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变频调速
变频调速技术在空气压缩机系统中的应用
摘要本文系统地介绍了变频调速控制系统的工作原理；国际国内的应用情况；我们现有的变频调速器的控制方案及操作方法；所取得的经济效益以及变频调速技术在我们现有生产装置中的应用前景等。
主题词：
变频调速器空气压缩机节能效益
一、概述
交流调速技术是电力电子技术、微电子技术、自动控制技术等多门学科相结合发展的产物，基本原理是通过大功率电子开关器件及智能控制技术将电网的工频交流电经过整流、逆变等过程，将固定频率的交流电变为频率可调的交流电，用来拖动电动机等负荷，从而可以实现对电动机的无级调速。
现在世界上许多先进国家大多采用此技术。
此技术已经成型，发展也比较快。
交流调速技术有以下显著的优点：
1、输出功率可以连续调节，可以实现电动机无级调速。
2、功率因数高，利用效率高，节能效果显著。
⑴有发无功功率的能力，不消耗电网上的无功。
⑵稳压性能好。
如设备在额定功率下运行，能保证电动机在额定电压下运行，从而避免了因电压高（低）对电机所造成的危害。
⑶在电动机的负荷低于额定功率时，它可以根据给定值来调整电动机的输出功率。
1、对电网电压波动有很大的适应能力，并能大大减少系统对电网的污染。
（经过尽一年来的运行，我单位的两台ME工业控制计算机从没有因为变频系统而影响本身的正常运行）。
2、可调范围（频率可在0Hz～400Hz之间进行调节）宽，可以实现大范围调速，并能保证很硬的输出特性，并且动态响应特性好，调速精度高。
适用于各种压力、温度、速度、流量的控制。
3、采用智能化控制，有完善的保护性能，使用安全可靠，操作简方便。
并且具备电机启动运行所需要的电气保护。
4、启动、停止平稳，极大地缓和了对电动机的冲击，使电动机能够平稳地加速或减速，从而避免了骤然启动或骤然停止所造成的损害，大大延长了电动机及整套机组的使用寿命。
除此之外，更兼其体积小、重量轻、通用性强的特点，因此，变频调速技术越来越广泛的应用于工业生产领域。
这将极大地提高工业生产领域的自动化水平，从而可以实现增产节能的目的。
二、国际变频技术的应用范围
当今世界，许多先进国家都在大范围地应用变频技术，它们生产的交流接触器本身就具有变频能力。
低压电动机从0.75KW～800KW都能应用变频技术，从而达到合理控制电动机的负荷输出，达到节能的目的。
在高压设备上变频技术的应用比较少，一是因为高压设备功率大、电压高，需要专用的变压器和变频器，并且变频器的耐压等级的要符合高压设备的要求，成本很高，不利于广泛地推广应用。
二是高压设备大多采用无功补偿的方法来提高设备的功率因数，所以国外的高压设备基本不采用变频技术。
三、国内变频技术的应用状况
我们国内的变频技术起步较晚，应用的很不广泛。
国内生产变频设备的技术能力有限，达不到正常生产要求，现在我们所用的变频设备大多从美、日、德等国引进，成本比较高，加之人们对变频技术的应用并不十分了解，所以造成了我国变频技术应用不广泛的现象。
我国目前的变频技术正处于推广应用阶段。
在不远的将来，我们的变频应用技术将会在工业生产中大显身手，达到增收节能的目的。
四、空压机变频技术的提出
我们单位的设备用气系统一直采用四台柳州第二空压机厂生产的空气压缩机，其电动机分别为37KW的两台、22KW的两台。
以保证厂矿自动控制用的压缩空气。
该装置自投产以来，正常以两台空压机运行，（一台电动机为37KW，一台电动机为22KW），空压机的加、减载过程由机械加、减载阀控制，两台机加、减载控制压力不能相差太大，当有一台略不好用（减载失灵）的情况下，将造成压缩机长期加载运行，因一台压缩机达不到生产的需要，两台压缩机同时加载运行，将会造成储罐压力升高。
为避免这种情况的发生，需要经常对仪表风储罐进行放空，这对机械与电气运行都很不利，即浪费了电能，又增加了设备检修的周期。
当压缩机的加载失灵时，将会造成压力降低，直接影响整个装置的正常运行，同时又增加了岗位工人的劳动强度。
