变频器在活塞式空压机中的应用
发布时间：2019-08-02 10:20:19来源：
变频器在活塞式空压机中的应用
1 引言某煤矿机械厂是我国煤炭机械行业中的一类大型骨干
企业，其空压机站由3 台132kW的活塞式空压机组成，为全
厂提供压缩空气，其地位非常重要，同时能耗巨大。因此在
2005年5月，该厂对原系统的一台空压机进行了变频改造， 引
入闭环控制和变频调节，使节电率达到了29%，同时也提高
了控制系统精度，并使该空压机站的控制系统达到先进水平。
2 空压机运行工况分析
人们通常用的都是活塞式空压机， 活塞在气缸内作往复运
行，从而使气缸内气体容积发生变化，并与气缸内气阀作相
应的开闭动作配合，通过吸气、压缩、排气等动作，将无
压或低压气体升压，输出到储压罐内。压力控制采用上、下
限控制方式，就是当空压机气缸内压力达到设定值上限 HH
时，空压机通过本身的油压关闭进气阀，电动机卸荷运行，
此时不产生压缩空气，电机处于空载状态；当压力下降到设
定值下限HL 时，空压机打开进气阀，产生压缩空气。这种
运行方式存在极大的能量浪费：
首先，这种控制方式存在压力波动，要使压力波动不影
响使用， 就得把压力低限设为用气设备可正常使用的比较低压力
HL，假设在此压力下空压机满负载消耗的功率为PL。试验证
明，当空压机满负载运行、排气压力在某一范围内波动时，
其输入功率P与排气压力H满足如下关系：
P = PL ×（H / HL）
即空压机驱动轴上所需要的轴功率P 与排气压力H 成正
比。这样，在实际运行中，由于用气量的变化，空压机排
气压力始终高于等于HL，导致空压机在带载运行时，其消耗
功率都高于等于PL。
其次，当空压机气缸内压力达到设定值上限HH时，电机
卸荷，转为空载运行，此时其用电量为满负载的30%～60%
左右，这部分电能被白白的浪费。
也正是由于这种上、下限位式两点控制，导致当用气量
与额定产气量相差较大时，空压机会频繁的卸载和加载，对
电动机、空压机和电网造成很大的冲击。
由以上分析可以看出，当用气量与额定产气量相差较大
时，如果用变频器控制电机的转速，把排气压力设为HL，使
空压机产气量随用气量的变化而变化， 既维持了排气压力的稳
定，又避开了电机的空载运行，节能潜力非常可观。
3 空压机闭环控制方案
笔者采用以空压机输出压力为控制对象的闭环控制方案。
经压力传感器取出的反馈信号，送至PID 调节器，与预置的
压力给定信号相比较，经PID调节后的4～20mA信号接至变
频器的给定端，调节空压机的工作频率和转速。当送气管网
压力低于压力给定时，PID输出控制信号将提高变频器输出频
率，否则将降低变频器输出频率，直至送气管网压力与设定
的压力给定值相等。其系统框图如图1 所示。
图1 空压机闭环控制系统图
4 设备选型及电气实现
空压机的械特性有些特殊，选择变频器应基于以下两
点：
(1) 空压机的机械特性具有恒转矩性质，且其飞轮力矩
编号：060307
大，需要有较大的起动转矩，所以选择变频器不能选择一般
风机泵类变频器，必须选择恒转矩类变频器。
(2) 变频器要有PID调节功能，否则就必须加外置PID调
节器，不但会增加投资成本，还会降低系统可靠性。
由此，笔者选择了ABB ACS800变频器，该系列变频器
具有以下突出特点：
? 采用了直接转矩控制技术（DTC），自起动快，起
动转矩大，比较大起动转矩可达到200%的额定转矩；
? 快速的阶跃转矩上升，上升时间小于5ms；
? 通过磁通优化，可使变频器和电动机总效率提高1%～
1 0%，同时还可降低电动机噪声；
? 内置PID控制器，且PID参数可自调整，节约了用于
闭环控制的附加成本；
? 方便灵活的软件组态功能，通过调用预置的应用宏，
完成标准变频器功能的设定。
由ABB ACS800-210变频器组成的闭环控制系统电气原理
图如图 2 所示。
制作控制柜时，要把变频器控制盘安装到控制柜的面板
上， 既可以方便地设定送气压力， 又可以观察变频器输出频率、
电流和送气管网实际压力等信息。
5 变频改造中应注意的问题
(1) 电机的散热问题。电机变频运行后，转速降低，装
在电机轴上的散热风扇转速同样降低， 电机的散热效果变差。
(2) 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。
(3) 系统压力设定问题。由运行工况分析可知，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，
所以在满足生产工艺的要求下， 压力设定值要尽可能的低一些。
针对以上问题，笔者综合节能效果和空压机的机械特性，
考虑了多种方案，比较后把系统压力设定为0.6MPa，把变频器
运行频率下限设定为28Hz，这样，既能满足空压机散热和润
滑的需要，又能比较大限度的降低电能损耗。
图2 空压机闭环控制电气原理图
6 节能效果及综合效益分析
改造前，空压机经常是加载2min，卸载2min，加载运
行时电流为230A，卸载运行时电流为110A。改造后，空压
机运行频率经常在30Hz～40Hz之间，运行电流平均为120A，
基本上没有卸载时间。空压机平均每天工作16小时，每月工
作26天。假定电机功率因数为0.85，空压机每月用电量W计
算如下：
W前＝P×16×26/1000
＝30.5
UI×0.85×16×26/1000
＝1.73×380×(230×0.5＋110×0.5)×0.85×16×
26/1000
＝379 98（度）
W后＝1.73×380×120×0.85×16×26/1000
＝278 95（度）
每月节省电量＝W前－W后
＝37998-27895
＝10103（度）
按每度电0.6元计， 每月可节省电费＝10103×0.6＝6061.8 （元）
整套空压机系统改造费用10 万元左右，约一年半就能收
回设备投资。
空压机变频改造后，还具有以下优点：
(1) 电动机软启软停，对电机、空压机、电网的冲击大
为减小，延长了设备的使用寿命，减少了设备的维修量和维护
费用；
(2) 进一步完善了保护功能，如热保护，过电流、过电
压、欠电压、短路、缺相保护等功能；
(3) 操作简单方便，运行平稳，电机、空压机温升正常，
噪音、振动减小；
(4) 空压机不再频繁的加载和卸载，供气压力稳定，提
高了产品质量。
其他作者 ：张刚（1972-），男，讲师，研究方向为FCS、自动测控
技术等。
参考文献
[1] 韩安荣. 通用变频器及应用[M]. 北京: 机械工业出版社.
[2] 宛如意, 等. 空气压缩机系统的变频调速节能改造[J]. 变频器世界, 2001-4.
[3] ABB. ACS800固件手册[Z].