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　　一、引言：

　　空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備，主要有吸氣、壓縮、作功輸送和排氣四個主要過程。已有幾百年的應用歷史，在機械結構方面也經過了100年的發展，原理是成熟的，但大容量的空壓機在工作過程的帶載啟動和泄載一直是一個難題。在結構上分常見有活塞式、螺桿式、和離心式等。它的用途廣泛，可以用于冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石油化工等各個行業。空壓機占大型工業設備（風機、水泵、鍋爐、空壓機等）耗電量的15%。經考察，大部分空壓機自身存在著以下幾個缺點:

　?。?） 當輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機空轉，屬非經濟運行，造成嚴重的能源浪費。

　?。?） 異步電動機易頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命;

　?。?） 工作條件惡劣，自動排空放氣時噪音極大，造成環境污染。

　　（4） 自動化程度低，輸出壓力的調節是靠人為調節閥的開度來實現的，調節速度慢，波動大，不穩定，精度低;

　?。?） 空壓機工頻啟動電流大，對電網沖擊大，電機軸承磨損大，設備維護量大。

　　（6）上下限壓力不易調節。壓力調得太小則易造成不斷的起停而燒毀電機及電磁開關；調節的太大則易造成管路的高壓力、高的傳送損失、漏氣、管路破裂的危險，而且壓力范圍太大也無法滿足現代化工藝要求。

　　綜上所述：可用VVVF對現用的空壓機系統進行改造，以建立恒壓供氣系統，從而達到節電、減少噪音、降低設備磨損、減少電網沖擊、提高功率因數、起到穩定產品質量的效果。

　　二、空壓機變頻改造原理介紹（以螺桿機為例）：

　　2.1　空壓機的工作原理

  
圖1　螺桿式空壓機的工作原理圖

　　螺桿式空壓機的工作原理圖如圖1所示，空氣經空氣過濾器和吸氣調節閥而吸入，該調節閥主要用于調節氣缸、轉子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽轉子旋轉相對于氣缸里偏心方式運轉?；惭b在轉子的槽中，并通過離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統能夠確保壓縮機良好的冷卻及潤滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經過油氣分離器進行分離之后，油氣經過油冷卻器冷卻再經過油過濾器流回儲油罐，空氣經過氣冷卻器（空氣冷卻裝置）進行冷卻而進入儲氣罐。

　　2.2　空壓機變頻節能原理

　　變頻調速技術近年來發展迅速，并在許多領域發揮了重要的作用。空壓機變頻節能系統原理框圖如圖2。

圖2　空壓機變頻節能系統原理框圖

　　由于許多螺桿式空壓機運行方式是加載、減載方式。減載時電機空轉,那么能源都被白白的浪費了，而電動機轉速自身不能改變，只能通過改變電機頻率來調節轉速。變頻控制即通過改變電動機的轉速來控制空壓機單位時間的出風量，從而達到控制管路的壓力。原理如下:通過壓力變送器測得的管網壓力值與壓力的設定值相比較，得到偏差，經PID調節器計算出變頻器作用于異步電動機的頻率值。由變頻器輸出的相應頻率和幅值的交流電，使電動機上得到相應的轉速。那么空壓機輸出相應的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網壓力與給定壓力值相同。

　　三、變頻改造注意事項以及設計原則

　　3.1　應明確空壓機是大轉動慣量的恒轉矩負載，這種啟動特點很容易引起變頻器在啟動時出現跳過流保護的情況，建議采用具有高啟動轉矩的恒轉矩變頻，保證既能實現恒壓供氣的連續性，又可保證 設備可靠穩定的運行;不推薦用變轉矩的變頻。

　　3.2　空壓機不允許長時間在低頻下運行，空壓機轉速過低，一方面使空壓機穩定性變差，另一方面也使缸體潤滑度變差，會加快磨損。所以工作下限應不低于25Hz;

　　3.3　建議功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動出現頻繁跳閘的情況，也便于日后的系統工況擴展。

　　3.4　為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減少電機運行的噪音，提高電機的穩定性;

　　3.5　設計的系統應具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現異常保護時，不至于影響生產的正常進行。