根据上述情况，在参考有关技术资料的前提下，我们提出了在空压站安装一套变频调速装置的设想，对两台22KW的电机进行调频控制，以满足节能降耗的要求，此设想得到了领导的大力支持，很快付诸于实施。
五、空压机工艺系统流程图
电机4#空压机出口阀
电机3#空压机出口阀
电机2#空压机出口阀
电机1#空压机出口阀
仪表风储罐
仪表风储罐
压力信号采集点
仪表风出口
六、系统控制方案的选择
该系统有三种控制方案，它们分别为强手动、手动和自动。
强手动主要是为了在发生事故时，变频器、编程控制器等自动设备出现故障或检修时，为了保证生产的正常运行而采取的一种预防措施。
手动调频方式是在现场调试或压力传感器出现故障闭环控制回路被断开而采取的一种调节方式，是一种开环控制系统。
其控制框图如图一所示，这种控制方式使电机在一个定常频率下工作（其频率设定值是一个经验值）当装置的用风量基本不变时，这种工作方式还是可以的，但出现用风量波动较大时，这种工作方法就显得无能为力了，在正常的情况是自动调频方式。
这是一种闭环控制环节。
其控制框图如图二所示。
变频器
空压机
给定值
图一
PID调节器
空压机
变频器
给定值
压力反馈环节
图二
七、系统操作说明
频率表
强手动自动
1号机2号机3号机4号机手动调频
起动起动起动起动报警运行
停止停止停止停止报警复位电源
图三
强手动运行的操作方式：
图三为变频控制柜盘面示意图。
在三种控制方法中，强手动的优先级别最高。
当进行强手动操作时，应首先打开柜门将K1开关合上（正常情况下该开关是打开的，只有选择强手动运行方式时才合上此开关），然后进行面板操作（如图三所示），强手动的操作按钮为黑框内的按钮，此时其他按钮操作无效。
具体的操作方法如下：
按下强手动按钮，这时强手动指示灯亮。
1、选择要起动的电机，按下相应的按钮（此按钮为自保按钮，按下后凹下）电机起动，相应的运行指示灯亮。
2、如果将该电机停运，只需要再次按动此按钮，使按钮弹起，电机即可停止运行。
自动调频工作方式：
自动调频方式是正常的工作方式，这时整个系统构成一个闭环自动调节系统（见图二），能自动调节空压机的工作情况，保持仪表风储罐内的压力保持在设定值上。
其具体的操作方法如下：
1、按下自动操作方式按钮，相应的指示灯亮，此时系统处于自动工作方式。
2、选择要起动的电机，按下相应的按钮（此按钮是点动式）电机起动，相应的指示灯亮。
3、如果将该电机停运，按下相应的停止按钮，电机即可停止运行，相应的指示灯熄灭。
注意事项：
由于三号、四号机是受同一变频器控制的，这两台电机不能同时工作，两者之间是互锁的关系，即当一台机运行时，另一台机将无法起动。
在运行中切换时，电机停止要有一定时间的延时（约12秒），要等到该电机运行指示灯熄灭后，才能起动另一台电机。
手动调频工作方式：
手动调频时，系统处于开环工作方式（如图一所示），空压机的工作情况是人为设定的。
其具体的操作方法如下：
1、按下手动操作方式按钮，相应的指示灯亮，此时系统处于手动工作方式。
2、选择要起动的电机，按下相应的按钮（按钮是点动式）电机起动，相应的指示灯亮。
3、如果将该电机停运，按下相应的停止按钮，电机即可停止运行，相应的指示灯熄灭。
注意事项：
手动调频时，频率不能低于30Hz，否则将因为电机的转速过低、电流过大而烧毁电动机。
在自动调频控制时，我们设定的最低频率也是不低于30Hz的。
系统在正常运行时（自动或手动），当出现故障时，系统会自动停机，以保护电动机，同时报警灯闪烁报警，只有按下故障复位按钮后，电机才能重新起动。
八、变频前耗能情况与变频后耗能情况的比较
变频前耗电计算：
（37+22）KW×24小时×0.75效率
=1062KW/日
全年按330天计算:
1062KW×330=350460KW.h
350460×0.39=1,36679.40元
安装变频器以后数据统计表
时间
频率Hz
电压V
电流A
04年11月3日1时
34.6
200
39.5
04年11月3日2时
36.9
235
39.5
04年11月3日3时
39.15
260
39.5
04年11月3日4时
40.15
