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摘要: 分析空压机加、卸载供气控制过程中存在的能耗，论述采用变频调速控制后的原理及效益。
关键词:空压机；变频调速；原理；节电
Analysis on the application of frequency control technology in mine air compressor energy-saving effect Chen Yunhua Abstract: Based on the analysis of air compressor plus, unloading air in the process to control energy consumption, is discussed by using the frequency conversion speed control principle and benefit after. Key words: Air compressor; Variable speed; Principle; Energy saving
空气压缩机在煤矿中被广泛应用，它担负着井下各种气动设备与元件提供气源的重任，保障其运行质量，对促进煤炭生产有着重要意义。但是，运行过程中能耗也是相当大的，会加大生产成本，因此有必要实施节能技术改造，以降低运行电耗。
一、空压机功耗
空气压缩机是一种把空气压入储气罐中，使之保持一定压力的机械设备，属于恒转矩负载，其运行功率与转速成正比：PL=TLnL/9550,其中:PL—空气压缩机功率；TL—空气压缩机转矩；nL—空气压缩机转速。
就运行功率而言，采用变频调速控制，其节能效果也很好，但远不如风机泵类二次方负载显著。空压机多数处于长时间连续运行状态，传统的工作方式为进气阀开、关控制方式，即压力达到上限时关阀，使压缩机进入轻载运行；压力达到下限时开阀，使压缩机进入满载运行。这种频繁地加减负荷过程，不仅使供气压力波动，且还会使空压机的负荷状态频繁地变换。由于设计时不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来选择电机的容量，故选择容量一般都大。在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例却非常高，造成很大的能源浪费。
供气压力的稳定性，对生产有很大的影响，若供气压力偏低，就不能满足工艺要求，而不能正常。为避免气压不足，一般供气压力较要求值要高些，以致造成供气成本高，能耗大，同时也存在着一定的不安全因素。应用变频调速新技术，能实现易操作、免维护、控制精度高等效果，能在拖动负载无须任何改动的情况下，按照生产工艺要求调整转速输出，以满足工况要求。可用变频器驱动的方案取代加、卸载供气控制方式的方案，根据用气量的大小自动调整转速以保证供气压力恒定，使电机低于额定转速连续运转，克服电机频繁改变运行状态带来的诸多弊端，达到系统高效节能运行的目的。
二、加、卸载控制能耗分析
1、浪费能量。加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在pmin～pmax之间变化。pmin是保证正常工作的最低压力值，pmax是设定的最高压力值。pmax和pmin之间可用下式表示:pmax＝(1＋δ)pmin，其中：δ值在10%～25%之间。采用变频调速技术连续调节，可将管网压力始终维持在满足供气工作压力上，即等于pmin的数值。加、卸载过程浪费能量之大，主要有三部分:①压力超过pmin所消耗的能量。当储气罐中空气压力达到pmin后，加、卸载过程还要使压力继续上升，直到pmax。这过程需要提供压缩机能量，即一种能量损失。②减压阀减压消耗的能量。气动元件的额定气压在pmin左右，高于pmin的气体进入气动元件前的压力，这就需要用减压阀将其减至接近pmin。这同样是能量损失。③卸载时调节方法不合理消耗的能量。通常压力达到pmax时，通过如下方法降压卸载:关闭进气阀使空压机不需要再压缩气体做功，但电机还要带动螺杆做回转运动。据测算，空压机卸载时的能耗约占满载运行时的10%～15%。在卸载期间，空压机做无用功，无谓消耗能量。同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空，这又是一种能量浪费。
2、其他损失。①机械方式调节进气阀，供气量无法连续调节，变化时供气压力难免产生较大幅度的波动，使供气压力精度达不到要求，影响正常工作。加上频繁调节进气阀，还会加速进气阀的磨损，增加维修量与成本。②频繁地开/关放气阀，寿命被缩短。
三、变频调速控制系统设计
1、变频调速系统概述。基于交-直-交电源变换原理的变频器，集电力电子和微计算机控制等技术于一身。变频器可根据控制对象的需要输出频率连续可调输出电压。电机转速与电源频率有着正比的关系：n=60f（1-S），式中：n—转速；f—输入交流电频率；S—电机转差率；P—电机磁极对数。因此，用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电机电源电压，就可方便地改变空压机转速。空压机采用变频调速技术进行恒压控制，系统控制原理见图1。变频调速系统将管网压力作为控制对象，压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给变频器内部的PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按预先设定的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制输出电压和频率，调整电动机的转速，使实际压力始终维持在给定压力上。另外，空压机电机從静止到稳定转速，可由变频器实现软启动，避免启动大电流对电网的冲击和空压机的机械冲击。考虑变频控制系统出故障影响生产问题，系统设置工频与变频系统切换功能。