　　3.6　電機變頻運行狀態保持儲氣罐出口壓力穩定，壓力波動范圍不能超過±0.02Mpa。

　　3.7　一臺變頻器能控制兩臺空壓機組，可在柜體內用轉換開關切換。

　　3.8　為了防止非正弦波干擾空壓機控制器，變頻器輸入端應有抑制電磁干擾的有效措施。控制線信號線采用屏蔽線纜，布線時要和動力電路分開，防止干擾引入

　　四、變頻器的選型：

　　據上原則，經過調研、比較，英格索蘭壓縮機公司（IR）最終選擇歐瑞傳動公司生產的F1500-G系列315KW通用型變頻器，以滿足其配套及系統節能工況改造要求。

　　4.1　F1500-G變頻器的頻率精度：數字設定為±0.01%；模擬設定為上限頻率＊0.4%。可使壓力波動范圍滿足設計要求。

　　4.2　系統設計了變頻和工頻兩套主回路。（參見產品柜圖）

　　4.3　系統設計了閉環與開環兩套控制回路。

　　4.4　使用轉換開關可使變頻器任意控制兩臺空壓機組中的一臺。

　　4.5　F1500-G型變頻器適用恒轉矩特性負載，該變頻器還具有轉矩補償和提升的功能。

　　4.6　在該變頻器上端加裝輸入電抗器，有效的抑制了變頻器對電網的干擾。

　　4.7　在該變頻器下端加裝輸出電抗器，保障了低頻運行時電機溫度噪音不超過允許范圍。

　　4.8　選用315KW的變頻器控制250KW的電動機，在一定程度上滿足了將來工況擴展要求。

　　五、改造及配套方案原理

　　5.1　由變頻器，壓力變送器、電機、螺旋轉子組成壓力閉環控制系統自動調節電機轉速，使儲氣罐內空氣壓力穩定在設定范圍內，進行恒壓控制。

　　反饋壓力與設定壓力進行比較運算，實時控制變頻的輸出頻率，從而調節電機轉速，使儲氣罐內空氣壓力穩定在設定壓力上。

　　5.2　充分利用歐瑞傳動F1500-G通用恒轉矩變頻所擁有的閉環轉開環功能特點，將控制板端子OP1—OP8（對應功能碼F408-F415）任一端子定義為19（閉環切換到開環功能），將運行調整模式從PI調節切換至F204所設定的調整模式，當該功能端子與CM斷開時，為閉環控制；與CM短接時，為開環控制。此定義端子接原系統空壓機內部控制板的加減載信號。變頻隨著系統板的控制信號，變換工作在閉環（PI）與開環（F204=1數字頻率設定，鍵盤UP\DOWN調節，掉電保存結果。）狀態。加減載信號由原空壓機的信號采樣控制板控制，保存原釋放閥系統，在必要時也參與調節，增強了系統的可靠性！如果生產現場工況用氣量極少，那么變頻自動進行PI調節使輸出頻率降低，如此時的壓力MPa值還未降至預計值，此時由空壓機的壓力采樣控制板輸出減載信號指令輸出到變頻的閉環轉開環端子，使變頻運行在固定的數字頻率設定值27HZ，運行在此一底限頻率值，能比較好地解決加速時間慢的問題，同時也解決了電機長期在低頻下運行的溫升問題，和空壓機齒輪泵供油的潤滑問題。此信號同時也去控制釋放閥。如果生產現場的用氣量正常，則依靠變頻自身的PI功能，系統壓力會穩定在預設值范圍內。則此時來講，閉環轉開環的轉換功能也就用不上了，變頻持續工作在閉環PI狀態下。

　　5.3　控制板端子配線：

　　OP7——定義為FWD（RUN/STOP）,接控制板的運行/停機信號；

　　OP8——定義為閉環轉開環信號，由原空壓機加減載內部控制板取來。

　　CM——控制信號的參考地。

　　GND——壓力反饋控制4－20MA信號負輸入端。

　　AN2——壓力反饋控制4-20MA信號正輸入端。

　　TB & TC——外接指示儀表，故障表征輸出。

　　六、系統調試：

　　調試工作分成兩部分：

　　第一，先根據工藝要求、電機參數、負載特性預調變頻器參數。（變頻控制參數表詳見附表1）

　　第二，系統聯動調試。

　　在完成變頻器設定參數調整及空載運行后，進行系統聯動調試。調試的主要步驟：

　　6.1　將變頻器接入系統。

　　6.2　進行工頻旁路的運行。注意此時電機的轉向，應確保變頻與工頻回路的電機轉向一致。

　　6.3　進行變頻回路的運行，其中包括開環與閉環控制兩部分調試：

　　開環：此時主要觀察變頻器頻率上升的情況，設備的運行聲音是否正常，空壓機的壓力上升是否穩定，壓力變送器顯示是否正常，設備停機是否正常等。如一切正常，則可進行閉環的調試。

　　閉環：主要依據變頻器頻率上升與下降的速度和空壓機壓力的升降相匹配，不要產生壓力振蕩，還要注意觀察機械共振點，將共振點附近的頻率跳過去。