空压机变频改造原理及节能量计算

随着国家“十四五”规划节能降耗、减排方案的实施，空压机的节能改造也日益受到人们的关注。本文将从空压机的电机变频改造所具备条件，变频改造的原理及节能量的预估计算等方面和大家共同探讨。

一、空压机变频改造所具备的条件

1.空压机自身系统应该具有变频模式和工频模式两套控制回路，以防止变频模式下有异常或者保护时，可以快速切换到工频模式运行，减少停机以免影响生产；

2.空压机有频繁加卸载的状况，一般加载率如果大于85%，做变频改造后节能效果就不显著；

3.双级或两级以上压缩的螺杆空压机、离心机、高压活塞式压缩机、无油压缩机和大功率的压缩机不适合进行变频改造，容易出现烧坏电机的情况。

二、空压机变频改造的原理

在介绍空压机变频改造原理前有必要对空压机的使用现状和加、卸载过程有大概的了解。

1、空压机工作的现状

工厂中空压机“大马拉小车”的现象比较普遍，它主要由如下两个原因造成：

1)在选型阶段，工程人员所选空压机的排气量往往高于使用时的最大需求；

2)空压机应用负荷本来就是变化的，而选择空压机的大小必须要能满足最大负荷要求，但实际上最大负荷只是间断出现，其它时间负荷要小的多。

2、空压机加载和卸载

空压机通过采集排气压力信号来控制进气阀的开度大小实现机器的加载和卸载过程。Pmin是最小压力值即能够保证用户正常工作的最低压力，Pmax是最大压力也是卸载压力。当管网压力达到Pmax时，空压机将关闭进气阀进行卸载，电机处于空载状态；当管网压力继续下降至Pmin时，原控制系统将逐渐打开进气阀直到压力上升到Pmax，此过程为加载。车间用气量不断变化时，供气压力就会出现较大波动，而通过原有机械式的调节进气阀来满足车间用气需求，势必会引起设备频繁加卸载的情况，也就会在加载和卸载的过程中有能量浪费。正是由于空压机有频繁加卸载或过长时间卸载的情况出现，才给变频改造提供了空间。

3、空压机变频改造节能的原理及理论依据

为什么加装变频器就能实现空压机的节能用电呢？而改变空压机电机的输入电源频率就能减少用电又是为什么？其实是有理论计算依据的。根据压缩机的负载性质可得到：

P=k·Q·p

式中：

P——压缩机的有效功率（即加载功率KW);

k——比例系数（机械损耗、铜损耗及铁损耗等因素)

Q——压缩空气的流量（m3/min);

p——排气压力（kPa);

可见，在保证空压机系统压力p不变的前提下，只有减少产气量Q才能降低压缩机的有效功率P。然而这和车间用气需求正好相符合，正是由于车间用气量的减少才造成空压机的卸载，而此时若空压机减少供气就不会出现频繁加卸载或过长时间卸载的情况，从而减少加卸载消耗的电量。所以适时降低空压机的产气量是能满足车间实际用气需求的。而产气量Q又和以下条件有关：(根据容积式压缩机的容积流量与转速成正比)

Q=k·η·V·n/60

其中

Q：表示排气量；

k：表示机械驱动系统的效率；

η：容积效率是压缩过程中空气的回流而导致的效率损失；

V：主机排气容积指压缩腔体每转一周所容纳空气的体积（m3）；

N：转速为空压机每分钟的转速（rpm)；

可知主机转速越高，排气量越大；转速越低，排气量越小。因此只需改变电机的转速n就能减少空压机的产气量Q。而电机的转速又和电机的频率有如下关系：按照电机学的基本原理：

n=（1-s)·60f/p

f=p（n0-n)/60=（n0-n）/n0·pn0/60=s·f0

其中：

n是三相异步电机的转速；

s为转差率；

p为电机极对数；

F是电机运行频率(Hz)；

n0是同步转速；

f0输入电源频率。

从上式中看出电机的转速n正比于电机的运行频率f，由于转差率s—般情况下比较小(0～0.05)，电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以调节了电机的电源频率f0就能改变电机的实际转速n。空压机转速的改变就会引起排气量的变化，排气量的减少就能降低空压机的输入功率从而达到节省能耗的目的。但是，单一的调节电源频率将导致电机性能恶化。具体原因如下：电动机正常运行时，定子漏阻抗压降很小，根据线圈组的基波电动势可以认为

U≈E=4.44fNkwФm

式中

f——电机频率；

N——电机绕组串联匝数；

kw——绕组系数；

Фm——主磁通；

若端电压U不变，则当频率f减小时，主磁通Фm将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增大；而当f增大时，Фm将减少，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电机的容量也得不到充分利用。为了使电机能保持较好的运行性能，要求在调节f的同时，改变定子电压U，以维持Фm不变，或者保持电动机的过载能力不变。U随f按什么样规律变化最为合适呢？一般认为，在任何类型负载下变频调速时，若能保持电动机的过载能力不变，则电动机的运行性能较为理想。电动机的过载能力为：

