变频节能技术在螺杆空压机上的运用

摘要：随着社会经济和科学技术的快速发展，在推动社会主义现代化建设的同时，也对电力能源的提供提出了更高的要求，尤其是各种电机设备的节能控制。在构建资源节约型和环境友好型社会的今天，加强对空压机变频PID控制及其节能技术与应用问题的研究，具有非常重大的现实意义。所以本文就对空压机变频控制节能技术和运用进行了分析。

Abstract： with the rapid development of social economy and science technology， electric energy provided is higher requirements in order to promote socialist modernization at the same time ， especially saving energy control of various kinds of electrical equipment. Because of building a resource-conserving and environment-friendly society，，it is of great practical significance to strengthen the compressor inverter PID control and the research of saving energy technology. Technology of frequency conversion air compressor that is energy conservation and use are analyzed in this paper.

关键词：空压机；变频控制；节能技术；PID；运用

中图分类号：TE08 文献标识码： A

引言

可持续发展是我国大力推行的发展策略，低碳生活是我国人民未来追求的生活方式，但是空压机变频技术的应用可以很好解决交流电动机的变频节能问题，这样可以降低异步电动机的能耗，节约成本，得到更高的经济收益，并且顺应了国家节能减排的可持续发展战略。

一、电机变频控制的原理和特点

变频电机是变频器驱动电机的统称，它采用由变频感应电动机和变频器组成的控制系统，提高机械自动化程度和生产效率。以交流电机为例，其同步转速可用下式表示：

n1=60f/p.****

（1）

式

（1）中：n1――同步转速；f――电源频率，50Hz；p――电机磁极对数。

电机转差率用公式表示为：

式

（2）中：s――电机转差率；n――电机转速。

图1所示为电机控制原理。通过电机变频器输出的不同频率，可以对交流电机进行调速。变频调速的主要特点是通过变频器改变输出频率和输出电压，最终达到对转动负载的精确定量控制。除此之外，变频电机还具有以下一些特点。

（1）具备软启动和停止功能。

（2）采用电磁设计，增加了电机电感，从而减少定子和转子的阻值。

（3）满足反复的启制动切换，能够平滑无极调速，保护功能完善，减少设备维修。

（4）节约电能。

图1电机的变频控制原理图

二、螺杆式空压机的工作原理

螺杆式压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对阴阳转子在机壳内作回转运动来达到。螺杆式空压机工作循环可分为进气、压缩、排气三个过程，随着转子的旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。其原理示意见下图：

三、螺杆式空压机传统运行方式存在的问题

对于螺杆式空压机来说，其排气量和转速成线性正比关系。当转速上升，排量增加；当转速下降，排量减少；普通螺杆式空气压缩机传统运行方式为工频恒速运行，而实际生产中的用气量需求却经常处于变动状态，需求变化导致螺杆式空压机频繁加卸载，这样就造成了以下负面效果：

1、加、卸载过程中造成的电能浪费

空压机加载状态下，在压力达到加载压力最小值后，会继续加载升高压力，直到压力达到卸载压力，这时会向外界释放更多的热量，从而导致电能的浪费。而螺杆式空压机工频电机本身不能调速，同时大功率电动机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电动机仍然要空载运行，浪费电能。卸载运行时，当压力达到卸载压力最大值时，空压机关闭进气阀使电动机处于空转状态，同时将分离器中多余的压缩空气通过放空阀放空，从而造成很大的电能浪费。

2、空压机元器件损耗

（1）由于靠机械方式频繁地调节进气阀动作，加速了进气阀的磨损，缩短使用寿命，增加维护工作量，加大成本。

（2）由于工频供电，虽然拖动电机基本上采用星-三角启动，但启动冲击电流仍较大，影响电网电压和其它设备的安全运行；同时对相关设备产生机械冲击而造成损坏，增加维修量。

