一、引言
1.1、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) 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；
(4) 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。
1.2、传统空压机供气系统电能浪费分析
传统空压机供气系统的工作状态主要有两种：一种是加载状态，另一种是空载状态。
(1) 加载时的电能消耗
加载状态是，在压力达到最小值后，原控制方式决定其压力会继续上升直到最大压力值。在加压过程中,一定要向外界释放更多的热量，从而导致电能损失。另一方面，高于压力最大值的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压,这一过程同样是一个耗能过程。
(2) 卸载时电能的消耗空载状态时，当压力达到压力最大值时，空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。据我们测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%～25%,这还是在卸载时间所占比例不大的情况下。换而言之，该空压机20%左右的时间处于空载状态，在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。传统空压机供气系统的压力控制是上下限控制，首先根据生产设备的最低压力要求，设定空压机输出压力的下限，也就是空压机开始加载的压力；再在最低压力上加1帕左右，作为空压机输出压力的上限，即开始卸载的压力。空压机的输出工作压力将在上下限之间波动。空压机的功率消耗和输出压力成正比。输出的压力越高消耗的功率也越大，从输出压力的下限到上限的1帕的压差将多消耗总功率的7-10%。在传统供气空压机系统中，如果有多台空压机同时运行，每台空压机的输出压力都将随着管网的压力波动而在上下限之间波动，所以每台机都多消耗7-10%的额定功率。
传统空压机供气系统中运行参数的设定不同也会造成空压机用电量的不同，必须根据用气工况进行设定，才能达到最经济的运行效果。传统空压机供气系统由于电机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，浪费电能。经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力。
二、空压机的工作原理
螺杆式空压机的工作原理图如图1所示，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再经过油过滤器流回储油罐，空气经过气冷却器(空气冷却装置)进行冷却而进入储气罐。
三、空压机改造原理
（1）、出气口释放阀全部关闭，取消用出气口释放阀调节供气量方式，以避免由此导致的电能浪费。代之以变频器调整电机的转速来调整气体流量，使电机输出的功率与流量需求基本上成正比关系，始终使电机高效率工作，以达到明显的节电效果。例如当用气量是额定供气量的50%时，节电率可达40%以上；
（2）、利用变频器的节能模式，可使电机在轻载时以最高效率运行，减少不必要的电能损耗；
（3）、根据严格的EMS标准，高效的PWM 变频器使用高速低耗的IGBT，降低谐波失真和电机的电能损失。
（4）、可使电机起动、加载时的电流平缓上升，没有任何冲击；可使电机实现软停，避免反生电流造成的危害，有利于延长设备的使用寿命；避免因电流峰值带来的电力公司的罚款；
（5）、采用变频控制系统后，可以实时监测供气管路中气体的压力，使供气管路中的气体的压力保持恒定，提高生产效率和产品质量；
（6）、由于电机在高效率状态下运行，功率因数较高，降低了无功损耗，节约了大量电能。
（7）、保存原释放阀系统，在必要时可参加调节，增强系统的可靠性。
总之，采用恒压供气智能控制系统后，不但可节约30～40%的电力费用，延长压缩机的使用寿命，并可实现恒压供气的目的，提高生产效率和产品质量
四、变频改造方案设计原则
4 ．1 原供气系统介绍
某炼油厂聚丙烯供气系统共有四台37kW 空压机，如下图二，是原聚丙烯空压机供气系统工作流程图，采用三台空压机工频供电运行，另一台空压机作备用。
存在问题是由于工作空压机是用工频供电运行，始终处于满负荷运行，赶产量用气高峰时有气压偏低现象；用气低谷时，特别是节假日休息时，供气压量特别大（该炼油厂聚丙烯供气系统24小时运行）。容易损坏排气阀门或气管爆裂，同时浪费了电能，降低了设备使用寿命。希望恒压供气，三台聚丙烯空压机均衡工作运行。
4.2 变频恒压供气系统框图
空压机改造工作流程图三所示：
针对螺杆式空压机系统供气控制方式存在的诸多问题，我们对该厂二组（即2台110kW、）一对一空压机采用变频调速技术进行恒压供气控制。使用太阳集团见好就收9728PI9200 132G3专用变频器，对该供气系统进行节能改造。
设计方案：采用一对一带工频旁路，同时可转换使用的方式。把聚丙烯空压机供气系统的管网压力作为控制对象，用压力变送器SP采集储气罐的压力P转变为电信号送给变频器内设PID自整定控制仪，与PID自整定控制仪的压力设定值SV作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号通过DSP来控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力值SV。预设了报警功能，当测量值超出上限设定值时AL1发出报警信号，当测量值低于下限设定值时AL2发出报警信号。通过变频器、压力传感器与PID自整定控制仪的有机结合，构成供气闭环自动控制系统，自动调节空压机的输出压力。使每台空压机的利用率均等，增加系统、管道压力的稳定性和可靠性，方便技术员控制和维护设备。
