空压机变频改造节能技术的研究与应用史武

空压机变频改造节能技术的研究与应用史武

史武

深圳市前海普罗旺斯空压系统有限公司518000

摘要：空压机是核心生产设施，怎样改善空压机运转的平稳性、减少能源浪费，是企业降低生产费用提升竞争力所必须要考虑的问题。基于此，本文主要分析了空压机变频改造的必要性和相关原则，并结合实例论述了空压机变频改造节能技术的应用心得。

关键词：空压机；变频改造；节能技术

前言：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行业关注。只有解决节能这一全球性问题，才能提高企业的竞争力。因此为节约能源，对企业中原有的工频空压机进行变频技术改造，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使用仍非常普遍，空压机变频改造市场非常巨大。

1空压机的基本概况分析

1.1空压机的基本概念

空压机全称空气压缩机，在很多工厂中需要用它进行空气压缩处理。空压机不管是在国民经济生产还是国防建设行业的应用都十分广泛，在纺织，冶金，以及航空工业等领域也发挥着十分重要的作用，其采用的空压机设备多数是螺杆式的空气压缩机。虽然空压机在发展历程中经过了多次重大技术改进，在此过程中也有许多优良的技术参数被固定下来，但随着科学技术的发展和人们需求标准的提升，现有空压机凸显出的问题也越来越明显。探求原因主要是空气压缩机的设计方案与技术存在欠缺需要进行完善。传统的空气压缩机采用的是高低压差感应控制卸载和加载来进行空气压缩，这种工作原理使空压机在正常工作时对能源造成很大的消耗，同时也会降低空压机使用寿命。电动机在使用的时候，因空压机加载过程是突然加载，启动所消耗的电流非常大，而且电机所需要的功率也十分强大。这样一来，对电网的冲击很大，也会使压缩气源产生较大的波动，加上工作环境相对恶劣，调节速度过慢影响工作效率，所达到的自动化程度就非常低。根据相关的调查研究发现，在我国的能源消耗中，空压机对电能的消耗占据的比例非常大，对其他能源消耗也很大。由于空压机自身的购置成本比较低，想要使它降低成本提升效益，就只能从空压机在能源使用上进行节能改造。

1.2空压机的工作原理分析

空压机是由一对相互平行齿合的阴阳转子在气缸内转动，带来转子与齿槽之间空气周期性的空积变化，而空气通过转子轴线从吸入侧送往输出侧，形成空压机吸气、压缩、排气的循环往复。空压机的进气口和出气口分别在机体的两端，阴转子槽和阳转子的齿通过主电机的驱动而旋转。空压机运行时由驱动电机带动主机转动向气罐充气，当达到最高的压力时，进气阀关闭，主机处于卸载状态。虽然停止压缩空气但转子仍处于转动状态，造成电机空转。空压机的这种固有工作原理由此带来下列问题：（1）卸载时电机空转不产气造成空压机电能的大量耗费；（2）加载与卸载时主机内部压力变化非常大，导致主机轴承负荷急剧变化，严重缩短轴承寿命，影响空压机的性能，降低工作效率。

变频改造节能技术是通过改变电源的供电频率，改变驱动电机转速来达到改变空压机主机的转动速度，控制主机输入轴功率。我们通俗意义上的变频改造节能技术的有效应用具有非常大的优势。

2空压机变频节能改造的必要性

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，这使得空压机在启动时会有较大的启动电流（4～7倍）。加载和卸载都为瞬时状态，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。由于空气压缩机的驱动电机本身不能调速，因此就不能直接依靠压力或流量的变动来实现降速，调节输出功率的匹配，结果导致在用气量少的时候电机仍要空载运行，电能浪费巨大。

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%

从上面数据中可知用电费用占比最大，达到了79%。因此，通过将普通空压机进行变频改造，把空压机的用电费用降下来，才能从根本上降低空压机的运营成本。

2.3空压机变频改造节能技术应用的优势

（1）节能减源

变频空压机与传统的控制空压机相比在能源节约方面优势明显。

（2）有效降低运行成本

传统的空压机的使用成本主要包括初始采购成本、维护成本和能源消耗成本。能源消耗成本所占比重非常大，所以空压机变频改造节能技术可以通过降低空压机能源浪费来有效地节约成本，而且变频空压机运行过程中可以减少对设备的冲击力度，维护和维修量也会大量减少，变相的减少了空压机的维修成本。

（3）空压机压力控制精度更高

空压机变频改造节能系统压力控制能力非常高，可以达到很精确的控制要求，达到空压机的空气压力输出与用户空气系统所需要的气量相匹配的状态，而且空压机变频改造系统的输出气量会随着电机转速的改变而改变。空压机变频改造系统控制电机速度的精度很高，可以有效控制管网的系统压力，控制其在约束的范围内，从而提升了工况的质量。

（4）空压机的使用寿命增加

在变频改造节能技术应用过程中，空压机的起动加速时间可以实现准确的调整，从而在空压机启动时其电器部件和机械部件对空压机造成的冲击作用在很大程度上被有效地降低，使得空压机系统运行更加节能、可靠，很大程度上延长其使用寿命。而且，空压机的变频改造技术可以减少机组启动时的电流波动，从而降低对电网的冲击，降低对其他用电设备的影响，空压机变频改造可以在很大程度上降低电流的峰值。

