1引言
为了落实公司的二次创业精神，节能降耗是现阶段所面临的棘手问题。经公司节能专家小组的评估，决定对公司一台螺杆式空压机进行变频节能改造。
空压机按工作原理分类有速度式（透平式）和容积式二种。速度式空压机的作用原理是通过某种方式使气体流动速度加快后，再在扩压装置中急剧减速后将气体动能转化为气体静压能，以提高气体压力。容积式空压机的作用原理是通过压缩空气体积达到使气体压力增加的目的。容积式空压机以螺杆式空压机最为常见，其工作原理是：由一对相互平行齿合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，从而实现空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽及阳转子齿被主电机驱动而旋转。
2空压机的控制过程
空压机供气系统的控制过程一般为：按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放气阀则打开以排放油气分离器内的压力。等降压2秒后空压机开始加载运行，系统压力开始上升。空气通过进气过滤器将大气中的灰尘或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的冷却润滑油混合，经压缩后的混合气体从压缩腔排入油气分离罐，此时压缩排出的含油气体通过碰撞、拦截、重力作用，绝大部份的油介质被分离下来，然后进入油气精分离器进行二次分离，得到含油量很少的压缩空气，如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力时，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行。当系统压力下降至压力开关下限值，即回跳压力时，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运行。
3原空压机系统工况的问题分析
主电机虽然以星三角降压起动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全。主电机时常空载运行，属非经济运行，电能浪费最为严重。主电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以对设备的维护量大。主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大。
当达到卸载压力时，空压机自动打开卸载阀，使电机空转，造成严重的能量浪费。空压机卸载时的功耗约占满载时的30%~50%，可见传统空压机有明显的节能空间。
鉴于以上对空压机的原理说明以及目前的工况分析，我们认为对空压机的节能改造是必要的，这样不仅能够节约大量的运行费用，降低生产成本。
4变频节能改造方案
4.1变频节能原理
通过变频器使电机输入电压的频率变化，控制电机的转速变化，从而控制电机的输出功率与空压机的输入功率。这种调节方式可以实现电机转速的连续调节，使空压机在设计的情况下运行，使空压机在轻载运行时的工作效率大大提高，降低空压机的能耗，创造较好的经济效益，对响应目前公司节能降耗的号召有着重要的意义。对于螺杆空压机来说，采用变频器可通过改变螺杆转子转速的方式来改变排气量，当用气量发生变化时，变频器改变转速的方式调节空压机的排气量，达到排气压力恒定不变，并节约能源的目的。
4.2变频控制原理
空压机为恒转矩负载，输出功率与转速成正比，公式：
其中，P为空压机的额定功率，T为空压机转矩，n为空压机的转速。
又根据异步电动机转速公式
式中，f为电源频率，S为电动机转差率，P为电动机的极对数。当P和S确定后，电动机转速与电源频率成正比，所以改变电源频率即可改变电机转速n，从而实现变频调速。
通过以上原理分析，设想改变空压机空载时的工作方式，由工频50HZ 空载运行改为变频30Hz空载运行以达到节能的目的。
4.3变频控制过程
变频调速系统以空压机压缩空气的输出压力作为控制对象，由变频器、压力传感器、PID控制器、PLC、电机组成闭环恒压控制系统，工作压力值由PID控制器操作面板直接设置，现场压力由传感器来检测，转换成4~20m A电流信号后反馈到PID控制器，PID控制器通过PID进行比较计算，输出到变频器，从而调节其输出频率，达到调节电机转速及电机输出功率的目的，MT6070触摸屏用来监视变频器的运行，以及记录压力、电流、频率的变化情况。由此可见只要调节电机的转速，就可以调节电机轴输出功率，也即调节了空压机的输入功率，使空压机的制风量与用风量相匹配，达到恒压供气与节能的目的。空压机变频调速系统框图如图1所示。现场效果图如图2所示。
图1 空压机变频调速系统框图
图2 现场效果图
4.4变频器的主要参数
P0700[0]=2端子排输入—选择数字的命令信号源。P0701[0]=l接通正转一选择数字输入1的功能。P0701[1]=l6 固定频率设定值直接选择 + ON 命令。P0702[0]=99使能BICO 参数化。P0702[1]=99使能BICO 参数化。P0810=722.1 数字输入2（要求P0701 设定为99，BICO）。P1000[0]=2模拟输入—频率设定值的信号源。P1000[1]=3 固定频率。P1001=30HZ固定频率。P1300=20无传感器的矢量控制。P1910=1电动机数据自动检测――所有参数都自动检测并改写参数数值。P1960=1速度优化。P1080=30Hz最低频率一设定最低的电动机频率。P1082=50Hz最高频率一设定最高的电动机频率。P1120=30s斜坡上升时间—斜坡函数曲线不带平滑圆弧时电动机从静止状态加速到最高频率。P1121=30s斜坡下降时间—斜坡函数曲线不带平滑圆弧时电动机从最高频率减速到静止停车所用的时间。