2、变频器的选择。由于空压机为恒转矩负载，故变频器可选用通用型。因为空压机转速不允许超过额定值，且电机不会过载，一般变频器出厂标注的额定容量都具有一定的余量安全系数，选择变频器容量与所驱动的电机容量相同即可。考虑余量，可选比电机容量大一个级别的，但价格要高。
3、变频器的运行控制方式选择。由于空压机的运转速度不宜太低，对机械特性的硬度无任何要求，故可采用V/F控制方式。
图1 系统控制原理框图
四、变频调速改造效益
1、节能，降低运行成本。空压机运行成本由初始采购成本、维护成本和能源成本组成。能源成本大约占空压机运行成本的80%。通过变频改造，可降低20%，加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，因此运行成本大大降低。经测算，运行一年节约的成本费用就可收回改造投资。
2、提高压力控制精度。变频控制系统具有精确的压力控制能力，使压缩的空气压力输出与系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于控制精度提高，所以可使管网的系统压力保持恒定，保证了生产用气的需要和质量。
3、改善空压机运行性能。变频器从0Hz启动，加速时间并可调整，从而减少启动时对空压机的电器部件和机械部件造成的冲击，增强系统的可靠性，使用寿命延长。另外，变频控制能减少机组启动时的电流波动，不至于影响电网和其它设备的用电，能将启动电流的峰值减少到最低程度。根据空压机工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，有效降低了空压机运行噪声（经现场测定，噪声下降3～7dB）。
五、结语
随着变频器技术不断发展与应用，对空压机实施变频调速改造，控制精度与功能会更高、更多，实现的经济效益和社会效益更加显著。
参考文献
1、王廷才.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
2、吴忠智等.调速用变频器及配套设备选用指南[M].北京:机械工业出版社,2000.
作者简介:
陈允华 (1961-) 男大学 高级工程师主要研究方向：机电设备控制技术、节能技术等
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:空压机；变频调速；原理；节电
Analysis on the application of frequency control technology in mine air compressor energy-saving effect Chen Yunhua Abstract: Based on the analysis of air compressor plus, unloading air in the process to control energy consumption, is discussed by using the frequency conversion speed control principle and benefit after. Key words: Air compressor; Variable speed; Principle; Energy saving
空气压缩机在煤矿中被广泛应用，它担负着井下各种气动设备与元件提供气源的重任，保障其运行质量，对促进煤炭生产有着重要意义。但是，运行过程中能耗也是相当大的，会加大生产成本，因此有必要实施节能技术改造，以降低运行电耗。
一、空压机功耗
空气压缩机是一种把空气压入储气罐中，使之保持一定压力的机械设备，属于恒转矩负载，其运行功率与转速成正比：PL=TLnL/9550,其中:PL—空气压缩机功率；TL—空气压缩机转矩；nL—空气压缩机转速。
就运行功率而言，采用变频调速控制，其节能效果也很好，但远不如风机泵类二次方负载显著。空压机多数处于长时间连续运行状态，传统的工作方式为进气阀开、关控制方式，即压力达到上限时关阀，使压缩机进入轻载运行；压力达到下限时开阀，使压缩机进入满载运行。这种频繁地加减负荷过程，不仅使供气压力波动，且还会使空压机的负荷状态频繁地变换。由于设计时不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来选择电机的容量，故选择容量一般都大。在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例却非常高，造成很大的能源浪费。
供气压力的稳定性，对生产有很大的影响，若供气压力偏低，就不能满足工艺要求，而不能正常。为避免气压不足，一般供气压力较要求值要高些，以致造成供气成本高，能耗大，同时也存在着一定的不安全因素。应用变频调速新技术，能实现易操作、免维护、控制精度高等效果，能在拖动负载无须任何改动的情况下，按照生产工艺要求调整转速输出，以满足工况要求。可用变频器驱动的方案取代加、卸载供气控制方式的方案，根据用气量的大小自动调整转速以保证供气压力恒定，使电机低于额定转速连续运转，克服电机频繁改变运行状态带来的诸多弊端，达到系统高效节能运行的目的。
