空压机节能变频技术
一、行业分析
据中国空压机网调查：
全国有180亿元/年的空压机市场，有超过400万台的空压机在工作，22KW以上功率等级的空压机超过100万台，22kw以下中小空压机以活塞式为主。年新增数十万台。
空压机一般按工厂最大负荷加10-20%余量设计，另外工厂实际需求存在季节性及时间性波动，也导致用气量波动较大，所以空压机多数时间并非满载运行，节能空间很大。
空压机的用电量约占全部工业用电设备的9%，节能降耗利国利民。
国家提供专项资金大力扶持节能降耗，这也进一步推动了空压机等产业的升级。变频空压机也越来越为广大用户接受。变频空压机已经成为未来的主流发展方向。
二、传统空压机的问题 传统空压机的工作图：
传统空压机的问题：
1、电能浪费严重
传统的加卸载式空压机，能量主要浪费在：
1）加载时的电能消耗
在压力达到所需工作压力后，传统控制方式决定其压力会继续上升直到卸载压力。在加压过程中，一定会产生更多的热量和噪音，从而导致电能损失。另一方面，高压气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压，这一过程同样耗能。
2）卸载时电能的消耗
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。
2、工频启动冲击电流大
主电机虽然采用Y-△减压起动，但起动电流仍然很大，对电网冲击大，易造成电网不稳以及威胁其它用电设备的运行安全。对于自发电工厂，数倍的额定电流冲击，可能导致其他设备异常。
3、压力不稳，自动化程度底
传统空压机自动化程度低，输出压力的调节是靠对加卸载阀、调节阀的控制来实现的，调节速度慢，波动大，精度低，输出压力不稳定。
4、设备维护量大
空压机工频启动电流大，高达5~8倍额定电流，工作方式决定了加卸载阀必然反复动作，部件易老化，工频高速运行，轴承磨损大，设备维护量大。
5、噪音大
持续工频高速运行，超过所需工作压力的额外压力，反复加载、卸载，都直接导致工频运行噪音大。
三、变频器空压机的优点:
节能
节能原理：变频调速系统以输出压力作为控制对象，由变频器，压力传感器、电机组成闭环恒压控制系统，工作压力值可由操作面板直接设置，现场压力由传感器来检测，转换成4~20mA电流信号后反馈到变频器，变频器通过内置PID进行比较计算，从而调节其输出频率，达到空压机恒压供气和节能的目的。变频节能表现在：
1、变频器通过调整电机的转速来调整气体流量，使电机的输出功率与流量需求成正比，保持电机高效率工作，功率因数高，无功损耗小，节电效果明显；
2、按严格的EMS标准设计，高速低耗的IGBT以及采用了高效的失量控制算法，使得V&T变频器谐波失真和电机的电能损耗最小化；
3、自动快速休眠使得空载时间变短，电机完全停止，最大程度节能。无冲击启动及低频大转矩特性保证变频器随时带载起停。
节能空间：
灰色：变频空压机功耗曲线
绿色：节能部分A，变频空压机比普通空压机节省的能量
浅蓝色：节能部分B，变频空压机可能节省的能量。B为当变频空压机已进入空久停机休眠阶段，而普通空压机没有进入休眠时，变频空压机节省的能量。如果变频空压机也没有进入休眠，则B=0。
刚启动或休眠后启动时，普通空压机和变频空压机均运行在额定功率附近。因此变频空压机可以保证充气的快速性。
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、噪音低
变频根据用气需要提供能量，没有太多的能量损耗，电机运转频率低，机械转动噪音因此变小，由于变频以调节电机转速的方式，不用反复加载、卸载，频繁加卸载的噪音也没有了，持续加压，气压不稳产生的噪音也消失了。 总之，采用变频恒压控制系统后，不但可节约一笔数目可观的电力费用，延长压缩机的使用寿命，还可实现恒压供气的目的，提高生产效率和产品质量。
四、V5-K空压机专用矢量变频器的优点
针对空压机的特殊控制需求，蓝海华腾提出的产品策略是：一体化的专用变频器 + 用户可选的操作界面，对比一般采用标准变频器+专用控制器的方式。有更多优点：
1、变频器与空压机的运行特性紧密的结合，这是普通专用控制器无法做到的，不能专门针对空压机工况：满压启动、高环境温度设计、电压波动能力等方面进行设计。未来向高端发展，如：网络化控制，远程智能管理上，普通控制器也很难做到。
2、专用控制器的成本相对较高。
3、维护不便，出现问题时需要多家供应商一起维护，定位问题过程复杂。
