谢水英1 韩承江1 徐伟君2
1.浙江工业职业技术学院 浙江绍兴 312000 2.绍兴漓铁球团厂 浙江绍兴 312041
摘 要：本文阐述绍兴漓铁集团公司球团厂竖炉除尘用螺杆空压机的变频改造原理、变频控制系统组成及工作过程，分析了变频改造前后优缺点，计算了变频改造后的节能效果。该空压机的节能改造，既是对国家节能减排政策的积极响应，也为其他企业的技术改造提供了成功的借鉴经验。
关键词：空压机；变频调速；变频节能；节能改造
一、概述
空压机是空气压缩机的简称。其主要用途有：压缩气体用于作为动力，如气动扳手、风动机械；用于自动控制，如车辆制动、酿造业的搅拌；用于制冷和气体分离，如冷◎冻行业与要用到纯氧纯氮的行业等。
在工业农业生产的许▓多领域，如采矿、石油、化工、制冷、动力和冶金等部门中广泛地使用压缩机。据统计，在一个大型冶炼厂中，全年为压缩机配套的电动机功率常达上万千瓦；在冶金工业和机械制造行业中，冶炼用的氧气压缩机和空气压缩机动力站所消耗的电能，几乎占全厂电能消耗的30%以上。如何降低空压机运行所消耗的能源，对于响应国家节能降耗的政策以及提高企业的经济▽效益都具有十分重要的现实意义。
二、空压机节能改造分析
1.空压机工作原理
空压机按工作原理分类有速度式（透平式）和容积式二＠种。速度式空压机的作用原理是通过某种方式使气体流动速度加快后，再在扩压装置中急剧减速后将气体动能转化为气体静压能，以提高气体压力。容积式空压机的作用原理是通过压缩空气体积达到使气体压力增加的目的。
容积式空压机以螺杆式空压机最为常见，其工作原理是：由一对相互平行齿合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，从而实现空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽及阳转子齿被主电机驱动而旋转。
2.空压机的控制过程
空压机供气系统的控制过程一般为：按下启◤动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放气阀则打开以排放油气分离器内的压力。等降压2秒后空压机开始加载运行，系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力时，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行。当系统压力下降至压力开关下限值，即回跳压▂力时，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运行。
3.漓□铁球团厂竖炉除尘空压机原先存在的问题
该厂竖炉除尘用空压机为螺杆式，由大小2台组成，大的一台型号为SA60-7，排气量10.3m3/min，额定/最大排气压力为0.7/0.75MPa，电机功率为55Kw，电机转速为2970r/min。小的一台型号为OG-50W，轴功率为37KW，容积流量为6.1m3/min，额定电压为380V，供气压力为0.7MPa。
该空压机的作用是产生高压气体，用于输送从竖炉除尘下来的球粉到制球原料库,以便回收利用。由于在除尘输送系统中用风量不均衡，空压机供风量一般大于实际用风量，为保持储气压力不变，就必须要采用调节方式。其中大压缩机时常处于满负荷运行状态，当压缩空气产量无法满足工况需求时，就加开小压缩机；而当压缩空气过剩时，就进行放空，能源浪费严重。另外，该空压机组在变频改造前采用星—三角起动，虽为PLC控制，但空压机采用间歇控制运行方式，运行状态很不经济。存在着：
(1)大小主电机虽然以星—三角降压№起动，但起动电流仍较大，对电网与其他设备造成一定的冲击与影响。
(2)大电机时常空载运行，电能浪费较严重。
(3)小电机常频繁起动、停止，影响电机使用寿命
(4)主电机工频运行造成空压机运行时噪音很大。
针对除尘空压机控制方式欠缺和能耗大等问题，厂里于2009年对空压机进行了节能改造。
三、空压机↓节能方案选择
