关于变频调速技术在空压机的研究与应用

（厦门长天企业有限公司，福建  厦门  361026）

摘  要：变频调速技术是对交流电动机进行智能化控制的技术措施，是变频技术在实际当中的一种应用形式，本文从变频调速技术出发，以空气压缩机的变频改造为例，分析了变频调速技术在自动化控制和节能改造中的具体应用方式，从原理到实践，都表明变频调速技术可以为空压机的智能化控制与节能作出贡献。

关键词：变频调速，空压机节能，变频器应用，效果分析

1 变频调速技术概述

电动机是目前各行业生产中不可或缺的重要设备，生产机械的工作需要电动机拖动来实现设定的工作。上个世纪因为技术发展的限制，电动机运动基本是固定转速的定速拖动。在控制要求的精度不高的环境下，定速运行可以满足大部分的生产需求。而随着工业化和智能化需求，定速控制和拖动的方式已经不能适应生产需求，对传动方式提出了可调的要求。此时电动机的发展也从直流向交流发展，交流电机的造价低性能好，重量轻等优势都是使其获得了较大的应用空间。因此智能调速的技术逐步向交流电机方向发展。实践中使用调速技术后可以大幅度提高机械加工的精度，并可以降低劳动强度和提高生产效率，并为自动化智能控制提供了必要的条件。

具体看变频调速技术，就是在拖动系统中利用变频器驱动电机，实现速度的可调性，也就是让电机按照既定的程序或者方式进行工作。但是不论系统是否采用调速技术，其稳定性是最大的前提，即要求系统在受到外部干扰的时候也可自动恢复功能。交流调速传动主要就是利用电子式电力变换装置对交流电动机的变频调速传动。除了变频调速外还有另一种调速方式，如变极调速、定子变压调速、离合其调速等等，虽然这些技术可以在某种场合下得到应用，但是其性能都不能与变频调速向比。

变频调速的基本基本原理就是通过改变电源的供电频率，引起同步转速的改变，从而改变电机的转动速度。变频调速的突出 是范围大、变速平滑、效率高、动静态特征优良，是一种应用最广且性能较好的交流调速模式。电动机械的特性是根据电动机自身的电气参数而发生改变的，但是因为系统的转动惯量的存在，转速不能发生突变，但是通过外部条件改变电气参数必然会引起电磁转矩的改变，从而破坏原有的转矩平衡关系，此时就会出产生新的系统合转矩。此种情况系统将才产生一个加速度，使得系统加速或减速。当外部调节稳定后，系统转速就会达到平衡，这个过程就是变频调速过程。

2 变频调速技术对空压机改造的应用

2.1 空压机变频控制改造的需求

1）空压机的工频与变频工况比较：空压机的功率往往较大，启动方式多为空载条件下的启动星形三角启动，紧挨着和卸载都是瞬间完成。这就使得空压机在启动电流在瞬时间达到额定电流的4-7倍，价值和卸载时其机械性冲击较大；启动中因为电流变化较大因此对电源冲击大，同时会使得空气源产生波动影响生产；同时此种运行方式因此机械冲击大从而加速了设备的磨损降低了设备的使用寿命；因为普通的空气压缩机的拖动电机本身不具备调速功能，因此不能直接使用压力、流量等变化实现降速调节的目的，以此配合输出功率，电机不能在使用中频繁启动，导致在气量需要较小的时候也必须控制运行，能源浪费严重。

变频调速技术具有较明显的节电效果，其优良的调速能力适应性广泛，且安全可靠。平滑的变速性能和软启动方式可以降低在启动和变速中对机械的冲击，延长了设备的使用寿命；另外因为电机运行的时候频率可以改变，实现了对空压机输出功率的调节，即在气量较小的时候可以降低电机的速度，不需要对空压进行加载和卸载，从而大幅度的提高了电机的运行功率，使得气压供气系统可以保持一个相对稳定的工况，实现了节能目标。

2）空气机的变频调速的现实意义：空气机经过变频调速改造可以突出以下优势：节约能源，提高系统的供气效果，降低运行的成本支出，提高压力控制的精确度，延长压缩机的使用寿命、降低其运行噪音、提高功率因数，最大范围内的降低空气压缩机的高额运转的能源消耗，从根本上改善了空压机的运行成本和工况。

2.2 空压机的变频调速改造要求

在空压机改造中，应保证电机变频运行时储气罐的出口压力稳定，其波动的范围应在生产需求范围之内；系统在控制时应具备变频和工频两种控制回路，工频控制的作用是在变频系统出现故障的时候辅助完成控制，以此保证生产的不受影响；在改造中应根据空压机的具体工况保证电动机具有和转矩的性能特征，以突出变频优势；为了防止各种外界干扰对空压机的影响，变频器的输入端应具备一定的抗电磁干扰的能力；在气量需求降低的情况下，变频器在低频运行，此时应保证电机的绕组温度和电机的运行噪声不超过正常值；如果生产工艺出现改变，改造后的变频控制系统应可以实现对供气气压的调整，利用恒定气压和变流方式进行供气。

