螺旋式空压机变频改造及应用.docx
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螺旋式空压机变频改造及应用
螺杆式空压机的变频改造及应用
张勇
山西工程职业技术学院
机电一体化专业
引言
空压机的供气。
由于用气设备的工作周期或是生产工艺的差别，使得用气量发生波动，有时会造成空压机频繁加载、卸载。
空压机卸载后电机仍然工频运转，不仅浪费电能而且增加设备的机械磨损；空压机加载过程是突然加载，也会对设备和电网造成较大的冲击。
因此对空压机进行变频改造具有改善电机的启动和运行方式、减少设备的机械磨损、在螺杆式空气压缩机广泛地用于工业生产中，在其控制中采用加载-卸载阀来控制一定范围内节约电能等效果。
空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。
它的用途广泛，可以用于冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石油化工等各个行业。
空压机占大型工业设备（风机、水泵、锅炉、空压机等）耗电量的15%。
经考察，大部分空压机自身存在着以下几个缺点:
（1） 当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，严重浪费能源;
（2） 异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命;
（3） 工作条件恶劣，噪音大;
（4） 自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低;
（5） 空压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大。
针对以上存在的问题，我们设计采用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案，经分析，该方案自动化程度高，节能效果显著，实用性好。
设备取样：
地点：
山西华泽铝电有限公司碳素厂
名称：
螺杆式空压机
型号：
MH132固定型
编号：
10462DZGGAEI
容积流量：
21.0m³/min
排气压力：
1.00MPa
额定功率：
132KW
重量：
2702㎏
外形尺寸：
3200*1587*1905㎜
出厂日期：
2004—09
生产厂家：
中国上海英格索兰压缩机有限公司
一、螺杆式空压机的工作原理
以单螺杆空压机为例说明空气压缩机工作原理。
螺杆式空气压缩机的工作过程分为吸气、密封及输送、压缩、排气四个过程。
空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转。
滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至气缸壁，高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小舒适耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。
经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经过油气分离器进行分离，之后，油气经过油冷却器冷却在经过油过滤器流回储油罐，空气经过气后冷却器（空气冷却装置）进行冷却而进入储气罐。
二、压缩气供气系统组成及空压机控制原理
1压缩气供气系统组成
工厂空气压缩气供气系统一般由空气压缩机、冷干机、过滤器、储气罐、管路、阀门和用气设备组成。
2空气压缩机的控制原理
在工厂的空气压缩机控制系统中，普遍采用后端管道上安装的压力继电器来控制空气压缩机的运行。
空压机启动时，加载阀处于不工作态，加载气缸不动作，空压机头进气口关闭，电机空载启动。
当空气压缩机启动运行后，如果后端设备用气量较大，储气罐和后端管路中压缩气压力未达到压力上限值，则控制器动作加载阀，打开进气口，电机负载运行，不断地向后端管路产生压缩气。
如果后端用气设备停止用气，后端管路和储气罐中压缩气压力渐渐升高，当达到压力上限设定值时，压力控制器发出卸载信号，加载阀停止工作，进气口关闭，电机空载运行。
3空压机变频节能原理
螺杆式空压机基本运行方式是加载、减载方式。
减载时电机空转,能源白白的浪费，如果利用变频器通过改变电机频率来调节转速，变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。
