一．系统原工频运行概况 

1、空压机工作原理简述：
原空压机的运行方式为工 频状态。压力采用两点式控制（上、下限控制），也就是当空压机气缸内压力达到设定值上限时，空压机通过本身的油压关闭进气阀，当压力下降到设定值下限时， 空压机打开进气阀。生产的工作状况决定了用气量的时常变化，这样就导致了空压机在半载或轻载下运行，或者经常是加载几分钟，卸载几分钟，频繁的卸载和加 载，对电动机、空压机和电网造成很大的冲击。再说，空压机卸荷运行时，不产生压缩空气，电动机处于空载状态，其用电量为满负载的60%左右，这部分电能被白白的浪费。 

系统在设计时是针对全厂满负荷用气量来设计的，并考虑了富余，是按最大量来设计的的，而现在的工况是用气量经常变化，且经常在半载下运行，在整个系统运行时存在着严重的“大马拉小车”的现象。为了解决这种现象，节约能源，提高经济效益，有必要对现有系统进行变频改造。 

2、原系统工况存在的问题
1）主电机全压起动，起动时的电流很大,会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全，对机械设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护工作量大。
2）主电机时常轻载运行，属非经济运行，电能浪费严重。
3）主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大。 

4）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。 

3、拖动系统的特点：
1）机械特性具有恒转矩性质，电机的轴功率PL与转速n 成正比。
2）大多处于长时间连续运行状态，但负载大小常有变动，为连续变动负载。
3）飞轮力矩大，故要求有较大的启动转矩；
4）有自动卸载与装载装置，在自动卸载或装载时，负载将突变。
4、压缩机的主要控制对象是空气的压力,常见的控制方式有：
1）手动调节输入或输出口的阀门开度；
2）用机械方式进行自动卸载与装载控制；
3）通过改变叶片的角度来调节压力或流量。 

二、采用变频调速拖动系统必要性 

随着电力电子技术的发展，变频器在调速领域中的应用越来越广泛。它具有性能稳定，操作方便，节能效果明显等优点。它是一种较为成熟的高科技产品，越来越受到国内外工程技术人员和管理人员的关注和重视。因此,对空压机进行变频改造具有很高的经济效应和社会效益。
1、从节能的角度看： 

由于压缩机不能排除在满负载状态下长时间运行的可能性，所以，只能按最大需求来决定电动机的容量，故设计容量一般偏大。在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例是非常高的。如采用变频调速，可大大提高运行时的工作效率。因此，节能潜力很大。
有些调节方式（如调节阀门开度和改变叶片的角度等），即使在需求量较小的情况下，也不能减小电动机的运行功率。采用了变频调速后，当需求量较小的情况下，可降低电动机的转速，减小电动机的运行功率，从而进一步实现节能。
2、从运行质量的角度看： 

单电动机拖动系统大多不能根据负载的轻重连续地调节。而采用了变频调速后，则可以十分方便地进行连续调节，能保持压力、流量等参数的稳定，从而大大提高压缩机的工作性能。 

    3、 从减少运行成本方面看
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20%-40%，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。
   4、从提高压力控制精度方面看
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。不再频繁的加载和卸载，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恒定，有效地提高了工况的质量。
5、从延长压缩机的使用寿命方面看
变频器从2HZ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电流波动，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。
6、从降低噪音，改善工作环境来看
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，有效地降了空压机运行时的噪音，提高了操作工人的工作环境。 

三、  变频改造后节能分析 

变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，根据空气量需求的多少来供给的压缩机运行工况，是经济的运行状态，能源节约是最有实际意义的。众所周知，空压机负载为恒转矩负载，其转速  n与流量Ｑ、轴功率P的关系为Ｑ１＝Ｑ２（n1/n2）、P1＝P2(n1/n2)  、也就是说流量和功率成正比 。 

