空压机变频节能解析
一、空压机节能改造原理
1、螺杆空压机工作原理介绍：空压机的工作原理是由一对相互平行啮合的阴阳转子(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、原空压机系统工况的问题分析：
a) 主电机虽然以星三角降压起动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全。
b) 主电机时常空载运行，属非经济运行，电能浪费最为严重。
c) 主电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以对设备的维护量大。
d)主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大。
3、空压机节能改造的必要性：鉴于以上对空压机的原理说明以及目前的工况分析，我们认为对空压机的节能改造是必要的，这样不仅能够节约大量的运行费用，降低生产成本，同时还可以降低空压机运行时产生的噪音，减少设备维护费用。
二、变频节能改造应用优化分析
节能改造设计要求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、2bar。
2、系统应具有变频和工频两套控制回路。
3、根据空压机的工控要求，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，变频器输出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，保障电机绕组温度和电机的噪音不超过允许的范围。
6、考虑到系统以后扩展问题，变频器满足将来工控扩展的要求。
7、在该变频器上端加装输入电抗器，有效的抑制了变频器对电网的干扰。
三、空压机变频节能改造的优点
1、节能变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的。根据空气量需求来供给的压缩机工控是经济的运行状况。节省电费约20%以上，约半年即可回收投入的资金。
2、运行成本降低。传统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77%。通过能源成本降低44、3%，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。
3、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变化保持在±0、2bar范围内，有效地提高了工况的质量。
4、延长压缩机的使用寿命。变频器从0Hz起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。
5、降低了空压机的噪音。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，因此有效地降了空压机运行时的噪音。现场测定表明，噪音与原系统比较下降约3至7分贝。
6、此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，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起动电流的峰值减少到最低程度。
空压机变频控制解决方案
系统概述
空气压缩机组是很多企业的必备设备。根据工地用气状况，需要控制空气压缩机的开、停（如定期检修、故障紧急停止等），通过变频器控制压缩速度以适应随即变化的用风情况达到节电目的。所有这些要求顺序操作相应开关、阀门和控制变频器来完成。运行中，要求经常检测机组状况，在温度、压力、电机额定电流等超过允许值时应紧急停车。压力过大要求变频器降低电机转速，必要时停止部分空压机。所有这些采用人力监视的缺陷是：24小时监视人员容易疲劳，很不安全，且浪费人力资源。因此采用工控机自动智能监测解决方案正在得到广泛应用。
某矿区有三台V-6/7电动固定水冷式空气压缩机组，要求是远程操作自动启停，参数异常自动停车，变频节能运行。由于矿区电压不稳，特别是空压机的开停对电网的干扰很大，振动强、灰尘多、环境恶劣，需要24小时不间断工作，为确保系统的安全稳定，本系统控制核心采用研祥工控机I-P10S22，整体解决方案如下。
系统组成
一、 需要检测的点
1、 电量信号检测装置：检测主电机电流1点，及总电源的3相电压共3点。
2、 压力信号检测装置：检测1级缸、2级缸及储风缸压力3点。
3、 温度信号检测装置：检测1级缸排气温度、2级缸进气温度、2级缸排气温度、油温、曲轴轴承温度2点、电机轴承温度2点以及冷却水出口温度共9点。
共计：（1+3+9）X3+3=42点
二、关键设备
1、 I-P10S22工控机：“祥捷 I-P10S22”工控机是国内最大的工控机设计生产公司研祥产品，由IPC-810A机箱、IPC-6113LP4底板、FC-1622VDNA工业级CPU长卡、工业电源PS-270A……等等组成，质量有保证，系统的安全系数大大提高。