3  空压机变频调速节能的实例分析

3.1 改造的具体情况

1）改造的目的是为了对空压机的控制方式进行改造，达到节能运行的目的

2）变频节能依据：（1）变频调速的机理：生产实践中，交流异步电机的转速和电源频率之间是存在密切关系的，其电源的频率将直接影响电动机的转速，当电机的绕组极对数和电动机转差率为固定值时，电机的转速和输入电源的频率成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的转速，从而实现变频调速；（2）变频调速的节能机理：在电动机工作时，负载的功率与转速关系密切，电机的轴功率与电机的转速也成正比例，因此电机转速下降则电机的工作功率也就下降，因此可以通过变速来节能。空压机是一种恒转矩负载工况，不同的速度下转矩相同，但是功率与速度是正比所以当转速降低其功率也会下降，因此可以节约能源。

3.2 空压机能源消耗分析

改造前的不同空压机在工作中有两种工况：一是加载状态；一是空载状态。加载的时候空压机的进气阀打开，吸入空气而输出压缩空气，为生产提供高压空气；空载的时候空气压缩机的进气阀门关闭，停止输出压缩空气，其状态是空转状态。空转状态时电机需要克服机械阻力，需要消耗额定功率的30%的能源，因此如果一台160kw的压缩机空载的时候仍需要负担功率48KW。

生产中普通空压机的控制为上下限模式，空压机的功率消耗和输出压力成正比，输出压力越大则功率消耗也就越高，从输出压力的下限到上限，其消耗的总体功率在10%。一台160KW的空气压缩机就需要多消耗16千瓦的功率。如果一个空压系统中存在多台空压机，而每台都需要在不断的压力调整中改变上下限，无疑会增加整个系统的功率消耗，是一种对资源的浪费。

3.3 变频空压机的节能机理

变频空压机的压力设定是一个点，即将满足生产设备额定压力参数作为一个系统额定压力，变频空压机将根据整个系统内压力的改变趋势而自动调节空气压缩机的转速，以此平和压缩空气的输出量，从而保证整个网络的压力稳定，满足生产的需求。这样减少了空压机的卸载运行的情况，也就节约了电能；同时变频技术让空压机的启动平缓，消除了电流冲击，减少了频繁变速的能源消耗。

3.4 改造方案实施

1）对空压站的改造

改造中如果空压站的设备型号都是一样的，则只需要配置一台变频空压机，也就是只对一台设备进行改造，并同其他工频空压机配合就可以达到降低能耗的目标。当空压站所产生的耗气量小于一台空压机的空气量时就可以利用变频空压机完成供气，如果耗气量大于一台的产气量 则需要启动普通空压机来完成补偿，使其处在加载状态就可以实现与变频设备联动的工况，此种方式就是利用变频空压机来维护供气系统的平衡而降低能耗。

2）具体控制措施

以上面的改造分析，将一台空压机改造成变频设备，在变频控制的同时也应具备手动控制的措施，以便为变频器提供备用控制方式。具体的变频控制方式如下：空压机的运行仍然是由本机的电脑完成，原有的保护和加载运行方式不变。空压机的电机转速调节由变频器控制，控制的依据是根据安装在储气罐的压力测控其将采集到的气压信号传递给变频器，变频器根据气压的改变趋势而调整输出频率从而控制空压机的电机转速，达到调整压力的目标。空压机本身的电脑参数应与变频器控制输出参数向协调，即实现同步相应和控制这样才能保证节能的效果。

3）具体的操控方式

改造后的空压机操作仍然以本机的电压操控为主，开机或者停机以及各种参数的查看都以此为平台。如果要修改工作压力则必须在本机电脑和变频器上完成同时修改。如果将变频空压机切换回到原有的工频方式，则需要以手工方式在控制电柜上进行切换。

3.5 具体的改造对象

首先应对变频器所可能带来的谐波干扰进行控制，降低其对电源和设备的负面影响，加装滤波器；利用专业的变频机软件对空压机的程序进行修改，增加主电机温度保护和反转保护的功能；电机过载的保护应由变频器负责；保证电机的冷却效果，控制电机的内部和表面温度。

4  结束语

变频调速技术的根本原理就是借助对电机输入电流频率的改变而影响电机的运行速度，从而达到对转矩的控制。空压机的交流电机如果在工频条件下完成运行其启动、加载、卸载的过程中都会消耗大量的电能，而这些电能都不能成为有效功率为生产服务，因此利用变频调速技术对空压机的运行进行软性改造，就可以降低工况改变所带来的能源浪费，达到节能的目标。

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来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第2期  在线投稿  >>