成熟的，但大部分空压机自身仍存在着明显的技术弱点，如：传统的空压机供气控制方式几乎全部是采用加载、卸载的控制方式，由于频繁加、减载，电动机在工频启动时，电机功率大，启动电流大，对电网的冲击大，工作条件恶劣，设备寿命短，调节速度慢，自动化程度低等。且据不完全统计，我国电能的60%是被各行各业中广泛使用的大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)所消耗，而空压机则占了60%耗电量中的15%左右。另据权威机构调查，空气压缩系统在五年的总成本中，运转能源消耗费用占约79%，压缩系统初期购置费用仅占总成本的约12%，因而只有设法最大限度地降低空压机高额的运转能源消耗费用，才能从根本上降低企业的运营成本，提高企业的竞争力。

2 空气机变频改造的必要性

2.1 空压机工频运行和变频运行的比较

空压机电机功率一般较大，启动方式多采用空载（卸载）星—三角启动，加载和卸载方式都为瞬时。这使得空压机在启动时会有较大的启动电流（4～7倍），加载和卸载时对设备机械冲击较大；不光引起电源电压波动，也会使压缩气源产生较大的波动；同时这种运行方式还会加速设备的磨损，降低设备的使用年限。由于一般空气压缩机的拖动电机本身不能调速，因此就不能直接使用压力或流量的变动来实现降速调节输出功率的匹配，电机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，电能浪费巨大。变频调速技术具有显著的节电效果以及优良的调速性能，且适用性广，安全可靠性强，足以延长设备使用寿命，如若对空压机进行变频改造，能够使电机实现软起软停，减小启动冲击，延长设备使用年限；同时由于电机运行频率可变，实现了空压机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，从而较大幅度减小电动机的运行功率，使得供气系统气压维持恒定，便可以实现节能的目的。

2.2 一台空压机五年各项费用比例

以某企业一台 Atlas (阿特拉斯)ZR160空压机五年费用为例，经调研得知：

空压机五年各项费用比例大致如下：

购置费用占 12%

安装费用占 2%

维护费用占 7%

用电费用占 79%

在以上各项费用中，用电费用占了79%，可见，只有将普通空压机进行变频改造，把空压机的用电费用降下来，才能从根本上降低企业的运营成本，提高企业的竞争力。

2.3 空气机变频改造的优点及实际意义

空气机经变频改造，可节约能源，提高供气量，降低运行成本，提高压力控制精度，延长压缩机的使用寿命，降低空压机的噪音，并提高功率因数，最大限度地降低空压机高额的运转能源消耗费用，从根本上降低企业的运营成本，从而提高企业的竞争力。

3 空压机变频改造方案设计原则

根据原工况存在的问题并结合生产工艺要求，空压机变频改造后系统应满足以下要求：

1）电机变频运行状态保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不能超过±0.02Mpa。

2）系统应具有变频和工频两套控制回路。如一套线路出现故障，自动切换到另一线路，不影响生产。

3）根据空压机的工况要求，系统应保障电动机具有恒转矩运行特性。

4）为了防止非正弦波干扰空压机控制器，变频器输入端应有抑制电磁干扰的有效措施。

5）在用电气量小的情况下，变频器处在低频运行时，应保障电机绕组温度和电机的噪音不超过允许的范围。

6）根据生产工艺要求，变频改造后，适当降低压缩气供气系统的供气压力，将原来的高压变流量供气改变为变频恒压变流量供气方式。

4 空压机变频节能改造实例

4.1 改造前系统现状

某公司现有二台阿特拉斯• 科普柯 ZR160 无油空气压缩机，使用状况为一用一备。

目前的用气量为不到两台机的排气量，这就使其中一台机大部分时间处于空转状态，造成能量的浪费。

此两台机为普通空压机，其马达转速始终保持在额定转速 1485 转/min，不具备根据耗气量的大小自动调节转速来改变排气量以达到节能目的。

4.2 改造的目标与任务

通过变频改造，使空压机达到节能运行的目的。

4.3 变频节能原理

4.3.1 变频调速原理

根据交流异步电动机的转速和电源频率之间遵循的关系:

转速n=60 f/p×(1-s))

式中，f为电源频率，s为电动机转差率，P为电动机绕组的极对数。

当P和s确定后，电动机转速与电源频率成正比，所以改变电源频率即可改变电机转速n，从而实现变频调速。

4.3.2 变频器节能原理

负载所需的功率和它的转速有一定关系，电机的轴功率与电机的转速三次方成正比，所以，电机的转速下降，电机所需的功率也明显下降，即达到了节能的目的。

空压机属于恒转矩负载，即转矩在不同速度下是相同的，但所需功率也和速度成正比关系，所以当转速降低时所需功率也随之下降，从而达到节能目的。

4.3.3 普通空压机的电能损失

普通空压机的工作状态主要有两种，一种是加载状态，一种是空载状态。加载状态时，空压机进气阀打开，吸入自由空气，输出压缩空气，满足生产的需要；空载状态时，空压机进气阀关闭，并停止输出压缩空气，空压机处于空转状态。空转时电机克服机械阻力，需消耗额定功率的 30%左右，所以一台 160KW 的 ZR160 空压机的空载功率为 48KW。