空压机变频节能系统原理如下:
通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。
由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，在电动机上得到相应的转速。
那么空压机输出对应的压缩空气输出至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。
Ⅰ、控制系统由以下部分组成:
变频器、可编程控制器、变频柜、电抗器、压力变送器、震荡传感器等。
Ⅱ、变频调速技术近年来发展迅速，并在许多领域发挥了重要的作用。
空压机变频节能系统原理图如下图：
控制系统由以下部分组成:
变频器、可编程控制器、变频柜、电抗器、压力变送器、震荡传感器等。
Ⅲ、基于PLC的变频控制系统原理图所示。
PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块等组成。
其中采用PLC来实现电气部分的控制。
包括五部分:
起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。
（1）起动:
以两台电机M1，M2为例，可以通过转换开关选择变频/工频启动。
运行:
正常情况，电机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机状态。
现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经PID指令运算，得到频率信号，动动调节转速达到所需压力。
（2）停止:
按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。
（3）切换:
实现M1，M2工频、变频相互切换。
（4）报警及故障自诊断:
空压机内部一般有四个需要监测的量:
冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。
三、变频节能实施的可行性
基于空压机的基本工作原理，空压机结构复杂，运转时间长，配备的功率大。
为了满足设备的用气需求，储气罐内气体必须保持一定的压力，以作缓冲作用，加上设备自身的原因，空气压力变化幅度必然很大，通常采用切断进气的调节方式来改变排气量。
理想转台是供气压力刚好满足需求，保持压力不变，实际上是办不到的，通常是空压机排气量大于实际用气量，空压机保持恒速运转，此时储气罐内气体越积越多，直到压力上升到设定的最高压力。
通常采用以下两种方法解决高压问题：
一是使空压机卸荷运行，保持运转但不产生气体，此时空压机消耗的功率一般在额定功率的50℅左右，全是无用功；二是停止空压机的运行，这样看起来是节约了电能消耗，但是空气储存的容积有限，当气压低于下限压力值时，空压机再次以额定转速给储气罐加压，直到压力达到上限压力而停止，如此循环，如图1所示。
这样频繁的启动和停止，不仅对电网和设备的冲击都很大，而且也缩短了空压机的寿命。
实际上，空压机驱动时轴功率与排气压力和其自身的转速呈正比关系，也就是说在实际的运行中，由于设备用气随时在发生变化，致使空压机不能保持在额定的工况下运行，而排气压力的高低直接影响实际的轴功率的大小。
针对空压机的运行情况，设计出空压机专用变频节能控制器，可以方便地进行连续调节，保持压力、流量等参数的稳定（如图2所示）。
当流量需要量减少时，就可以减低电动机的转速，从而较大幅度地减少了电动机的运行功率，实现了节能的目的。
在空压机的整个运行过程中，如空载运行所占的时间比例（占空比）=t2/（t1+t2）=t2/T（图3）越大，则电能浪费越严重，空压机效率越低，反之电能浪费越小，空压机效率越高。
图3中，P0为空载运行压力，P0=0（关断/停止）要下次启动有损耗，适用周期长次数多的运行情况。
采用变频调速技术能很好地解决空压机空载能源浪费问题，根据空压机实际运行情况及经验总结，采用变频调速后的节电效果如图4所示，由占空比
δ=
=
查图4，要考虑油路选单独泵飞溅方式阀。
变频节能解决方案
由于异步电动机的转速
n=60f（1-s）/p
式中：
f为异步电动机的工作频率；
s为电动机转差率
p为电动机极对数
显然转速n与f成正比，只要改变f,即可改变电动机的转速。
当效率f在0～50Hz的范围内变化，电动机转速调节范围就非常的宽。
变频调速就是通过改变电动机电源频率来实现调速的。
我的实施方案是通过对空压机出口的压力取样，经过闭环自动调节控制技术实现对系统的有效控制。