为了将变频器更好地融入到空压机控制系统当中，我们推出了V5-K空压机专用变频器。采用一体化的结构设计，更紧密贴近空压机行业需求，实现了更加优异的控制性能：
1、内置的控制器完成空压机的所有控制功能。
控制器与变频器完美地结合成了一个有机整体，用户再不用配备额外的控制器，同时也大大简化了用户的安装接线和保养维护操作。
2、与变频器快速的交换数据，较传统方式快5-10倍。
V5-K变频器能根据压力传感器反馈的压力信号，经过处理后直接调整电机的输出频率，而不需要像传统方式那样，通过控制器处理后给出一个模拟量作为变频器频率给定。这就大大降低了模拟量波动所带来的精度不稳，同时通过485通讯，数据能以更快速更准确的方式进行交换。
3、更有效的压力控制精度和响应时间
V5-K变频器的频率给定可以精确到0.01Hz，开环矢量控制稳速精度可达±0.2%，甚至可以一转一转地控制电机转速，并且能自动补偿高负载时马达的转速变动。这就大大提高了系统的压力控制精度，快速精确地响应实际压力的变化。
4、高效的性能，支持空压机满压启动。
V5-K变频器是全新一代的空压机行业专用变频器，采用国际同步的无速度传感器矢量控制技术，为电机在低速运转时提供更大的转矩。较高的启动转矩，完全支持空压机满压启动，良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足空压机的控制需求；
5、全方位的整机保护功能
提供强大灵敏的软／硬件的限流保护、过流和过压保护、对地短路保护、过载保护、IGBT的直通保护、电流检测异常、继电器吸合异常等保护功能，保证空压机系统的稳定性和可靠性。
五、变频改造方案设计
针对不同品牌空压机的内部结构、安装位置等存在着差异性，我们准备了两套解决方案，以满足不同用户的改造需求。
1、控制柜分离式解决方案
这是一套通用解决方案，对于所有的空压机，都可以采用这种控制柜分离式解决方案。
我们将给用户提供一个独立的变频控制柜，内置所有变频改造所需要的部件，包括变频器、操作面板、交流接触器、控制按钮等等。空压机改造时，只需要将用户原来的空压机系统的主电路和控制电路信号，接到对应的控制柜接线端子上，即可完成对空压机的变频改造工程。该过程不需要对原先的空压机内部构造做任何的改动，改造方便、快捷，同时也便于日后的保养和维修。
其结构示意图如下：
2、内置式一体化解决方案
对于某些内部空间较大的空压机，或者用户对安装位置要求比较特殊的场合，我们也可以选用内置式一体化解决方案。
用户首先根据实际需要，选配合适的V5-K空压机专用变频器，并配置相应的交流接触器、压力传感器等器件。然后根据变频器和操作面板等器件的安装尺寸，对原空压机箱体进行结构件改造，使各个部件能完美地融合到空压机整体当中去。最后进行控制电路的连接，使空压机实现变频控制。
其结构示意图如下：
由于空压机工作时柜内环境温度较高，一般都可达到45℃以上，不利于变频器发挥其最大工作效率。虽然V5-K变频器对环境温度具有良好的适应性，但是当环境温度高于45℃时，则要求变频器降额使用。因此，我们推荐用户对空压机现有的冷却系统进行改进，例如设计独立风道对变频器进行隔离冷却等等。如果用户无法改善现有的散热系统，保证变频器的正常工作环境温度的话，我们要求用户在变频器选型时需要加大一档功率，以提高高温环境下变频器的带载能力，满足用户的实际应用需求。
3、详细改造方案
不管采用上述哪一种方案，空压机的变频控制原理都是相同的。如果用户要求保留原有的工频控制方式，则可以采用工变频切换方式。
1）工变频切换方式
用户需要在原空压机系统的基础上，加装交流接触器KM2和KM4,以实现工变频控制的切换。采用压力传感器替换原来的压力开关，将排气压力转换成4~20mA电流信号，反馈回变频器端子，实现恒压闭环控制。在变频器输入电源侧加装交流接触器KM7，保证按下急停按钮后立刻切断变频器电源，实现对空压机及人身安全的保护。
由于空压机采用变频控制方式运行时，系统能根据用户设定压力和压力反馈，自动调节电机转速，实现恒压控制，所以当用户的用气量较小的时候，空压机主电机可能将长时间处于低速加载状态，不利于电机自冷风扇的散热，从而导致电机温升过高甚至烧毁电机线圈。
解决该问题有以下4种对策，可根据情况选择：
i. 合理设置V5-K空压机专用变频器的电机过载保护时间，变频器将根据电机电流累积效应保护电机。
ii. 设置电机传感器保护阈值，采用电机温度传感器方式保护电机。
iii. 设置较短的空压机空久停机（休眠）时间及较短的启动时间，进入休眠后，电机停止运转。