该恒压供气控制系统增加工频与变频切换功能，并保留原有的控制和保护系统，另外，采用该方案后，空压机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击。
五、改造方案原理
由变频器（含工变频转换），压力变送器(远传压力表)、电机、螺旋转子组成压力闭环控制系统自动调节电机转速，使储气罐内空气压力稳定在设定范围内，进行恒压控制。反馈压力与设定压力进行比较运算，实时控制变频器的输出步，从而调节转速，使储气罐内空气压力稳定在设定压力上。
我们的方案是保留使用原主电机，直接在原线路上增加变频器，不改变原来的线路，通过变频控制柜内部的交流接触器进行电子切换，只要通过变频器上的选择开关，即可实现工频/变频模式的切换，这样万一变频器发生了故障，空压机仍然可以以工频模式运行，确保生产的正常。在原来的压力检测上，我们将再增加一个压力检测，检测到的信号将通过PID转换器换算，转换成稳定的高精度信号提供变频器使用，变频器将通过该信号合理调节主电机转速，提高整个系统的性能，同时达到良好的节电目的。
变频器为太阳集团见好就收9728矢量型PI9200系列132KW三相变频器，该款变频器采用华南理工大学的技术，自带过压和欠压保护，过流保护，温度过高保护等保护系统；异常自动断电关闭输出；自带散热排风系统；确保机器的稳定。开机时电机从0Hz开始上升速度，上升频率每秒1Hz，直到目标频率。最高频率为50HZ。下降频率每秒1Hz，直到30Hz 后停止。压力传感在变频器启动后，时刻将数据传输到变频器，反馈实际的压力数值，用于电机的速度控制。当压差比较大，变频器将提高电机转速，确保压力满足输出要求；当压差减少，变频器将降低电机转速，达到节能的目的。当压力达到目标要求，空压机进入空车状态，变频器根据空压机微电脑的信号，进入停机状态。
在空压机旁边，我们将增加一个变频控制柜，变频器、工变频切换装置等设备将安装到控制柜内，控制柜设计有散热系统，确保内部散热良好。控制柜正面设置有变频器监视器，监察变频器的状态，同时上面设置有工变频切换开关，电源开关，急停开关，电源指示灯，故障报警指示灯。
在原主电机散热风扇部位将再增加一个轴流风扇，轴流风扇通过温度控制器控制，当电机低频运转时，自身风扇不能满足散热要求，那么辅助风扇将会打开，帮忙电机散热，主电机自身散热良好，辅助风扇自动关闭，避免辅助风扇消耗电能。在变频器三相电源输入端，我们将增加一个三相EMC电抗器，用于变频器对外辐射谐波信号，影响其他用电器的正常工作，同时也避免其他用电器对整个系统干扰，提高整个变频系统的高稳定性。
按照安装布局图，变频控制柜器安装在靠墙壁上，空压机和变频器间采用满足电流要求的电缆线连接。安装位置图如下：（省略）
六、空压机变频改造后的效益
1）节约能源
变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据空气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状。
2）运行成本降低
传统压缩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77%。通过能源成本降低44.3%，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。
3）提高压力控制精度
变频控制系统具有精确的压力控制能力。使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制电机速度的精度提高，所以它可以使管网的系统压力变化保持在3pisg变化范围，也就是0.2bar范围内，有效地提高了工况的质量。
4）延长压缩机的使用寿命
变频器从0Hz起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。将下限频率调至40Hz，然后用红外线测温仪对空压机电机的温升及管路的油温进行了长时间、严格的监测，电机温升约2-4℃之间，属正常温升范围，油温基本无变化，排气温度下降5℃。所以40Hz下限频率运行对空压机机组的工作很安全。
5）降低了空压机的噪音
根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，因此有效地降了空压机运行时的噪音。现场测定表明，噪音与原系统比较下降约3至7分贝。
七、现场情况及参数设置
深圳某电子有限公司是一家专业从事精密塑料结构件配套产品加工服务的公司，主要为客户提供：产品结构设计，模具设计与制造，精密注塑成型，UV涂装，产品组装等加工服务，主要产品：手机，蓝牙耳，笔记本电脑，机顶盒，投影仪等产品机壳加工配套。公司生产用气非常量非常大，在车间楼顶安装了两台阿特拉斯110KW的空压机，由于只开一台空压机时，气量满足不了生产需求，而开两台时，气量又太大，造成电机长时间空转浪费电能，且易对电机造成不必要的磨损，减短电机使用寿命。所以用户选择我们太阳集团见好就收9728PI9200 132G3 的电流矢量变频器进行节能改造。
生产需要的气量是0.76MPa，现场装有一只远传压力传感器，它可以将气罐压力以4-20mA电流信号反馈给变频器，让整个系统能用变频器PID 实现闭环控制。当压力到达设定压力上限时，空压机开始卸载，同时变频器让空压机以下限频率运行；当压力低于设定频率一定值时，空压机开始加载，同时变频器让空压机加速到上限频率运行。这样既能快速高效满足生产需求，又能最大限度的节约电能，也可以延长空压机使用寿命，一举多得。
为了方便检修及维护，我们使用太阳集团见好就收9728变频柜。它可以实现工变频切换，当须检修时，工频可以正常启动，因为空压机里星三角启动电路还是保留的。所以用户更加方便使用，可以保证检修检修时不停产。