式中

λt--电机过载能力；

Tm--最大转矩；

TN--额定转矩。

而根据变频调速时电机的机械特性，最大转矩可以用以下式子表示：

式中c为一个常数，m为定子相数，p为磁极对数，U为定子相电压；f为电源频率，L1、L2为定、转子绕组的漏电感。为保持变频前后λt不变，要求下式成立：

其中加“'”的表示变频后的量。

通过以上式子可以知道，要想保持电机的转矩不发生改变，那么电压U和频率f需成正比例调节的方式，这样才能保证电机的过载能力λt不变，同时又满足主磁通Фm不变化。即电机转矩不变TN=TN′时，

这就要求变频器不仅要调节电源频率，还要同时调节电压，而现今的变频器恰能满足这种要求。

变频调速系统以输出压力作为控制对象，在原有的压力罐或输气管道上加装一个压力传感器，将压力信号转化为4-20mA或0-5v直流信号送入到变频器内的PID调节器，与压力设定信号做比较。其差值由调节器做PI运算，再输出信号给变频器，并随时调整变频器的输出频率控制电机转速以维持管道压力稳定在设定的压力值上。若管道压力发生变化将自动进行调节。例如当用气量减少，管道压力增加时，变送器信号大于设定信号，调节器输出减少，变频器输出频率降低，电机转速下降，空压机供气减少使管道压力降低。由于其调控过程较快，短时间内变频器信号和压力给定信号便处于动态平衡状态，从而维持了变频器输出频率稳定，实现了恒压供气使空压机始终处于节电运行状态。

通过电气控制和变频控制的精确配合，在不改变空气压缩机的电机转矩（即带动负载能力）的情况下实时控制电机转速（即输出功率）来响应各车间用气量的变化，保持稳定的系统压力（设定值），让空压机按需输出压缩空气。

以下是空压机变频控制系统图：

调速过程：

用气需求↑——管路压力↓——压力设定值与返馈值的差值↑—PID输出↑——变频器输出频率↑——空压机电机转速↑——供气流量↑——管路压力趋于平稳

下图为不同调节方式下排气量和消耗功率的关系曲线：

从图中可以看到变频调节方式的典型特性。在一定的范围内空压机的功率和容积流量都基本上随转速成正比变化。因此，这种调节方法的经济性好。

三、空压机变频改造注意事项

1.空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起V/F控制方式的变频器在启动时出现跳过流保护的情况。建议选用具有高启动转矩的无速度传感器矢量变频器，保证既能实现恒压供气连续性，又保证设备可靠稳定的运行；

2.空压机不允许长时间在低频下运行。当空压机的转速过低，一方面将使空压机的工作稳定性变差，另一方面也使缸体的润滑变差，会加快磨损。所以工作的下限频率应不低于25Hz；

3.为了有效滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减小因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减小电机运行噪音和温升，提高电动机的稳定性；

4.空压机变频运行状态需保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不超过±0.02MPa；

5.在用电气量小的情况下，变频器处在低频运行时，应保障电机绕组温度和电机的噪音不超过允许的范围。

四、所用变频器的使用要求

1.变频器种类很多，但对压缩机而言有其专门的要求，选择不当会影响变频调节效果。有些工厂自己配有发电设备，电网波动较大对变频空气压缩机用变频器容许输入电压波动范围要求有所提高；

2.电机在低频运行时发热量比较大，所以推荐变频器使用低频特性较好的矢量控制方法；

3.由于空压机是一个控制系统,给出的操作信号可能有多种，所以要求变频器的运转和频率设定来源要有多种，其中通讯方式必不可少；

4.变频器PID功能在系统中，可以接受常用反馈量，且PID要具有反馈异常侦测及反馈异常处理功能，以免发生危险；

5.变频器其它功能，除常用功能外，根据变频空压机厂家建议，增加PT100模拟输入通道要求；

6.工业现场自动化设备较多，需要建立总线网络以完善监控、控制等；

7.变频器的额定输入电流≤16A时,对供电系统产生的谐波电流应符合GB17625.1-2003《电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)》的规定；变频器的额定输入电流＞16A时，对供电系统产生的谐波电流应符GB/Z17625.6-2003《电磁兼容限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制》的规定；

8.变频器的电磁兼容要求按照GB12668《调速电气传动系统》B等级验收（性能）准则规定。

五、节能量计算

空压机在变频改造后的节能量通过理论分析推导可以得出：

假定空压机的工作效率η不变，U——运行电压，I——空载电流，cosφ——空载运行的功率因数，P——电机功率；因此在变频改造前测量出空压机空载运行时的电压、电流、功率因数及空载运行的时间或加卸载比例，就可估算出改造后的节能量大约是多少。

举例如下：某品牌螺杆式空压机

根据上述公式得出变频改造后每小时的节能量为：

W节能=3×380×118×0.86×250/1000=16.7kWh；

空压机每天运行24小时，一天的节能量是：W=16.7×24h=400.8kWh；

平均电费按0.8元/度来计算，每天可节约400.8×0.8=320.64元。

注：以上的节能量计算是理论数据，仅供参考，真正的节能效果还与设备的实际使用情况、变频器给定的参数等因素有关，需要现场真实测量得出。

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