空压机

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变频器在空压机中的应用

1  引言
* L& y# A% T: x8 Z1 s* f0 I/ g    在目前的许多空压机运行中，有很大一部分时间是在非满负荷情况中进行的，这样一来，通过传统的控制就会产生能量浪费，从而造成效率低下。
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4 t3 Q2 ~8 ~2 q* A+ J, R1 e    但现在已经有了新一代的空压机产品，由于它通过调速控制器，使得有机会在非满负荷运行的时候可以节省能源，提高效率。这种空压机都有一个内置式调速控制器VSD以作为整个机器装备的一部分。
8 U  ~8 x" W1 w! E2 r: y) L1 x本文将主要介绍空压机使用调速控制器(尤其是变频器)的基本情况，并详细阐述了空压机使用内置式调速控制器后的节能功效。
2  空压机调速控制的功效
. g: ]6 A6 O& q$ J3 ~- |+ a    使用调速控制器的空压机其独特之处就在于输出的空气量可以通过变化空压机的主机速度来进行大小调节。空压机主机的电机由调速控制器来控制，常用的调速控制器有变频调速器或调速电机控制器等(以下通常都指变频调速)。它不同于传统的机器是通过压力的加载和卸载来实现的，因此有更高的效率。
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. N  C: K: e) t" }; q4 t当然在部分空气压力负载时使用变频调速还有其他几个功效:
(1) 取消了齿轮箱和传动皮带
当电动机的速度变化时，就不需要一个齿轮箱或皮带传动(见图1)，从而可以降低机械能量的损耗。
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" N- i% C& v( r9 i图1     传统机器与变频调速机器的区别
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(2) 可以更精确地控制压力
  F+ r9 e7 e4 V2 _' |+ Q当需要有一个更加精确的压力控制时，采用变频调速就可以保证。在一个单独安装的空压机中，变频调速器就可以连续运转，而出来的空气压力基本可以保持在误差在0.2BAR这样窄幅内。跟传统的加载和卸载ON/OFF控制来说，可以节省大约2%的能量，可传统的控制压力误差却在0.5BAR左右，精度自然低了。
(3) 降低耗气量
负载平均压力低时，使用变频调速可以降低设备的漏气和降低耗气量，在7.0BAR时典型的耗气量可以降低2%左右。
变频调速用在控制具有可变压力的负载设备是非常理想的，而且空压机能提供满容量的供气。但是在需要提供满负载运行时(即在额定值运行时)变频调速就不具有优势，反而耗电更多，如图2所示，其增加的部分主要是用于变频器本身的耗电。
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图2     变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用(90kW为例)
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3  空压机变频速度控制的优点
    精确的压力控制不仅可以降低能耗，而且可以保证提高产品的质量和降低浪费(从而间接节能)。从图3中可以看出，在传统的空压机控制中，它对空气压力的需求基本是不变的(始终处于ON，且转速恒定)，调节靠加载和卸载ON/OFF控制;但在变频空压机中，则通过转速控制来达到压力需求，其速度随时可以根据工况改变。

图3      变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用

! O6 C9 D4 N: v6 k    在传统的空压机中，为了保护电机，通常对起停次数都有所规定，如200kW以上的高压电机一般一小时起停不宜超过4次。而变频空压机则完全不一样，它是软起软停，无电流冲击，基本可以做到频繁启动(也就是说对次数没有限制)。
在管道压力饱和或外界无压力需求时，变频空压机可以处于轻松实现“休息”状态，这主要归因于变频器的零频功能。零频功能主要指变频器根据外界信号源判断运行频率是否在“零频运行阈值”内，同时根据“零频回差”的设定来控制起停的频繁程度。有了这个功能，就可以实现休眠过程，实现节能运行。
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8 t% u1 p% O* S1 A" Y' N变频器可靠的线路设计和软件功能能为变频空压机带来以下优点:
(1) 实现空压机的软启动，无峰值电流，启动平稳;
(2) 大幅度降低压缩机系统的噪声;
" Q, T) ^* c+ m  y(3) 自动控制,简便高效,可靠和自保护,无需专人看护;
" v$ d" O! z; P* g. B2 f# s(4) 运转平稳，延长压缩机系统寿命，减少维护量;
(5) 保证供气压力恒定，提高供气质量;
* a: k; N: R/ n) v& g9 [) |(6) 大量节约电能。
( }& T$ f$ r5 v4 O5 O+ K4  空压机单机和多机的变频控制
    变频空压机单机应用一般是针对独立式单台空压机而言，当用户的供气需求量不需要长时间工作在最大输出状态时，变频单机控制能很好地节能。