利用BICO技术（Binector Connector Technology），过程数据可利用“标准”传动参数设置自由地互相连接。在这种情况下，可以自由互连的所有值（如频率给定值、频率实际值、电流实际值等）可以定义为“连接器”，而可以自由互连的所有数字信号（如一个数字输入的状态、ON/OFF、一个限幅违法时的信息功能等）可以定义为“开关量连接器”。在一个传统装置中存在很多输入和输出量以及在闭环控制中能够互连的量。利用BICO技术可以使传动系统适应各种要求。
4.5工作过程
图3 空压机现场使用工况
根据图3的现场情况，决定将其中一台空压机进行变频改造。变频控制接线示意图如图1所示。在储气罐上安装压力传感器，通过压力传感器获得所需要的电流信号，送到PID控制器，经过PID运算后再送到变频器。当系统用气量小时，空压机排气口的压力升高，压力达到系统卸载压力时，MM440变频器6号和9号端口接通，变频器工作于30Hz固定频率，当系统用气量大时，空压机排气口的压力减小，压力达到系统加载压力时，MM440变频器断开6号和9号端口，变频器工作于由PID调节器输出的模拟量来控制。
为了安全起见，在安装变频器装置时，保留了原有的工频控制电路，在变频柜上设置了工频/变频转换开关，当变频装置出现故障时，可方便地转换到工频运行状态，正常供气不影响生产。
4.6PLC的主要程序
由于压力是电流信号，要用数字的形式显示到触摸屏上，我这里用的是PLC里A\D模数转换模块FC105。也就是说模拟信号PIW752从4~20mA 变化时，对应的数字是0~100的输出，放到DB10.DBD20里面，再送到触摸屏去显示，如图4所示。
图4 PLC里A\D模数转换模块FC105
为了能在触摸屏上能监视变频器的运行情况，需要将变频器中的参数送到触摸屏。因为威伦屏支持MPI通讯，所以我这里利用PLC功能块 SFC14－－接收数据解包功能，从地址为W#16#100开始的通信区取得数据，进行解包后存放到指针所指向的数据存放区中（P#M 14.0 BYTE 16－－MB14~MB30），如图5所示。
在变频器中可以通过参数P2051对数据存储区的地址进行定义，比如MW14用来显示变频器故障、变频器过载、变频器报警、电机过载；MW16用来显示频率；MW18用来显示电流；MW20用来显示变频器的温度；MW24用来显示功率因素；MW22用来显示电压等。
图5 PLC功能块 SFC14
5变频改造后的优点
（1）启动电流小，对电网无冲击
变频器可使电机起动、加载时的电流平缓上升，没有任何冲击；可使电机实现软停，避免反生电流造成的危害，有利于延长设备的使用寿命
（2）输出压力稳定
采用变频控制系统后，可以实时监测供气管路中气体的压力，使供气管路中的气体的压力保持恒定，提高生产效率和产品质量
（3）设备维护量小
空压机变频启动电流小，小于2倍额定电流，加卸载阀无须反复动作，变频空压机根据用气量自动调节电机转速，运行频率低，转速慢，轴承磨损小，设备使用寿命延长，维护工作量变小。
（4）节能效果明显
变频器改造节能效果十分明显。110K W的空压机，加载电流达210A；卸载电流约70A，工作压力上下限为0.82M P a/0.62M Pa，每天工作11小时计算，根据现场测量空压机节能改造前耗电量75度/小时。变频改造后节电率约20%，按每度电0.75元计算，一年可节约电费：
75×0.75×11×365×20%=45168(元)=4.5168(万元)
空压机变频改造费用约7.8万元
约(7.8/4.5)×12=20.8
即约21个月就可以收回投资。而以后每年可节约电费4.5万多元。因此，在供气系统中接入变频节能系统，利用变频技术改变空压机转速来调节管道中的流量，取得明显的节能效果。另外，变频器软起动功能及平滑调整特点可实现对流量的平衡调节，减少了起动冲击，还可以延长压缩机与机组管组的使用寿命。
6注意事项
空压机属于大转动惯量负载，这种起动特点很容易引起V/F控制方式的变频器在起动时出现跳过电流保护的情况。建议选用具有高起动转矩的无速度传感器矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，又保证设备可靠稳定运行。
空压机不允许长时间低频下运行，若空压机转速过低，一方面将使空压机工作稳定性变差，另一方面使缸体润滑性变差，会加速磨损。还有空压机的冷却问题，所以工作下限频应不低于30Hz。
为了有效滤去变频器输出端电流中高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行噪声与温升，提高电机运行稳定性。
7结束语
改造完成以后不仅节约了大量的电能，同时实现了全自动控制，大大降低了操作人员的劳动强度，减少了机组启停的电流和机械冲击，延长了机组的使用寿命，取得了良好的经济效益。由此可见，使用变频调速控制系统后，一方面可以节约大量电能，还大大减少了检修工作，保证系统安全可靠的连续运行。在系统改造后使用期间，该系统达到了无故障连续运行，得到了用户好评。
作者简介
王传存（1980-）男维修电工高级技师，现就职于上海振华重工长兴精密铸造有限公司，当前研究课题为节能减排。
参考文献
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[3]李传淮．PLC和变频器在空压机节能改造中的应用[J]．科技资讯，2007（2）．
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