即由装在空压机出口的压力传感器检测到空气压力信号值，再经过模拟数字信号的转换，通过PID调节器的功能，在确保工作所需压力（根据各设备用气压力的实际情况）的情况下，保证电动机的最小功率输出，在精确控制压力的同时，实现电动机的软启动，而不会产生冲击电流（一般直接启动电流为额定电流的5～7倍），使空压机的使用寿命和检修周期得到延长。
此外还提高了功率因数，改善了供配电系统的电力品质，降低了用电容量的要求，对电力缺相、欠电压、过电流及过载等故障具有保护作用。
相应带来有好处还有：
由于供气压力的稳定，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，且可无级设定，随时可调。
空压机的排气量由空压机的转速来控制，汽缸内阀片不再反复地开启和关闭，阀座、弹簧等工作条件大大的改善，有效的避免了高温和高压气体急剧的流体和冲击，减少了维修的工作量。
在系统设计过程中，还考虑了变频和工频的自由切换功能，一旦变频控制系统发生故障，立即可以切换到工频状态下工作，确保供气的可靠性。
四．螺杆式空气压缩机变频改造
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，加载和卸载方式都为瞬时。
这使得空压机在启动时会有较大的启动电流，加载和卸载时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。
对空压机进行变频改造，能够使电机实现软起软停，减小启动冲击，延长设备使用年限；同时由于电机运行频率可变，实现了空压机根据用气量的大小自动调节电机转速，减少了电机频繁的加载和卸载，使得供气系统气压维持恒定，在一定程度上节约了电能。
2空压机主电路和控制电路的变频改造
以某品牌空压机为例，该品牌型号的空压机采用星-三角启动方式，在其控制电路上有加载继电器（注意该机的控制PLC为日系产品，PLC的数字量输出端为低电平）。
在主电路改造时，将变频器串接进原有的电源进线中；控制电路中增加一个时间继电器JS，时间继电器的线圈一端与220V控制电路零线接通，另一端通过电机主电路上的交流接触器KM1的一对常开触点与220V控制电路火线接通。
同时将加载阀中间继电器与PLC的连线松开，将加载阀中间继电器的一端直接和220V控制电路零线接通，另一端通过时间继电器JS的一对常开触点与220V控制电路火线接通。
变频器的正转信号端子FWD，通过电机主电路上的交流接触器KM1的一对常开触点，与变频器公共控制端CM接通。
变频器的模拟量反馈信号C1和GND端子，与压缩气输送管路上的压力传感器相连接。
3空压机变频改造后的启动和运行方式
空压机变频改造后，电机启动时原有的交流接触器仍然由其控制PLC按星-三角方式动作，但在交流接触器连接为星型时，交流接触器KM1的常开触点没有闭合，变频器FWD端子与CM端子没有接通，变频器不启动、无输出；当PLC控制交流接触器转换为三角形接法后，KM1的常开触点闭合，变频器FWD端子与CM端子接通，时间继电器JS处于延时状态，加载阀不动作，变频器开始空载变频启动电机。
当变频器启动电机完成后，时间继电器JS动作加载阀，变频器自动变频运行。
五、螺杆式空气压缩机变频改造注意事项
1:
在进行变频改造时应该注意，尽量保持原有设备主电路和控制电路的完整性，对其电路的改动越少越好；这有利于在变频器发生故障或是检修时，空压机可以很方便地改动回到原有的控制方式上去，这保证了空压机在变频和工频状态下都可以运行，也使得改造时可以不用重新编写PLC程序。
2:
变频器的启动信号由三角形接法交流接触器KM1控制，既在星形时变频器不启动无输出。
3:
时间继电器JS的整定时间要大于等于变频器的启动时间，这保证变频器空载变频启动。
4:
变频器的下限运行频率一般要设在35赫兹或以上，如果赫兹数太低，可能会造成油气分离器无法有效分离油气，造成空压机漏油现象。
但要根据实际情况具体来考虑设定下限频率值，因为不同的空压机其机械配合磨损和效率不尽相同，其不漏油的下限频率也不一定相同。
5：
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。
6：
为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，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的噪音。
7：
设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。