2、 PCI-64AD数据采集卡： 64通道高增益多功能DAS卡（PCI总线接口），在此系统作为32路差分模拟信号进行A/D转换，负责对检测点模拟量输入信号进行定量数据采集。
3、 PCI-16P16R控制卡：是一个16通道的继电器输出和隔离的紧凑型PCI总线数字D/I卡，提供16路继电器输出和16路光隔离数字输入。板上16继电器输出用于控制功率开关或开关控制设备（如冷却水泵开关，进气阀、排气阀开关、主电机开停等等），16路光隔离数字输入用于监测点的“开关量信号”输入（如高温报警点、压力最大阀值等等）。
4、 变频控制器：由工控机控制其运行，通过改变输出电压频率改变电机转速，以改变空压机压速速度。
系统框图
空压机变频自控系统改造方案
（一拖五）
1、空气压缩机的概况：
1.1空气压缩机的工作原理
我们知道，压缩机在1640年由德国试制成功到目前已有几百年历史。压缩机是一种将气体压缩从而提高气体压力或输送气体的机器，例如：螺杆式空压机原理。
1）吸气过程：
螺杆式的进气侧吸气口，必须设计得使压缩室可以充分吸气，而螺杆式压缩机并无进气与排气阀组，进气只靠一调节阀的开启、关闭调节，当转子转动时，主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子的齿沟空间与进气口之自由空气相通，因在排气时齿沟之空气被全数排出，排气结束时，齿沟乃处于真空状态，当转到进气口时，外界空气即被吸入，沿轴向流入主副转子的齿沟内。当空气充满整个齿沟时，转子之进气侧端面转离了机壳之进气口，在齿沟间的空气即被封闭。
2）封闭及输送过程：
主副两转子在吸气结束时，其主副转子齿峰会与机壳闭封，此时空气在齿沟内闭封不再外流，即[封闭过程]。两转子继续转动，其齿峰与齿沟在吸气端吻合，吻合面逐渐向排气端移动。
3）压缩及喷油过程：
在输送过程中，啮合面逐渐向排气端移动，亦即啮合面与排气口间的齿沟间渐渐减小，齿沟内之气体逐渐被压缩，压力提高，此即[压缩过程]。而压缩同时润滑油亦因压力差的作用而喷入压缩室内与室气混合。
4）排气过程：
当转子的啮合端面转到与机壳排气相通时，（此时压缩气体之压力最高）被压缩之气体开始排出，直至齿峰与齿沟的啮合面移至排气端面，此时两转子啮合面与机壳排气口这齿沟空间为零，即完成（排气过程），在此同时转子啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，其吸气过程又在进行。
首先，空压机的驱动轴上所需要的轴功率，与排气压力、空压机转速有直接的关系，也就是说，在实际运行中，由于压缩空气的使用随时在变化，空压机并不经常在额定工况下运行，而空压机排气压力的高低则直接影响到实际轴功率的大小。排气压力越高，所需轴功率也越大。
其次，为满足用气量的随时变化要求，储气罐内气体必须保持一定的压力，目前大多数空压机均采用切断进气的调节方式来改变排至储气罐的气量。对于空压机气量的供求关系表现为排气压力的变化，空压机排气量正好满足生产用气量要求时，储气压力保持不变，若能维持这种状态当然最佳，但实际上用气量是随时变化的，而且设计冗余量较大，所以空压机排气量都要大于用气量，如果空压机仍恒速运转，则储气罐内的气体越积越多，当罐内压力上升达到设定压力时，一般采用两种办法：一种是空压机卸荷运行，不产生压缩气体，电动机处于空载运转，其用电量仍为满负载的30-60%，这部分电能被白白浪废掉。另外一种办法是停止空压机运行，这样似乎空压机空转或不断放空所浪费的电能被消除了，但是若无容积较大的储气罐，将会带来电动机的频繁启动，空压机的空载启动电流大约是额定电流的5-7倍，对电网及其它用电设备冲击较大，同时使空压机的使用寿命也会缩短。
空气压缩机在国民经济和国防建设的许多部门中应用极广，特别是在石油、化工、动力等工业领域中已成为必不可少的关键设备，是许多工业部门工艺流程中的核心设备。提供自动化生产所需的压缩空气足够的供气压力，是生产流程顺畅之要素，瞬间的压降，即会影响产品品质。所以，空压机的自动化和节能控制也日益受到用户单位的关注和重视。
1.2原系统存在的问题
由于原有空压机为五台，在生产任务多的情况下，开一组空压机不能满足使用要求，要开启第三台空压机，但是在第三台空压机开启的情况下，气压又比较富裕，只能将富裕的气压排放掉，造成能源的大大浪费。而且原有空压机为分立单台机器，开停和排放气操作都要有人工操作，一方面不方便，造成人力资源负担，另一方面，由于人工切换操作极易造成气压不稳定，影响使用和造成产品质量不稳定等现象。
空压机工频起动时的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护量大。虽然使用了降压启动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全，而且大多数是连续运行，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。空压机在经常卸载和加载时会导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力。空压机的有些调节方式（如调节阀门或调节卸载等方式）即使在需要流量较小的情况下，由于电机转速不变，电机功率下降幅度比较小。
