隨著國家“十四五”規劃節能降耗、減排方案的實施，空壓機的節能改造也日益受到人們的關注。本文將從空壓機的電機變頻改造所具備條件，變頻改造的原理及節能量的預估計算等方面和大家共同探討。

    一、空壓機變頻改造所具備的條件

    1.空壓機自身系統應該具有變頻模式和工頻模式兩套控制回路，以防止變頻模式下有異常或者保護時，可以快速切換到工頻模式運行，減少停機以免影響生產；

    2.空壓機有頻繁加卸載的狀況，一般加載率如果大于85%，做變頻改造后節能效果就不顯著；

    3.雙級或兩級以上壓縮的螺桿空壓機、離心機、高壓活塞式壓縮機、無油壓縮機和大功率的壓縮機不適合進行變頻改造，容易出現燒壞電機的情況。

    二、空壓機變頻改造的原理

    在介紹空壓機變頻改造原理前有必要對空壓機的使用現狀和加、卸載過程有大概的了解。

    1、空壓機工作的現狀

    工廠中空壓機“大馬拉小車”的現象比較普遍，它主要由如下兩個原因造成：

    1)在選型階段，工程人員所選空壓機的排氣量往往高于使用時的最大需求；

    2)空壓機應用負荷本來就是變化的，而選擇空壓機的大小必須要能滿足最大負荷要求，但實際上最大負荷只是間斷出現，其它時間負荷要小的多。

    2、空壓機加載和卸載

    空壓機通過采集排氣壓力信號來控制進氣閥的開度大小實現機器的加載和卸載過程。Pmin是最小壓力值即能夠保證用戶正常工作的最低壓力，Pmax是最大壓力也是卸載壓力。當管網壓力達到Pmax時，空壓機將關閉進氣閥進行卸載，電機處于空載狀態；當管網壓力繼續下降至Pmin時，原控制系統將逐漸打開進氣閥直到壓力上升到Pmax，此過程為加載。車間用氣量不斷變化時，供氣壓力就會出現較大波動，而通過原有機械式的調節進氣閥來滿足車間用氣需求，勢必會引起設備頻繁加卸載的情況，也就會在加載和卸載的過程中有能量浪費。正是由于空壓機有頻繁加卸載或過長時間卸載的情況出現，才給變頻改造提供了空間。

    3、空壓機變頻改造節能的原理及理論依據

    為什么加裝變頻器就能實現空壓機的節能用電呢？而改變空壓機電機的輸入電源頻率就能減少用電又是為什么？其實是有理論計算依據的。根據壓縮機的負載性質可得到：

    P=k·Q·p

    式中：

    P——壓縮機的有效功率（即加載功率KW);

    k——比例系數（機械損耗、銅損耗及鐵損耗等因素)

    Q——壓縮空氣的流量（m3/min);

    p——排氣壓力（kPa);

    可見，在保證空壓機系統壓力p不變的前提下，只有減少產氣量Q才能降低壓縮機的有效功率P。然而這和車間用氣需求正好相符合，正是由于車間用氣量的減少才造成空壓機的卸載，而此時若空壓機減少供氣就不會出現頻繁加卸載或過長時間卸載的情況，從而減少加卸載消耗的電量。所以適時降低空壓機的產氣量是能滿足車間實際用氣需求的。而產氣量Q又和以下條件有關：(根據容積式壓縮機的容積流量與轉速成正比)

    Q=k·η·V·n/60

    其中

    Q：表示排氣量；

    k：表示機械驅動系統的效率；

    η：容積效率是壓縮過程中空氣的回流而導致的效率損失；

    V：主機排氣容積指壓縮腔體每轉一周所容納空氣的體積（m3）；

    N：轉速為空壓機每分鐘的轉速（rpm)；

    可知主機轉速越高，排氣量越大；轉速越低，排氣量越小。因此只需改變電機的轉速n就能減少空壓機的產氣量Q。而電機的轉速又和電機的頻率有如下關系：按照電機學的基本原理：

    n=（1-s)·60f/p

    f=p（n0-n)/60=（n0-n）/n0·pn0/60=s·f0

    其中：

    n是三相異步電機的轉速；

    s為轉差率；

    p為電機極對數；

    F是電機運行頻率(Hz)；

    n0是同步轉速；

    f0輸入電源頻率。

    從上式中看出電機的轉速n正比于電機的運行頻率f，由于轉差率s—般情況下比較小(0～0.05)，電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以調節了電機的電源頻率f0就能改變電機的實際轉速n。空壓機轉速的改變就會引起排氣量的變化，排氣量的減少就能降低空壓機的輸入功率從而達到節省能耗的目的。但是，單一的調節電源頻率將導致電機性能惡化。具體原因如下：電動機正常運行時，定子漏阻抗壓降很小，根據線圈組的基波電動勢可以認為

    U≈E=4.44fNkwФm

    式中

    f——電機頻率；

    N——電機繞組串聯匝數；

    kw——繞組系數；

    Фm——主磁通；

    若端電壓U不變，則當頻率f減小時，主磁通Фm將增加，這將導致磁路過分飽和，勵磁電流增大，功率因數降低，鐵心損耗增大；而當f增大時，Фm將減少，電磁轉矩及最大轉矩下降，過載能力降低，電機的容量也得不到充分利用。為了使電機能保持較好的運行性能，要求在調節f的同時，改變定子電壓U，以維持Фm不變，或者保持電動機的過載能力不變。U隨f按什么樣規律變化最為合適呢？一般認為，在任何類型負載下變頻調速時，若能保持電動機的過載能力不變，則電動機的運行性能較為理想。電動機的過載能力為：