二、加、卸载控制能耗分析
1、浪费能量。加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在pmin～pmax之间变化。pmin是保证正常工作的最低压力值，pmax是设定的最高压力值。pmax和pmin之间可用下式表示:pmax＝(1＋δ)pmin，其中：δ值在10%～25%之间。采用变频调速技术连续调节，可将管网压力始终维持在满足供气工作压力上，即等于pmin的数值。加、卸载过程浪费能量之大，主要有三部分:①压力超过pmin所消耗的能量。当储气罐中空气压力达到pmin后，加、卸载过程还要使压力继续上升，直到pmax。这过程需要提供压缩机能量，即一种能量损失。②减压阀减压消耗的能量。气动元件的额定气压在pmin左右，高于pmin的气体进入气动元件前的压力，这就需要用减压阀将其减至接近pmin。这同样是能量损失。③卸载时调节方法不合理消耗的能量。通常压力达到pmax时，通过如下方法降压卸载:关闭进气阀使空压机不需要再压缩气体做功，但电机还要带动螺杆做回转运动。据测算，空压机卸载时的能耗约占满载运行时的10%～15%。在卸载期间，空压机做无用功，无谓消耗能量。同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空，这又是一种能量浪费。
2、其他损失。①机械方式调节进气阀，供气量无法连续调节，变化时供气压力难免产生较大幅度的波动，使供气压力精度达不到要求，影响正常工作。加上频繁调节进气阀，还会加速进气阀的磨损，增加维修量与成本。②频繁地开/关放气阀，寿命被缩短。
三、变频调速控制系统设计
1、变频调速系统概述。基于交-直-交电源变换原理的变频器，集电力电子和微计算机控制等技术于一身。变频器可根据控制对象的需要输出频率连续可调输出电压。电机转速与电源频率有着正比的关系：n=60f（1-S），式中：n—转速；f—输入交流电频率；S—电机转差率；P—电机磁极对数。因此，用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电机电源电压，就可方便地改变空压机转速。空压机采用变频调速技术进行恒压控制，系统控制原理见图1。变频调速系统将管网压力作为控制对象，压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给变频器内部的PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按预先设定的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制输出电压和频率，调整电动机的转速，使实际压力始终维持在给定压力上。另外，空压机电机從静止到稳定转速，可由变频器实现软启动，避免启动大电流对电网的冲击和空压机的机械冲击。考虑变频控制系统出故障影响生产问题，系统设置工频与变频系统切换功能。
2、变频器的选择。由于空压机为恒转矩负载，故变频器可选用通用型。因为空压机转速不允许超过额定值，且电机不会过载，一般变频器出厂标注的额定容量都具有一定的余量安全系数，选择变频器容量与所驱动的电机容量相同即可。考虑余量，可选比电机容量大一个级别的，但价格要高。
3、变频器的运行控制方式选择。由于空压机的运转速度不宜太低，对机械特性的硬度无任何要求，故可采用V/F控制方式。
图1 系统控制原理框图
四、变频调速改造效益
1、节能，降低运行成本。空压机运行成本由初始采购成本、维护成本和能源成本组成。能源成本大约占空压机运行成本的80%。通过变频改造，可降低20%，加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，因此运行成本大大降低。经测算，运行一年节约的成本费用就可收回改造投资。
2、提高压力控制精度。变频控制系统具有精确的压力控制能力，使压缩的空气压力输出与系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于控制精度提高，所以可使管网的系统压力保持恒定，保证了生产用气的需要和质量。
3、改善空压机运行性能。变频器从0Hz启动，加速时间并可调整，从而减少启动时对空压机的电器部件和机械部件造成的冲击，增强系统的可靠性，使用寿命延长。另外，变频控制能减少机组启动时的电流波动，不至于影响电网和其它设备的用电，能将启动电流的峰值减少到最低程度。根据空压机工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，有效降低了空压机运行噪声（经现场测定，噪声下降3～7dB）。
五、结语
随着变频器技术不断发展与应用，对空压机实施变频调速改造，控制精度与功能会更高、更多，实现的经济效益和社会效益更加显著。
参考文献
1、王廷才.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
2、吴忠智等.调速用变频器及配套设备选用指南[M].北京:机械工业出版社,2000.
作者简介:
陈允华 (1961-) 男大学 高级工程师主要研究方向：机电设备控制技术、节能技术等
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