iv. 在空压机内安装主电机冷却风扇，并通过交流接触器KM6进行控制，保证空压机电机正常运转。
2）变频控制方式
纯变频控制方式，是对传统工频控制方式的完全改进。由于取消了Y-△切换、工变频切换，用户甚至不用加装交流接触器，只需将电机直接接到变频器输出端，即可实现变频改造。空压机主电机绕组采用△连接方式，压力反馈同样采用4~20mA的压力传感器，同时推荐用户将2个多余的交流接触器分别改装成变频器急停控制和风机冷却风扇控制，提高空压机系统的安全性和可靠性。
改造电气原理图如下：
许多空压机用户已经适应了传统的工频控制方式，对纯变频控制方式多少存在着些怀疑，因此在进行空压机变频器改造时，希望仍保留传统的工频控制方式，以保证当变频控制出现故障的时候，空压机仍然可以切换到工频方式继续运行。其实，随着工控领域的不断发展，变频控制技术的日益完善，变频器的稳定性和可靠性已经达到了很高的要求。变频器已经广泛应用于机械、纺织、风机、水泵等各个场合，并且实现了相当稳定的控制效果。因此，变频器也能完美地适用于空压机的控制需要。每一台蓝海华腾VectorqueTM系列变频器，在其出厂之前，都经过严格的测试，保证产品的质量和可靠性。
详细的端子接线电气原理图见附图一。
六、变频改造投资效益分析
1、设备清单
所需的改造设备清单：V5-K变频器1台、文本显示器1个、交流接触器3个、压力传感器1个、导线若干、控制柜1个
具体的改造费用需根据用户空压机功率等级和各配件的实际售价来决定。如果用户空压机主电机功率为________kW，按____元/千瓦来估算，用户所需的改造费用为 ________*____=_________（元）。
2、直接经济效益
采用传统工频控制方式的空压机，在低于设定压力时加载运行，高于设定压力时空载运行。但不管是加载还是卸载，电机始终保持高速运转，空载损耗非常大。
1）工频控制下的空载损耗
已知空压机的总运行时间为_______小时X，加载运行时间为_______小时Y，
则空压机空载率=(X-Y)/X=（______－_______）/________ =___________
假设电源电压为Ue，取380V；空载电流为I0；功率因数为COSφ，取_____；空压机年总运行时间取 小时，则年空载损耗W：
W=√3 ×Ue×I0×COSφ×年总运行时间×空载率 =（1.732×380×______×_____）/1000×________×_______ =___________度
工业用电电费为____元/度，则年空载损耗费用F为：
F=W×____元/度 =______×____ =__________元
2）变频控制下的节能分析
采用变频控制方式，当空压机空载时，主电机降到20Hz运行。
电机20Hz空载运行和50Hz空载运行时的电流大小基本相同，而定子绕组所承受的相电压与运行频率成正比关系，即U=Ue×（f设/f工）=152V。
电机功耗P=√3 ×U×I0×COSφ,因此，我们可以近似地认为，电机功率与运行频率成正比，电机空载损耗也与运行频率成正比。则采用变频控制方式时，年空载损耗W1
W1= W×( f设/f工) = W×(20/50) =___________
变频控制方式下年空载损耗费用F1
F1= W1×____元/度 =_________×______ =_________元
通过以上计算，当空压机由工频控制改为变频控制时，仅空载损耗一项，每年即可节省费用F-F1 =_________元。 空压机采用变频控制方式时，系统能根据用户设定工作压力和当前压力反馈信号，自动进行闭环调节，实现恒压控制。这样当用户用气量减小的时候，空压机自动降低输出功率，而不必像传统控制方式那样全负荷加载运行，从而也大大降低了空压机的能耗成本，并提高了供气质量。
综上所述，将空压机由工频控制方式改造成变频控制方式后，很大程度地降低了空压机的电能损耗，带来的直接经济效益是相当客观的。对于大多数的用户，一般在进行了空压机变频节能改造后一年内，即可将投资成本全部收回，实现良好的节能效果。
3、间接经济效益
通过节能改造，不仅节约电能，同时在以下几方面带来较大的效益：
1）由于总功耗下降很多，整个用电系统温升大幅度降低，设备故障率直线下降，设备和开关触点的使用寿命成倍提高，维修费用和设备更新成本相应减少；
2）由于采取了有效的节电措施后，不仅节约了电能，同时变压器减轻容量，保证了用户变压器安全运行，同时为新增用电设备提供了空间；
3）设备具有软启动功能，启动瞬间电流控制在额定电流的1～1.5倍，大大减少对用电系统的冲击