8:
管路上的压力传感器的安装位置要尽量靠近空压机，不要安装在过滤器或是阀门以后，同时切记压力传感器和空压机之间的管路上不能安装任何阀门元件，防止过滤器堵塞或是阀门关闭后，空压机不停机并发生爆炸危险。
还应该保留空压机原来的压力停机保护开关。
9:
使用变频器下限频率延时停机功能。
10:
按生产工艺要求，变频改造后，适当降低压缩气供气系统的供气压力，将原来的高压变流量供气改变为变频恒压变流量供气方式。
五、螺杆式空气压缩机变频改造节能分析
如图5所示拉力F与摩擦力F′大小相等、方向相反，拉力F在时间T内拉动物体做直线运动，移动位移S。
拉力F在时间T内作的功率P为
由数学知识可知线速度v和旋转角速度ω之间的关系如式2所示,式中f为旋转体的旋转频率。
将式2代入式1可以求得旋转物体摩擦阻力功率如式3所示
由式3可以知道,克服旋转体的摩擦阻力使旋转体匀速转动,需要向旋转体提供的功率按式3公式计算（忽略机械效率损失，认为η为1）。
式3中F′为旋转体的旋转摩擦阻力，r为旋转体的旋转半径，f为旋转体的旋转频率。
所以我们可以在忽略空气压缩机机械效率损失，同时忽略空压机机械效率因为电机转速变化而变化的情况下，即始终认为空压机机械效率η为1，可以近似地认为变频器的输出功率与空压机电机的转速成正比，即成一次方正比例关系。
如图6所示是螺杆式空压机工频运行时的转速/功率-周期示意图。
t1是空压机加载运行时间，t2是空压机卸载运行时间，加载/卸载时的转速和功率分别为P1/n1和P2/n2。
忽略空压机机械效率η的变化，W1和W2分别为空压机加载运行时间t1和卸载运行时间t2中由电源输送给空压机电机的能量。
其中W1转换为压缩空气势能、动能和热能等形式的能量，供设备使用。
而W2则转换为机械的摩擦热能和声音、震动等形式的能量损失掉。
所以螺杆式空压机经过变频改造后，由于电机处于变速运行情况下，而通过式3的推导知道电机的平均功率与电机的平均转速成一次方正比例关系。
空压机变频改造后，是根据用气系统的用气量恒压变流供气；所以变频改造后，空压机在周期T（t1+t2）内所作的功W，等于同等工况下，空压机工频运行时，加载运行时间t1内所作的功W1。
如图7所示。
通过以上分析，可知只要知道螺杆式空压机工频改造前卸载运行时间和卸载电流，就可以大致计算出，相同工况下变频改造后的节能功率和节能电量（忽略机械效率η的变化）。
通过实践证明变频调速技术在空压机上应用节电率由两部分组成。
1）由空载占空比δ计算获得后查图4曲线或近似估算为0.5%。
2）由于采用闭环调节设定压力可取下限值，一般上下限值最少有0.1MPa时可获得7%的节电率效果。
实际接电率是二者之和，即
N=0.5δ+7%
如δ＝50％，压力上限6MPa,下限5MPa,即降1MPa，这样可获得
N=0.5δ+7%=0.5*50%+7%=32%
华泽碳素厂空压机,改造前经测试参数如下:
电机功率132kW，出口压力为5.0～6.0MPa，运行时间为12小时/天，一年运行320天，加载时间为15s，减载时间15s;加载电流为190A，减载电流为90A。
假设经检测其节电率为30%以上。
年节电量（按30%）计算如下:
W节电量=12×320×110×30%=1.27×105（k•Wh）
3台节电量就在38万k•Wh以上.
可见节电效果明显，此外，改造后系统还存在其它优点：
（1）减少了机器的噪音,利用PLC和变频器实现了机器的软启动\软停止,避免了空压机启动时对电网的冲击,减少了对设备的维修量;
（2）两套控制回路可保证系统的正常、安全运行；（3）自动程度高，克服原系统手动调节的缺点。
结束语
在改造过程中应当注意的是，认真分析设备工频运行的历史数据，计算节能空间，仔细分析设备的电路原理，做出最为合理可行的电路改造方案。
利用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案实验结果表明，改造后系统具有节约能源，自动化程度高，降低原系统噪音，减少设备维修量等优点。
当然，在用气量较为稳定且空压机设计容量很恰的工业场合，空压机的变频改造主要目的不是节能，而是改善设备运行工况，延长设备使用时间。
实际应用的事实证明，基比系列通用型低压变频器应用于螺杆式空压机进行变频改造，对于改善设备的运行工况、恒定供气压力、减小机械磨损、节约设备维护维修费用、节约能源都具有非常现实的实际意义。
参考文献：
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