1.空压机的节能方案选择
空压机的节能改造可以从机械系统和控制调节系统两方面进行。机械系统方面的改造主要为改进、优化管道系统等，以降低管网阻力，降低功耗。控制调节系统方面改造主要是选择合理的流量调节方式。目前空压机的流量调节方式一般有压缩机间歇控制运行、吸气调节、气缸卸载、无级变速调节等。
空压机间歇运行会带来压缩机频繁起停，增大电能损耗，引起电网波动增大，同时也会影响设备寿命；而气缸卸载不但能量浪费，且会加』剧设备磨损，增加了运营成本。
目前越来越多的采用无级变速调节，即变频调速技术。通过变频器使电机输入电压的频率变化，控制电机的转速变化，进而控制电机的输出功率与空压机的输入功率，使空压机的制风量与实际用风量相匹配。这种调节方式可以实现电机转速的连续调节，使空压机在设计的情况下运行，使空压机在轻载运行时的工作效率大 大提高，降低空压机的能耗，创造较好的经济效益，对响应目前国家节能降耗的号召有着重要的意义。
对于螺杆空压机来说，采用变频器可通过改变螺杆转子转速的方式来改变排气量，当用气量发生变化时，变频器改变转速的方式调节空压机的排气量，达到排气压力恒定不变，并节约能源的目的。
针对竖炉除尘空压机控制系统方面存在的问题，绍兴漓铁集团球团厂于2009年对其进行了变频节能改造。
2.变频节能分析
(1)变频控制原理
根据异步电动机转速公式:n=(1-s)60f/p
式中，f为电源频率，S为电动机转差率，P为电动机的极对数。
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。
(2)变频节能原理
根据空压机的运行特性知，空压机基本属于恒转矩负载，用变频调速的方法≡据供气量大小来调节电机转速，能使电机的输出功率基本与转速（供气量）成正比关系。当用气量减小时，排气口压力上升，通过闭环反馈给变频器，使电机转速降低，减小了轴输出功率；当用气量增加时，排气口压力下降，通过闭环反馈给变频器，使电机转速升高，增加了轴输出功率。
因此，变频空压机系统通过压力闭环，可实时跟踪供气系统负载变化，调整空气压缩◥机电机的转速，保证排气口压力恒定，使压缩机电机工作在最经济的运行状态下。避免了原控制方式空压机频繁的加载与卸载，频繁地起动与停机，使得从电网吸收的电能大大下降。
(3)变频控制过程
变频调速系统以空压机压缩空气的输出压力作为控制对象，由变频器，压力传感器、PLC、电机组成闭环恒压控制系统，工作压力值由操作面板直接设置，现场▂压力由传感器来检测，转换成4～20mA电流信号后反馈到变频器，变频器通过内置PID进行比较计算，从而调节其输出频率，达到调节电机转速，进而调节电机输出功率的目的。
由此可见只要调节电机的转速，就可以调节电机轴输出功率，也即调节了空压机的输入功率，使空压机的制风量与用风量相匹配，达到恒压供气与节能的目的。
四、空压机变频节能改造
1.节能改造设计要求
根据原空压机组控制系统存在的问题并结合生产工艺要求，机组∩控制系统变频改造后系统应满足以下要求：
(1)系统应具有变频和工频两套控制回路。
(2)保持储气罐出口压力稳定。电机变频运行时，出口压力波动范围不能超过±0.02MPa。
(3)一台变频器能控制两台空压机组，可用转换开关切换。
(4)根据空压机的工控要求，控制系统应使电动机具有恒转矩运行特性。
(5)控制系统仍由PLC进行控制。
2.控制系统组成＠ 框图
整个系统由变频器、PLC、压力变送器、工频接触器、电机、空压机等组成压力闭环控制系统，自动调节电机转速，进而调节空压机的进气量，使储气罐内空气压力稳定在设定范围内，进行恒压控制。反馈压力与设定压力进行比较运算，通过PLC实时控制变频器的输出，从而调节电机转速，达到节能的目的。空压机组变频调速系统原理框图如图1所示。
3.工作过程