综上所述，若能采用自动控制和变频调速技术，将五台空压机实行自动控制，可以实现互为热备自动运行，稳定输出生产要求所需的稳定气压，减少机械维修工作量，延长空压机的使用寿命，另外当流量需要量减少时，就可降低电动机的转速，从而较大幅度减小电动机的运行功率，也可以实现节能的目的。
相应带来的其它好处是：改用自动控制方式后五台空压机可以互为热备轮流使用，辅以压力闭环控制供气压力稳定，通过压力调节器，可使空压机保持在设定的压力值下工作，压力稳定可靠性高，而且压力可以无级设定，随时可调。电机实现软启动，压缩机的使用寿命及检修周期都将得到大大延长。空压机排气量由空压机的转速来控制，气缸内气阀片不再反复地开启和关闭，阀座、弹簧等工作条件大大改善，避免了高温、高压气体急剧的流动与冲击，维修工作量减少。
2. 变频自控系统改造方案设计要求
根据原工况存在的问题并结合生产工艺要求，空压机变频自控改造后系统应满足以下要求：
1) 变频驱动电机运行状态下保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不超过±0.02Mpa；
2) 系统应具有变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳脱保护时，不影响生产；
3）控制系统应能够压力状况自动切换空压机的工变频运行状态和增减空压机的运转台数；
4)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。
3. 空压机变频改造的注意事项
1) 空压机是大转动惯量负载，这种启动特点就很容易引起V/F控制方式的变频器在启动时出现跳过流保护的情况，需要选用具有高启动转矩的变频器，保证即能实现恒压供气连续性，又保证设备可靠稳定的运行；
2) 空压机不允许长时间在低频下运行，当空压机的转速过低，一方面将使空压机的工作稳定性变差，另一方面也使缸体的润滑变差，会加快磨损。
3)为了有效滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减小因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减小电机运行噪音和温升，提高电动机的稳定性。
4. 变频调速改造方案
根据贵公司目前使用情况，目前共有五台75KW空压机，型号相同。本方案选用一台变频器轮换去驱动五台空压机，这样在自动控制系统运行时，实现整个空压站的恒压自动控制，该系统可以根据储气罐压力的变化，自动调节空压机的转速和空压机的运转台数，自动控制系统可以实现五台空压机互为热备轮流使用。
4.1 系统工作原理概述
本自动控制系统以输出压力作为控制对象，采用标准功能矢量变频器和远传压力变送器SP，组成闭环恒压控制系统，所需压力值可由压力设置调整控制器直接操作,现场压力由变送器来检测,反馈到压力设置调整控制器，压力设置调整控制器通过PID进行比较计算，从而调节变频器的输出频率，并由控制器自动控制系统来控制空压机的工变频切换和运转台数，达到空压机恒压供气的要求。
5、空压机变频自控系统改造后的益处
1、节约能源
变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据空气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状态。
2、运行成本降低
传统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。其中能源成本和维护成本大约占压缩机运行成本的主要部分。通过能源成本降低，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。
3、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变化保持在稳定的变化范围，有效地提高了工况的质量。
4、延长压缩机的使用寿命
变频器从0HZ起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，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起动电流的峰值减少到最低程度。
5、降低了空压机的噪音
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，因此有效地降低了空压机运行时的噪音。
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