271
39.5
04年11月3日5时
40
270
39.5
04年11月3日6时
42.2
294
39.5
04年11月3日7时
45.5
330
40
04年11月3日8时
35.7
222
38
04年11月3日9时
33.75
222
38
04年11月3日10时
33.65
200
37
04年11月3日11时
33.4
197
39
04年11月3日12时
33.7
200
39
04年11月3日13时
33.6
199
37
04年11月3日14时
34.8
212
39
04年11月3日15时
35.7
222
38
时间
频率Hz
电压V
电流A
04年11月3日16时
37.7
244
37
04年11月3日17时
37.6
243
39
04年11月3日18时
37.6
243
38
04年11月3日19时
38
248
38
04年11月3日20时
37.6
243
37
04年11月3日21时
37.6
243
37
04年11月3日22时
37.6
243
39
04年11月3日23时
37.6
243
39
04年11月4日0时
42.1
293
38
04年11月4日1时
42.4
296
38
04年11月4日2时
41.6
287
39
04年11月4日3时
42.15
293
39
04年11月4日4时
42
292
37
04年11月4日5时
41
281
38
04年11月4日6时
41.2
283
38
04年11月4日7时
42.4
296
38
04年11月4日8时
46.5
341
37
04年11月4日9时
43
303
39
04年11月4日10时
41.4
285
39
04年11月4日11时
39.2
261
38
时间
频率Hz
电压V
电流A
04年11月4日12时
39.5
264
39
04年11月4日13时
39
260
39
04年11月4日14时
39.5
264
39
04年11月4日15时
41.7
288
37
04年11月4日16时
44.2
316
38
04年11月4日17时
44.5
319
39
04年11月4日18时
37.5
242
38
04年11月4日19时
39.25
261
38
04年11月4日20时
40.1
271
37
04年11月4日21时
42.6
298
39
04年11月4日22时
45.6
331
38
04年11月4日23时
46.2
338
38
说明：
1、统计表的数值为一小时的平均值（每小时抄表四次）。
2、调频频率在50Hz～36Hz时，频率每下降1Hz电压将下降11V。
3、调频电流基本不变。
4、经过计算这两天的平均频率为37.88Hz；平均电压为254V。
投入变频前与投入变频后相比，22KW电机每小时可节电
1.732×U1×I1－1.732×U2×I2
=1.732×380×39－1.732×254×39
=8.51KW.h
每年按330天计算，可节余电量：
330×24×8.51=67399KW.h
节约费用67399×0.39=26285.60元
式中：
U1—变频前电压
I1—变频前电流
U2—变频后电压
I2—变频后电流
照此计算，在两年内即可收回变频器投资。
通过上述论证，该变频器投入运行以后，达到了生产装置所需的供风量和供风压力，基本取消了因机械引起的加减载工作，减少了岗位工人的劳动强度，并节约了一定的能源。
九、目前存在的待解决的问题
变频技术在我国尚处于推广应用阶段，需要解决的问题有：
1、加强对变频技术的认识，以便在更大的领域内应用此技术。
2、加强维修人员的培训工作，改变那种变频器出现故障缺少维修人员的状况。
3、加快变频器国产化的速度，以节约一次性投资过大的问题。
附：
空压机变频调速控制系统电路图
HK3SW1HK4HK1HK2
JC5JC6JC3JC4
INV
JC2JC6
RJ3RJ4RJ1RJ2
M3
M4
M1
M22
M3
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