变频控制接线示意图如图1所示。在空压机排气出口处安装压力传感器的采样点，通过压力传感器获得所需要的电流信号，当系统用气量小时，空压机排气口的压力升高，压力传感器的阻值减小，24V直流电源把压力传感器的阻值转变为电流信号，通过PLC使其对变频器输入的电流信号增大，变频器与设定值比较后得到偏差ε，ε经过PID调节后使输出电源的频率逐渐变小，电动机转速下降，同时空压机电机的转速也下降，压力降低。当系统用气量大时，系统压力逐渐降低，变频器输出电源频率升高，电动机转速增加，制气量增加，使空压机出口处压力升高，满足系统用气量要求。当供气量与用气量基本持平，变频器就会以该点的频率运行，这样就实现了系统压力的恒定，同∮时电机与空压机也一直运行于最经济运行状态。
为了安全起见，在安装变频器装置时，保留了原有的工频控制电路，在变频柜上设置了工频/变频转换开关，当变频装置出现故障时，可方便地转换到工频运行状态，正常供气不影响生产（如图2所示）。
五、变频改造后优点
1.启动电流小，对电网无冲击
变频器可使电机起动、加载时的电流平缓上升，没有任何冲击；可使电机实现软停▃，避免反生电流造成的危害，有利于延长设备的使用寿命
2.输出压力稳定
采用变频控制系统后，可以实时监测供气管路中气体的压力，使供气管路中的气体的压力保持恒定，提高生产效率和产品质量
3.设备维护量小
空压机变频启动电流小，小于2倍额定电流，加卸载阀无须反▲复动作，变频空压机根据用气量自动调节电机转速，运行频率低，转速慢，轴承磨损小，设备使用寿命延长，维护工作量变小。
4.噪音低
变频根据用气需要〖提供能量，没有太多的能量损耗，电机运转频率低，机械转动噪音因此变小，由于变频以调节电机转速的方式，不用反复加载、卸载，频繁加卸载的噪音也没有了，持续加压，气压不稳产生的噪音也消失了。
5.节能效果明显
变频器改造节能效果十分明显。经过该厂实验，一台55KW的空压机，加载时间15秒，加载电流达110A；卸载时间20秒，卸载电流约80A，工作压力上下限0.75MPa/0.62MPa，根据加卸载时间与电流，可以算出该空压机节能改造前耗电量45度/小时。变频改造后节电率约30%，按每度电0.75元计算，一年可节约电费：
45×0.75×24×365×30%=88695(元)=8.8695(万元)
空压机变频改造费用约10万元
约(10/8.870)×12=13.52
即约14个月就可以收回投资。而以后每年可节约电费8万多元。
因此，在供气系统中接入变频节能系统，利用变频▓技术改变空压机转速来调节管道中的流量，以取代阀门调节方式，不但能实现恒压供气的目的，并且能取得明显的节能效果。另外，变频器软起动功能及平滑调整特点可实现对流量的平衡调节，减少了起动冲击，还可以延长压缩机与机组管组的使用寿命。
六、注意事项
1.空压机属于大转动惯量负载，这种起动特点很容易引起V/F控制方式的变频器在起动时出现跳过电流保护的情况。建议选用具有高起动转矩的无速度传感器矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，又保证设备可靠稳定运行。
2.空压机不允许长时间低频下运行，若空压机转速过低，一方面将使空压机工作稳定性变差，另一方面使缸体润滑性变差，会加速磨损。所以工作下限频应不低于20Hz。
3.为了有效滤去变频器输出端电流中高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行噪声与温升，提高电机运行稳定性。
4.建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况。
参考文献
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[2]李强，屈宝存，葛智强.PLC和变频器在空压机节能改造中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化,2006,7
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*本文系浙江工业职业技术学院高层次平台课题（压缩机节能控制策略研究，项目编号：KY2010144）的研究成果之一。
