空压机应用

ACIV11变频器在空压机节能改造的应用

一． 空压机工作原理

    空气压缩机（英文为：air compressor）是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。在工业生产中有着极其广泛的应用，在各种行业中它担负着为工厂中所有气动元件，各种气动阀门提供气源的职责。因此，空压机运行状况的好坏直接影响工厂的生产工艺。空压机的种类很多（主要分为螺杆式，活塞式，其中螺杆式空压机应用最广），空压机供气的控制方式都是采用加、卸载的方式控制储气罐的压力在一定的范围内。

1.活塞式空压机的工作原理

活塞式空压机是由电动机带动皮带轮通过联轴器直接驱动曲轴，带动连杆与活塞杆，使活塞在压缩机气缸内作往复运动，完成吸入、压缩、排出等过程,将无压或低压气体升压，并输出到储压罐内。其中，活塞环、活塞与汽缸内壁及汽缸盖构成容积可变的工作腔，在曲柄连杆带动下，在汽缸内作往复运动以实现汽缸内气体的压缩。         

2.螺杆式空压机工作原理

螺杆式空压机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，实现螺杆式空压机的吸气、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，阴转子的槽和阳转子的齿由主电机驱动而旋转。

二、空压机节能改造的必要性

    由于空压机不排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以，选型时只能按最大需求来确定电机容量，造成空压机系统余量一般偏大。传统空压机一般采用星三角、自耦变压器或频敏变阻器启动，启动时电流仍然能达到额定电流的2~3倍，冲击大，会影响到电网的稳定性。且大多数空压机是连续运行，由于一般空压机的电机本身不能根据压力需求的变动来实现降速，使电机输出功率与现场实际压力需求量相匹配，导致在用气量少的时候仍然要空载运行，造成巨大的电能浪费。据统计，空压机的耗电量占工业设备耗电量的15%。因此空压机的节能改造势在必行，另外，空压机还存在以下几个问题：

1、气压超过上限压力时空压机卸载，这时电机仍然在空转，不仅浪费大量的电能，同时增加了电机轴承的磨损。

2、频繁加卸载造成对电网的冲击，使电网电压波动较大，同时也加大了机械磨损，缩短机械寿命。

3、气量无法保持恒压。当用气量不断变化时，供气压力不可避免产生波动，使用气精度达不到工艺要求，影响生产效率及产品品质。

综上所述：若能采用变频调速技术，当用气量减少时，储气罐压力升高，此时压力大于设定压力，通过变频器PID调节，能够降低电动机的转速，从而减小电动机的运行功率，实现节能的目的。

三、V11变频恒压控制系统

1、系统特点

V11变频调速系统将管网压力作为控制对象。压力值由变频器面板给定（V11有多种给定通道），可根据用气设备的实际需要，在空压机的最高允许工作压力内自由设定。与储气罐相连的压力变送器将储气罐的压力转变为4~20mA电流信号送给V11内置PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小控制变频器的输出频率，调整电动机的转速，从而使实际压力始终维持在给定压力。V11内置PID具有稳定性高、调试简单的特点。

2、节能效果

    采用该系统改造后，压缩机组的供气量与系统所需量动态匹配，压缩机电机转速会随着系统用气量的不同而进行调节，避免了电机空转以及频繁的加卸载所带来的能量损耗，电机的输入功率大大降低，节电效果显著。空压机属于恒转矩负载，供气量Q 与转速N 成正比，负载转矩不变，所以轴功率与转速N成正比，见下表：

    一般来说，对于连续用气的空压机系统，随用气量的变化，电动机运行频率在25-50Hz 之间动态调节，除去电机及其它损耗，系统的节电率可达15%～30%。

3、综合效益

    ①运行成本降低：空压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70%。通过降低能源成本30%，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也随之降低，所以运行成本将大大降低。

    ②提高供气质量：变频控制系统具有精确的压力控制能力。通过使空压机的空气压力输出与用户所需的气量相匹配，可以使管网的系统压力保持恒定，有效地提高了供气的质量。

    ③延长压缩机的使用寿命：变频器有软启动功能，可减少启动时对压缩机机械部件的冲击，增强系统可靠性，延长压缩机使用寿命。同时减少空压机启动对电网的冲击。

四、变频系统设计中注意事项

1、空压机是大转动惯量负载，很容易引起V/F控制方式的变频器在启动时出现过电流，在电机转速过低时（如频率小于30Hz）如果V/F曲线调得不好，空压机的震动会加大，噪音也会加大。因此应选用大启动转矩、过载能力强的矢量变频器。V11系列的过载能力达到180%，启动转矩0.5HZ可输出100%转矩，可保证设备运行时稳定可靠、噪音小、供气压力连续稳定。

2、空压机不允许长时间低频运行，若空压机转速过低，一方面会使空压机的工作稳定性变差，噪音加大，另一方面也使缸体的润滑条件变差、磨损加大，进而导致喷油现象。所以，空压机工作的下限频率应不低于25Hz(25Hz以下运行时，电机散热条件变差，电机发热严重，电机温升过高，容易造成电机绝缘降低，降低电机的使用寿命)，且减速时间应尽量短。V11电压波动范围±15%且耐压高、可设置较短的减速时间短，从而避免因减速时间过长而产生的喷油现象。

3、在满足生产工艺的要求下，压力设定越低越好。因为空压机工作压力越高，空压机工作时的背压越高，压缩比越大，所需电动机轴功率就越大，耗电量就越多。

4、供气管网应没有漏气现象，以避免由此导致的电能浪费。

五、V11空压机改造功能参数表：

    应用实例1：佛山中帮无纺使用美国寿力牌空压机，电机功率为280KW，配V11  280KW矢量型变频器。设定加速时间为12S、减速时间为5S，设定压力0.72MP_a。压力稳定在0.71~0.73MP_a。运行数据如下：

    应用实例2：广州花都同昌纸品有限公司有4台30KW的空压机，采用广州市珠峰电气有限公司生产的空压机专用控制器 ACI KYK3/KB。该控制器由微电脑控制，能够实现智能化运行，包括空压机排气温度自动控制，空压机各种故障检测及实时显示、故障保护停机。空压机专用控制器由控制模块，显示屏组成。该控制器配合高性能V11矢量变频器能够有效的控制空压机的稳定运行，即使在25Hz时噪音也很小，不仅能节约电能，还能降低空压机机械磨损，提高轴承的使用寿命，减少维修费用，降低运行成本，综合效益明显。控制原理简图图如下：

   
    通过改造后，运行电流、电机功耗降低（节电18%），维修周期延长（原来半年左右就要维修1次，自2011年3月改造至2012年2月一直在稳定运行），综合成本下降。

六 结束语

    珠峰ACI空压机节电系统作为珠峰电气目前推进的项目，已经成立空压机事业部，变频技术已经成熟成功的应用在了工业生产中，而伺服空压机作为未来的重点项目，也已经在珠峰电气的应用项目中提上了日程。