（5）有效降低空压机的噪声

由空压机的工作原理可以看出，经过变频节能改造后的空压机会明显降低电机运转速度，使空压机运行时的噪声在很大程度上得到缓解；根据实际情况调查表明，变频改造之后的空压机的噪声与原系统相比降低了5dB到15dB。

3空压机变频节能改造的基本原则

对任何物体进行改造都要符合基本的原则，否则将会失去改造的意义和价值，那么，在对空压机进行变频节能改造时，需要对相关的资料和情况进行研究，而且还要符合系统所需要的改造效果，才能够实现空压机正常运转的工作效率。变频节能经过改造之后，空压机储气罐出口的压力，应当维持在相对稳定的状态当中，而且，一定要在允许的范围之内对压力的波动进行控制。除此之外，空压机电机本身具有恒转矩的特殊性能，应该使用防电磁干扰的有效手段，使空压机电机的噪音和温度，都控制在实际允许的范围之内。更要认识到，空压机供气的方式，是变频恒压变流量的方式。最后，还应当确保变频和工频状态下的这两套控制回路的有效协作，在某个回路出现故障之后，能够及时切换到另外一条回路上。

4空压机变频改造节能技术应用的案例分析

4.1空压机改造系统基本状况

某企业现有两台空压机，该企业用气量未能达到两台空压机的用气量之和，所以实际上其中一台空压机长时间保持在空转状态，这就造成了资源的无效浪费。从基本数据来看，两台空压机的驱动电机额定转速均为1500转/min，且均不具备耗气量自动调节转速功能，所以在改变排气量节能方面存在一定缺陷。目前需要对两台空压机进行变频改造，确保它们能够节能运行。

4.2空压机的节能原理

空压机在变频改造后，其压力设定要集中于一点，这一点要满足生产设备的最低压力要求，根据管网压力上下波动趋势来调节机械转速，控制空压机压缩空气输出量，最终达到稳定管网压力的目标，以满足稳定生产要求。如此改造能够在一定程度上降低空压机本身的加载及卸载压力，节约大量电能。变频改造后的空压机启动会更加平稳，启动消耗功率会比之前降低16千瓦左右，也不会再有大电流冲击。

4.3空压机变频改造方案

首先要将原有空压机改造为变频运行方式，在其出现故障时要手动切换为传统运行方式。在空压机的电机转速方面，应该通过安装变频器来改变输入频率，基于变送器将电压信号传送到变频器方面，再根据实际的气压变化来改变变频器输出频率，有效控制空压机转速。

在空压机控制参数设定方面，要保证变频器中控制参数的协调性，否则空压机本身无法达到节能效果。另外，这两台空压机要根据管网压力变化来决定其启动运行过程，变频改造不改变其启动方式，还以原有人工启动方式为主。

在变频改造以后，空压机主电机的过载保护将由变频器负责，主电机冷却风扇要始终保持冷却状态，保证空压机电机线圈温度维持在95℃以内，电机表面温度也要始终低于80℃。最后利用矢量型变频器，配合变频空压机系统软件来调整空压机加载率，将其变频输出频率控制在25Hz~50Hz范围内。

4.4改造使用中的注意点

在实际使用过程中应该注意以下几个方面：

（1）变频器实际工作频率并非设定得越小越好。由于某些变频器低频控制性能不是很理想，频率较低时会产生扭矩不足的情况，出现变频器过载等报警导致停机。而且，空压机不宜长期处于低频状态下运行，转速过低，一方面使空压机的工作稳定性变差，另一方面也使缸体的润滑效果变差，反会加快磨损，因此，综合现场情况，建议运行频率应不小于20Hz，推荐最低频率为25Hz。

（2）变频器大多设计了转矩补偿功能，以希望在低频时提高输出电压。但磁通饱和会导致励磁电流过大，电机绕组过热，严重时损坏电机，因此补偿值不宜设置过大。

（3）由于主电机是在低于工频的情况下运转，对于靠安装在电机轴上的扇叶来实现散热的电机来说，其散热效果会变差，因此应注意电机的温升是否在安全允许范围内，必要时可增加外部散热设施。

5结语

变频节能是重点推广的通用技术，其在空压机改造中的应用不仅能取得节能效果，而且能够显著改善空压机的性能，具有良好的经济效益，值得推广应用。具体实施中还需结合实际情况，寻求更合理的改造方案，运用更先进的技术工艺。

参考文献：

[1]梁艳娟.空压机变频改造节能技术的研究与应用[J].制造业自动化，2011.

[2]童法松，刘文进，张威.空压机变频改造节能技术的研究与应用[J].南方农机，2017.

[3]袁帅军，郭利女，邓超，等.变频器在空压机中的应用[J].硅谷，2010，16：134.

[4]闫光启，杨勇伟，王立，万朋，潘世全，王琳琳，栗克，高国防.空压机变频改造节能效果分析[J].水泥技术，2013（1）.

[5]孙灿炬.空压机变频改造总结[J].中国设备工程，2014（8）：69-70.

[6]空压机变频节能改造的运用与研究[J].冯浩源.自动化应用.2011（04）