    式中

    λt--電機過載能力；

    Tm--最大轉矩；

    TN--額定轉矩。

    而根據變頻調速時電機的機械特性，最大轉矩可以用以下式子表示：

    式中c為一個常數，m為定子相數，p為磁極對數，U為定子相電壓；f為電源頻率，L1、L2為定、轉子繞組的漏電感。為保持變頻前后λt不變，要求下式成立：

    其中加“'”的表示變頻后的量。

    通過以上式子可以知道，要想保持電機的轉矩不發生改變，那么電壓U和頻率f需成正比例調節的方式，這樣才能保證電機的過載能力λt不變，同時又滿足主磁通Фm不變化。即電機轉矩不變TN=TN′時，

    這就要求變頻器不僅要調節電源頻率，還要同時調節電壓，而現今的變頻器恰能滿足這種要求。

    變頻調速系統以輸出壓力作為控制對象，在原有的壓力罐或輸氣管道上加裝一個壓力傳感器，將壓力信號轉化為4-20mA或0-5v直流信號送入到變頻器內的PID調節器，與壓力設定信號做比較。其差值由調節器做PI運算，再輸出信號給變頻器，并隨時調整變頻器的輸出頻率控制電機轉速以維持管道壓力穩定在設定的壓力值上。若管道壓力發生變化將自動進行調節。例如當用氣量減少，管道壓力增加時，變送器信號大于設定信號，調節器輸出減少，變頻器輸出頻率降低，電機轉速下降，空壓機供氣減少使管道壓力降低。由于其調控過程較快，短時間內變頻器信號和壓力給定信號便處于動態平衡狀態，從而維持了變頻器輸出頻率穩定，實現了恒壓供氣使空壓機始終處于節電運行狀態。

    通過電氣控制和變頻控制的精確配合，在不改變空氣壓縮機的電機轉矩（即帶動負載能力）的情況下實時控制電機轉速（即輸出功率）來響應各車間用氣量的變化，保持穩定的系統壓力（設定值），讓空壓機按需輸出壓縮空氣。

    以下是空壓機變頻控制系統圖：

    調速過程：

    用氣需求↑——管路壓力↓——壓力設定值與返饋值的差值↑—PID輸出↑——變頻器輸出頻率↑——空壓機電機轉速↑——供氣流量↑——管路壓力趨于平穩

    下圖為不同調節方式下排氣量和消耗功率的關系曲線：

    從圖中可以看到變頻調節方式的典型特性。在一定的范圍內空壓機的功率和容積流量都基本上隨轉速成正比變化。因此，這種調節方法的經濟性好。

    三、空壓機變頻改造注意事項

    1.空壓機是大轉動慣量負載，這種啟動特點很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動時出現跳過流保護的情況。建議選用具有高啟動轉矩的無速度傳感器矢量變頻器，保證既能實現恒壓供氣連續性，又保證設備可靠穩定的運行；

    2.空壓機不允許長時間在低頻下運行。當空壓機的轉速過低，一方面將使空壓機的工作穩定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會加快磨損。所以工作的下限頻率應不低于25Hz；

    3.為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減小電機運行噪音和溫升，提高電動機的穩定性；

    4.空壓機變頻運行狀態需保持儲氣罐出口壓力穩定，壓力波動范圍不超過±0.02MPa；

    5.在用電氣量小的情況下，變頻器處在低頻運行時，應保障電機繞組溫度和電機的噪音不超過允許的范圍。

    四、所用變頻器的使用要求

    1.變頻器種類很多，但對壓縮機而言有其專門的要求，選擇不當會影響變頻調節效果。有些工廠自己配有發電設備，電網波動較大對變頻空氣壓縮機用變頻器容許輸入電壓波動范圍要求有所提高；

    2.電機在低頻運行時發熱量比較大，所以推薦變頻器使用低頻特性較好的矢量控制方法；

    3.由于空壓機是一個控制系統,給出的操作信號可能有多種，所以要求變頻器的運轉和頻率設定來源要有多種，其中通訊方式必不可少；

    4.變頻器PID功能在系統中，可以接受常用反饋量，且PID要具有反饋異常偵測及反饋異常處理功能，以免發生危險；

    5.變頻器其它功能，除常用功能外，根據變頻空壓機廠家建議，增加PT100模擬輸入通道要求；

    6.工業現場自動化設備較多，需要建立總線網絡以完善監控、控制等；

    7.變頻器的額定輸入電流≤16A時,對供電系統產生的諧波電流應符合GB17625.1-2003《電磁兼容限值諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16A)》的規定；變頻器的額定輸入電流＞16A時，對供電系統產生的諧波電流應符GB/Z17625.6-2003《電磁兼容限值對額定電流大于16A的設備在低壓供電系統中產生的諧波電流的限制》的規定；

    8.變頻器的電磁兼容要求按照GB12668《調速電氣傳動系統》B等級驗收（性能）準則規定。

    五、節能量計算

    空壓機在變頻改造后的節能量通過理論分析推導可以得出：

    假定空壓機的工作效率η不變，U——運行電壓，I——空載電流，cosφ——空載運行的功率因數，P——電機功率；因此在變頻改造前測量出空壓機空載運行時的電壓、電流、功率因數及空載運行的時間或加卸載比例，就可估算出改造后的節能量大約是多少。

    舉例如下：某品牌螺桿式空壓機

    根據上述公式得出變頻改造后每小時的節能量為：

    W節能=3×380×118×0.86×250/1000=16.7kWh；

    空壓機每天運行24小時，一天的節能量是：W=16.7×24h=400.8kWh；

    平均電費按0.8元/度來計算，每天可節約400.8×0.8=320.64元。

    注：以上的節能量計算是理論數據，僅供參考，真正的節能效果還與設備的實際使用情況、變頻器給定的參數等因素有關，需要現場真實測量得出。

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