( r. W7 w; D- i3 n* F( h1 N    在空压机多机应用中，传统的控制压力或出气量的方法是将多台空压机全部运行，并通过加载和卸载来调节，最终达到压力或出气量的控制要求。显然，所有的空压机都是在全速运行，所耗电严重且控制频繁，尤其是在加一台太多但减一台又太少的情况下。
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图4      变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用
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9 y' t+ d* K: c1 s; W    因此，对于多机进行变频控制是非常理想的。如图4所示，如果空气压力要求或出气量不高，只需要一台空压机工作即可，这时变频空压机便通过调节电机转速来达到要求;当变频空压机电机的频率达到50Hz其出气量仍无法满足要求时，便要求加入1台常规(即工频供电)空压机(如空压机1)进行运行，变频空压机则通过速度调节来满足要求;当变频空压机电机的频率再次达到50Hz仍无法满足要求时，则需要加入2台常规空压机(如空压机1和2)来进行运行，变频空压机则通过速度调节来满足出气量或压力要求。反之，当压力或出气量太富余时，则要求减去相应的常规空压机。
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图5     空压机多机带变频控制
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# E; v$ Y, c8 l" D从图5中可看出,变频空压机始终是在工作状态，并作为调节的主要对象。空压机多机变频控制的作用有以下几点:
  i/ O6 m) B4 }( I5 k6 t(1) 节能的目的可以达到,为用户节约高额的电费开支;
(2) 避免频繁加载、卸载，延长空压机的寿命;
1 f( [" S: i( z5 I% g7 M(3) 变频静音，可以降低工作环境噪音;
(4) 保证供气压力平稳。
5  空压机变频控制的应用案例
  n- o8 F) m! l% ?    在挪威TALC公司对阿特拉公司产的GA90-VSD(90kW)变频空压机进行测试,其结果给出了变频空压机的能量消耗与出气量的关联性，测试曲线为图2所示。为了得到相应的数据，该公司模拟了传统的同规格空压机在出气量从0cfm到500cfm连续变化的工况下的耗电功率，同时与变频空压机进行比较。我们在图中不难发现，当出气量下降时节能效果最好。在额定出气量在50%的情况下,变频空压机将功率降低了9.4kW(是额定功率的9%左右)。但是在满载情况下,变频空压机将耗电超过4%(为变频器本身的损耗)。在这里可以看出，当空压机长期工作在满载情况下时没必要安装变频。
6  结束语
  O- K' E" g; {- P7 N7 @    实践证明，相对于传统的空压机而言，购买先进的变频速度控制的新型空压机产品在购买成本上付出的多余部分将在使用一到两年后从电能节省中获得相应回报。挪威TALC公司的空压机应用就是一个典型的例子。当然，节省电能的具体数量或金额则不一而足，必须依据用户现场才能进行估算。
影响变频空压机节能功效的几个主要因素有:
(1) 空压机实际运行时间;
* a' A' W' n" M2 W$ S& X(2) 配套变频系统成本价位;
3 r  L7 h  l' \/ O& u(3) 针对相同机型的空压机而言，变频配置与传统的售价比例(如挪威TALC公司的空压机GA90-VSD变频售价比90kW相同普通机型多15%);
(4) 空压机运行在部分负载工况的比例;
, t' `# W& T' C: q  S6 J8 k/ K(5) 空压机运行在满载工况的比例。
另外，也可以采用折中的办法:即为标准的空压机单独购买一台变频器进行改造。在某些场合，这种方法还是有诱惑力。当然，在这种情况下，费用虽然相对低一点，但要浪费传统机型的齿轮箱和其他部件，而且厂家不能保证在变频低速由于润滑不适合不会造成的相应故障。而且随着变频空压机的逐步普及，这种方法的成本将不再低下，甚至还会更高。
6 R1 r8 B; a! Z6 L; D综上所述，在很多空压机长时间运行在部分负载的情况下使用变频内置式空压机具有明显的节能效果，对很多行业用户具有极强的吸引力。
同时,在使用或配置变频空压机时必须考虑以下几点:
•在空压机多机安装中，为了达到最大程度的节能效果，装有变频的一台空压机必须处于始终运行中，并通过它来调节压力;
/ ~& U" h8 E# c% X+ N4 v•在空压机运行在中低负载的工况占所有工况的比例比较高时，安装变频空压机具有良好的节能回报率;
6 `) t6 M: N/ o: T3 W$ a4 c& C•购买变频空压机比对空压机进行变频改装更具有现实意义