由于实际用气量的变动，假定空压机的运行情况如下：（改造前） 

在满载下运行的时间为10%，此时电机消耗功率为（P1=P0）； 

在70%负载下运行的时间为30%，此时电机消耗功率为（P2=0.9P0）； 

在半载下运行的时间为30%，此时电机消耗功率为（P3=0.85P0）； 

在30%负载下运行的时间为20%，此时电机消耗功率为（P4=0.8P0）； 

在空载下运行的时间为10%，此时电机消耗功率为（P5=0.6P0）； 

（P0为电机额定功率250KW）。 

空压机每日用电量计算如下： 

W前=（0.1P1+0.3P2+0.3P3+0.2P4+0.1P5）х24 

=（0.1+0.3х0.9+0.3х0.85+0.2х0.8+0.1х0.6）ХP0х24 

    =（0.1+0.27+0.255+0.16+0.06）ХP0х24 

    =0.845ХP0х24 

    =20.28P0（KWh） 

假定空压机改造后的运行情况如下：（改造后） 

在满载下运行的时间为10%，此时电机消耗功率为（P1=P0）； 

在70%负载下运行的时间为30%，此时电机消耗功率为（P2=0.7P0）； 

在半载下运行的时间为30%，此时电机消耗功率为（P3=0.5P0）； 

在30%负载下运行的时间为20%，此时电机消耗功率为（P4=0.3P0）； 

在空载下运行的时间为10%，此时电机消耗功率为（P5=0.1P0）； 

（P0为电机额定功率250KW）。 

空压机每日用电量计算如下 

W后=（0.1P1+0.3P2+0.3P3+0.2P4+0.1P5）х24 

=（0.1+0.3х0.7+0.3х0.5+0.2х0.3+0.1х0.1）хP0х24 

    =（0.1+0.21+0.15+0.06+0.01）хP0х24 

    =0.53хP0х24 

    =12.72 P0（KWh） 

每日节省电量= W前－W后 

       =20.28P0-12.72 P0 

             =7.56 P0 

    节电率:7.56 P0/12.72 P0*100%=37.3% 

四、变频改造技术方案 

1、 系统控制原理
  本系统采用压力闭环调节方式，在原来的压力罐（或输气管道）上加装一个压力传感器，通过压力来控制变频器的转速。其控制原理为：将供气管道压力作为调控参数，通过压力变送器（或远传压力表）将压力信号转换为4- 20mA（或0-5V）直流信号，送入变频器内的PID调节器，与压力设定信号比较，其差值由调节器作PI运算，输出信号送给变频器，随时调整变频器的输 出频率，控制电机转速，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，调节过程是：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，压缩机风量减小，使管道压力减小。由于其调控过程较快，短时间内，变换器信号和压 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。其控制系统原理框图如左：
2、改造方案 

设计时，根据电机容量(250KW/380V)选用一台富凌变频器，采用PID调节母管定压控制方式。该系统在设计时，从安全角度考虑，在保留原工频系统情况下，增加变频系统，做到了工频变频互锁切换。通过外部控制电路，使空压机起停操作步骤仍然如前，操作简单，安全可靠。在供气管道上安装压力传感器，通过压力来控制变频器的转速。 

3、变频控制系统组成 

该系统是变频器、电气控制柜、空压机等组成。风光牌电气控制柜主要控制器件全部选用国内外品牌产品、性能稳定、质量可靠、操作方便。 

4、系统改造应注意的问题 

1）、 改造实施前需具备的条件和注意事项： 

u    要改造空压机的电气原理图和接线图完整。 

u    整个工厂的用气状况，是否随着季节波动或随工艺改变波动卸载时间是否变动多以此判断节电率。 

2）、 改造实施中的注意事项： 

u    电动机的散热问题  电动机经过变频器变频后，转速降低，其电机风扇的散热效果也要降低。 

u    空压机的润滑问题  空压机的转速越低，润滑油的耗量也就越小，其润滑效果越差。 

u    系统压力设定问题  在满足生产工艺的要求下，压力设定越低越好，因为空压机的排气压力越高，所需的电机轴功率越大，电机耗电也就越多。 

针对以上问题，我们综合节能效果和空压机的机械特性，考虑了多种方案，最后把系统压力设定为0.6MPa（按客户的生产工艺要求）,把变频器运行频率下限设定为30HZ，这样，即能满足空压机散热和润滑的需要，又能最大限度的降低电能损耗。