空气压缩机的变频调速及应用

顾佳

摘要：针对空气压缩机加、卸载供气控制方式存在的问题，论述了变频调速系统及其控制方式的安装调试及空压机变频改造后增加了效益。

关键词：空气压缩机；变频调速

1 引言

空气压缩机在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好坏直接影响生产工艺和产品质量。

空气压缩机是一种把空气压入储气罐中，使之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：

P L = T L n L /9550

式中 P L ——空气压缩机功率

T L ——空气压缩机转矩

n L ——空气压缩机转速

所以就运行功率而言，采用变频调速控制的节能效果远不如风机泵类二次方负载显著，但空气压缩机大都处于长时间连续运行状态，传统的工作方式为进气阀开、关控制方式，即压力达到上限时关阀，使压缩机进入轻载运行；压力达到下限时开阀，使压缩机进入满载运行。这种频繁地加减负荷过程，不仅使供气压力波动，而且还会使空气压缩机的负荷状态频繁地变换。又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，所以只能按最大需求来选择电动机的容量，故选择的电动机容量一般都较大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例却非常高，这就造成巨大的能源浪费。值得指出的是，供气压力的稳定性对产品质量的影响很大，通常生产工艺对供气压力有一定要求，若供气压力偏低，就不能满足工艺要求，而且可能出现废品，所以为了避免气压不足，一般供气压力较要求值要高些，从而造成供气成本高，能耗大，同时也存在着一定的不安全因素。变频调速是 80 年代初发展起来的新技术，具有易操作、 免维护、 控制精度高等优点。普通电动机采用变频调速后，在其拖动负载无须任何改动的情况下，便可按照生產工艺要求来调整转速输出以满足工况要求。因此完全可以用变频器驱动的方案取代加、卸载供气控制方式的方案，从而电机可根据用气量的大小来自动调整转速以保证供气压力恒定，使电机低于额定转速连续运转，可有效地克服电机频繁改变运行状态所带来的诸多弊端，达到系统高效节能运行的目的。

2 空气压缩机加、卸载供气控制方式存在的问题

（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，供气压力难免要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，这就会影响产品质量甚至造成废品。再加上频繁调节进气阀，还会加速进气阀的磨损， 增加维修量和维修成本。

（2）频繁地开/关放气阀， 使放气阀寿命大大缩短。

3 空气压缩机变频调速控制方式的设计

3.1 空气压缩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术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。由电机知识知道，电机转速与电源频率有成正比的关系：n = 60 f（1-S）/P

式中 n——转速

f——输入交流电频率

S——电机转差率

P——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压机的转速。空气压缩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 1所示：

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预先设定好的 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，调整电动机的转速，从而使实际压力始终维持在给定压力上。另外，采用该方案后，空气压缩机电机从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了启动时大电流对电网的冲击和启动给空气压缩机带来的机械冲击。正常情况下，空气压缩机在变频调速控制方式下工作。考虑到一旦变频控制系统出现故障时，生产工艺过程又不允许空气压缩机停机，因此系统设置了工频与变频系统的切换功能，这样当变频控制系统出现故障时，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机仍能正常工作。

3.2 变频器的选择

由于空气压缩机是恒转矩负载，故变频器可选用通用型的。又因为空气压缩机的转速也不允许超过额定值，电动机不会过载， 一般变频器出厂标注的额定容量都具有一定的余量安全系数，所以选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。若考虑更大的余量，也可以选择比电动机容量大一个级别的变频器，但价格要高出不少。

3.3 变频器的运行控制方式选择

由于空气压缩机的运转速度不宜太低， 对机械特性的硬度无任何要求，故可采用 V/F 控制方式。

4 空气压缩机变频调速控制方式的安装调试

4.1 安装

为防止电网与变频器之间的干扰，在变频器的输入侧最好接一个电抗器。 安装时控制柜与压缩机之间的主配线不要超过 30m，主配线与控制线要分开走线，且保持一定距离。控制回路的配线采用屏蔽双绞线，接线距离应在 20m 以内。另外控制柜内要装有换气扇，变频器接地端子要可靠接地， 不与动力接地混用。

4.2 调试

在完成变频器的功能设定及空载运行后，可进行系统联动调试。 调试的主要步骤：

（1）将变频器接入系统；

（2）进行工频控制运行；

（3）进行变频控制运行，其中包括开环与闭环控制两部分调试。

开环：此时主要观察变频器频率上升的情况，设备的运行声音是否正常，空压机的压力上升是否稳定，压力变送器显示是否正常，设备停机是否正常等。如一切正常，则可进行闭环的调试。

闭环：主要依据变频器频率上升与下降的速度和空压机压力的升降相匹配，不要产生压力振荡， 还要注意观察机械共振点， 将共振点附近的频率跳过去。接着对 PID 参数的进行整定，根据空气压缩机系统对过渡过程时间无要求，可以采用 PI 调节方式，以减少对变频器的冲击。在对 PID 进行参数整定的过程中，首先根据经验法，将比例带设定在 70%，积分时间常数设定在 60s；为不影响生产，采取改变给定值的方法使压力给定值有个突变（相当于一个阶跃信号），然后观察其响应过程（即压力变化过程）。在调试过程中，将下限频率调至 40Hz，然后用红外线测温仪对空气压缩机电机的温升进行了长时间严格的监测，电机温升约 3～6℃之间，属正常温升范围。所以 40Hz 下限频率运行对空气压缩机机组的工作并无多大的影响。

5 空压机变频改造后的效益

5.1 节约能源使运行成本降低

空气压缩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压缩机运行成本的 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，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。

5.2 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。使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制电机速度的精度提高，所以它可以使管网的系统压力保持恒定，有效地提高了产品的质量。

5.3 全面改善压缩机的运行性能

变频控制能够减少机组启动时的电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将启动电流的峰值减少到最低程度。根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，从而有效地降了空压机运行时的噪声。现场测定表明，噪声与原系统比较下降约 3～7dB。

6 结语

随着变频器应用的普及， 对传统的空气压缩机进行变频调速改造， 具有显著的经济效益和社会效益，值得全面推广。

（作者单位：靖江特殊钢有限公司）