普通空压机的压力控制是上下限控制，空压机的功率消耗和输出压力成正比，输出的压力越高消耗的功率也越大，从输出压力的下限到上限的1 巴的压差将消耗总功率的 7-10%。一台 160KW的 ZR160 空压机就要多消耗功率约 16 千瓦。

在一个空压系统中，如果有多台空压机同时运行，每台空压机的输出压力都将随着管网的压力波动而在上下限之间波动，所以每台机都将多消耗 7-10%的额定功率。

4.3.4 变频空压机的节能原理

变频空压机的压力设定可以是一个点，即可以将满足生产设备要求的最低压力作为设定压力，变频空压机将根据管网压力上下波动的趋势，调节空压机转速的快慢，控制压缩空气输出量的多少，从而达到稳定管网压力，满足生产要求。这样就减少甚至消除空压机的卸载运行，节约了电能。另：变频空压机本身的启动平稳，没有大电流的冲击，也减少了启动时的电能浪费。

4.4 节能改造效益

4.4.1 节电效果计算

如：经实际调研，某企业2009年度空压机的运行时间及状况如下：

?

空压机的平均加载率为：64.7%

空压机的平均空载率为：35.3%

每年节电可用下列两公式计算：

空载消耗电能=每年运行时间×卸载功率×1.2

加载时压力波动浪费电能 = 每年运行时间×电机功率×7%

每年按运行两台 ZR160 空压机计算

空载消耗电能=(1210+2350)×48×1.2=205056 度

加载时压力波动浪费电能 =(3510+3220)×160×7% =75376 度

总计每年节电：280432 （度）

4.4.2 实际用电计算

经调研，该企业2009年1月份到 2009年 12月份共计 12个月的实际运行记录如下：

?

统计出该企业空压站两台ZR160 空压机实际用电总计927072（度）。

变频改造后（企业生产情况和上年度比变化不大的情况下）

空压站节电率可达到 280432÷927020×100%=30.25%。

若按每度电为人民币 0.65 元计，则改造后空压机每年节电280423度，折合人民币：182,275.00 元。

每年平均节约电费为：182,275.00 元，每月平均节约电费为：15,190.00 元

可见变频改造后节电效果是极为显著的。

4.5 具体改造方案

4.5.1 空压站达到经济运行配置条件

如果空压站中都是相同型号的空压机，那么只需配置一台变频空压机，也就是将一台空压机改造成变频机，并同其它的普通空压机配合使用即可达到节电的目的。当生产所需的耗气量少于一台机的产气量，只需要运行变频空压机供气，如果耗气量多于一台机的产气量，就需要启动普通空压机，并使其一直加载运行，同变频空压机配合使用；变频机仍将随着耗气量的变化来调节排气量，达到节电的目的。

4.5.2 控制方式

将一台空压机改造即可以变频方式运行，也可在变频器出现故障时手动切换为原有方式运行。

空压机的运行控制仍然由空压机的本机电脑控制，原有的保护功能、加卸载方式不变。

空压机的电机转速，由安装在储气罐上的压力变送器将电压信号传送给变频器，变频器根据气压变化的趋势改变输出频率控制空压机电机的转速。

空压机本机电脑的控制参数的设定必须和变频器控制参数的设定相协调，否则将达不到节电目的或节电效果不理想，还可能对空压机的机械方面造成不利影响。

另两台机可自动根据管网压力变化决定是否启动运行，启动方式保持原有人工启动方式。

4.5.3 操作方式

改造后的空压机操作，仍然保持在本机电脑上操作，开机、停机以及各种运行参数的查看都在本机电脑上。

如果要修改设定的工作压力，则必须在本机电脑和变频器上同时修改。

如果要将变频空压机切换回原有方式运行，则需人工手动的方式在控制电柜上进行切换。

4.6 改造具体项目

为了减少变频器的协波对电源及设备的影响需加装输入及输出滤波器。

用 atlas copco 的专用变频机软件修改现有电脑控制程序，并增加主电机的温度保护及反转保护功能。

主电机的过载保护改由变频器担当。

改装主电机冷却风扇，以保持电机良好的冷却，使电机线圈温度不超过 95℃， 电机表面温度不超过 80℃。

选用矢量型变频器，并且能够和 atlas copco的变频空压机电脑软件配合。

根据空压机目前的加载率，变频器的输出频率可设定在最高 50Hz 最低 25 Hz。

5 结束语

综上所述，变频调速技术在应用中所取得的节能效果是显而易见的。变频调速技术以其显著的节电效果、优良的调速性能以及广泛的适用性、系统的安全性和延长设备使用寿命等优点已成为现代技术的一个主要发展方向，变频节能系统的应用是社会生产发展的必然趋势，它有着早改造、早受益、早使用、早发展的特点。国家经贸委已将变频调速列入重点实施的10项资源节约综合利用技术改造工程之一。《中华人民共和国节约能源法》明文规定，将变频调速列入通用节能技术加以推广。因此，利用变频调速技术是解决目前缺电问题的最佳手段。通过对普通空压机进行变频改造，变频节能系统的推广应用，必将为企业节省大量能源，创造更大效益。

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