3、排出的气压不稳定

由于靠机械方式调节进气阀开、关，供气无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力将产生较大的波动，造成供气压力不稳定，影响气动元件的动作过程，从而影响产品质量，甚至会造成废品。

四、空压机变频改造

螺杆空压机的变频改造要求变频器根据用户设定的期望压力和供气端反馈的实时压力的差值进行自动调节。当供气端反馈的实时压力超过用户设定的期望压力时，变频器减小输出频率，反之，则增大输出频率；而当供气端反馈的实时压力等于用户设定的期望压力时，变频器维持实时输出频率，这样来满足供气连续稳定。其流程图见下：

1、实现上述控制，变频器需满足的条件：

（1）用交-直-交变频器作空压机电动机的供电载体

交-直-交型变频器能根据控制对象的需要，输出频率连续可调的交流电压，可方便地改变电动机的转速，以控制空压机的输出气量，满足生产需要。

（2）变频控制系统采用负反馈闭环系统

空压机变频控制的基本要求是，保持空压机输出压力的恒定。由自动控制理论可知，通过压力变送器检测空压机输出压力并反馈到变频器与给定压力构成负反馈，可实现空压机输出压力的恒定。

（3）空气压缩机是恒转矩负载，故变频器选用通用型恒转矩变频器。

（4）变频器应选用有PID功能的变频器（或者另外选购个PID专用控制器）。

（5）变频器的容量一般可按空气压缩机电动机容量选择，也可以选择比电动机容量大一个级别的变频器。

2、系统闭环自动调节作用

闭环系统的自动调节作用是，将被控制量的检测信号，反馈到变频器与被控量的目标值相比较，以判断是否已经达到预定的目标值。如果未达到，则根据两者的差进行自动调整。当空气压力不足，反馈值小于目标值，变频器输出频率增大，电动机转速增高，空气压力增大，直至空气压力与目标值几乎相等为止。当空气压力大，反馈值大于目标值，变频器输出频率下降，电动机转速减小，空气压力减小，直至空气压力与目标值几乎相等为止。变频闭环PID控制，其调节的最终效果和传统的工频恒速空压机运行效果比较见下图：

上图中由于变频闭环调节的作用，供气压力基本稳定，浮动范围在0.01MPa上下。并且保证供气满足要求的同时，节能效果明显。

3、PID过程调节器参数调整

变频器将实时检测到的压力信号作为PID过程控制中的反馈信号，通过不断的调整转速使输出压力与设定值保持一致。PID控制环主要由三个参数决定：比例增益、积分时间、微分时间。这三个参数将会影响到调节过程的响应速率、稳定性、调节幅度等。将比例增益过程中的PID比例增益设为0.3，并增大该值直到反馈信号再次开始失稳为止，然后减小该值，最后将比例增益降低40%-60%。将积分时间过程中的PID积分时间设为20秒，并减小该值直到反馈信号再次开始失稳为止，然后延长积分时间，直到反馈信号稳定为止，最后将该值再增大15%-50%。微分时间中PID微分时间仅用在反应速度非常快的系统中。一般取值是设定积分时间的四倍，只有当比例增益和积分时间完全优化后才能使用微分器。确保反馈信号振荡可以通过反馈信号上的低通滤波器充分衰减。

四、空压机变频控制实践应用

W节电量=12×340×110×35%=1.57×105（k・Wh）

可见节电效果明显，此外，改造后系统还存在其它优点。首先，减少了机器的噪音；其次，控制回路可保证系统的正常、安全运行；最后，自动化程度高，克服原系统手动调节的缺点。

结束语

综上所述，改革开放以来我国进入了可持续发展的战略阶段，各行各业都提出了节能减排的要求。我国的电能一直处于匮乏的阶段，为了更好的对电能实现节能减排，逐渐对传统的电机进行了改革，发展成了现在的变频控制电机。变频控制技术能够根据负载的需求改变电机的驱动功率，减少了电机运转中不必要的能量损耗。本文对空压机及其电机的现状、原理和应用进行了分析和总结。