正弦变频器空压机节能改造方案.doc

正弦变频器空压机节能改造编号：645231单位：深圳正弦电气有限公司 一、前言随着我国经济的高速发展特别是21世纪初WTO的加入，能源的安全已成为摆在我们面前的一个刻不容缓的问题。全国范围内的连续限电已向我们拉响了能源的警报。也是关系到我国经济可持续发展战略的一个重要因素。同时异常激烈的市场竞争已渗透到各行各业的每个角落中。生产型企业怎样能否有效的提高生产效率、工艺、节能降耗从而降低生产成本，保住产品优势业亦成为各厂家发展中的首要问题。据不完全统计在我国的电能的60%是被各行各业中广泛使用的风机、水泵所消耗，而空压机则占了60%中的15%左右。可想而知其年消耗量有多大。而由于空压机是结构复杂的通用设备，运转时间长，配备电机功率较大，因而降低空压机的功耗，提高空压机的经济运行，对节能具有一定意义。尽管我们加强日常运行管理：减少泄漏、合理润滑、定期维护，但是共蕴藏的节能潜力远未被挖掘出来。我们通常使用的都是活塞式空压机，活塞在气缸内作往复运行，周期性地改变缸内的容积，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，并输出到储压罐内。首先，空压机的驱动轴上所需要的轴功率，与排气压力、空压机转速有直接的关系，也就是说，在实际运行中，由于压缩空气的使用随时在变化，空压机并不经常在额定工况下运行，而空压机排气压力的高低则直接影响到实际轴功率的大小。排气压力越高，所需轴功率也越大。试验证明满负载时，空压机的输入电流（功率）与排气压力的关系符合图2曲线与关系式。其次，为满足用气量的随时变化要求，储气罐内气体必须保持一定的压力，目前多数空压机均采用切断进气的调节方式来改变排至储气罐的气量。对于空压机气量的供求关系表现为排气压力的变化，空压机排气量正好满足生产用气量要求时，储气压力保持不变，若能维持这种状态当然最佳，但实际上用气量是随时变化的，而且设计冗余量较大，所以空压机排气量都要大于用气量，如果空压机仍恒速运转，则储气罐内的气体越积越多，当罐内压力上升达到设定压力时，一般采用两种办法：一种是空压机卸荷运行，不产生压缩气体，电动机处于空载运转，其用电量仍为满负载的30-60%，这部分电能被白白浪废掉。另外一种办法是停止空压机运行，这样似乎空压机空转或不断放空所浪费的电能被消除了，但是若无容积较大的储气罐，将会带来电动机的频繁启动，空压机的空载启动电流大约是额定电流的5-7倍，对电网及其它用电设备冲击较大，同时使空压机的使用寿命缩短。2、 空压机的简介 按结构型式分有回转式、活塞式、膜片式。其中，活塞式和回转式中的螺杆式为多见。国内活塞式占了产量的75%，而国外螺杆式则占90%以上，这二种空压机各有其优缺点。螺杆压缩机由于转子型线复杂，制造成本较高，但体积小、重量轻，零件小是其优点。相同排气量的情况下，螺杆式压缩机要比活塞式价格高，其维修必须要专门的知识和经验。一般来讲，由于活塞式压缩机为往复式机器，都有一定的震动。 根据原动机的不同分类：有电动机驱动方式，柴油机驱动方式。大型电动式配有配电柜，柴油驱动式由电瓶起动，两种压缩机均有直联、皮带传动。 按润滑方式分：无油式和有油润滑式。 按地基基础分：固定式、有基础式、无基础式、移动式。三、空压机工作原理简述 1、螺杆式空压机工作原理 螺杆式空压机属容积式压缩机，是通过工作容积的逐渐减少来达到气体压缩的目的。螺杆式空气压缩机的工作容积是由一对相互平行放置且相互啮合的转子的齿槽与包容这一对转子的机壳所组成。在机器运转时二转子的齿互相插入对方齿槽，且随着转子的旋转插入对方齿槽的齿向排气端移动，使被对方齿所封闭的容积逐步缩小，压力逐渐提高，直至达到所要求的压力时，此齿槽方与排气口相通，实现了排气。一个齿槽被与之相啮合的对方齿插入后，形成了二个被齿隔开的空间，靠近吸气端的齿槽为吸气容积，与排气端相近的为压缩气体的容积。随着压缩机的运转，插入齿槽的对方转子的齿向排气端移动，使吸气容积不断扩大，压缩气体的容积不断缩小，从而实现了在每个齿槽的吸气压缩过程，当压缩气体在齿槽中气体压力达到所要求的排气压力时，这齿槽正好与排气孔口相通，开始了排气过程。被对方转子的齿将齿槽分成的吸气容积和压缩容积的变化是周而复始的，就这样使压缩机能连续的吸气、压缩和排气。 2、活塞式空压机工作原理 活塞式空压机是由电动机带动皮带轮通过联轴器直接驱动曲轴，带动连杆与活塞杆，使活塞在压缩机气缸内作往复运动，完成吸入、压缩、排出等过程,将无压或低压气体升压，并输出到储压罐内。其中，活塞组件，活塞与汽缸内壁及汽缸盖构成容积可变的工作腔，在曲柄连杆带动下，在汽缸内作往复运动以实现汽缸内气体的压缩。四、空压机系统控制 空压机主电机运行方式为星三角降压起动后全压运行，供气系统具体工作流程为：当按下启动按钮，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，而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压n秒（由时间继电器控制）后空压机开始加载运行，系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力降到压力开关下限值后，即回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运行。主轴齿轮箱的润滑油压由主电机带动，启动1020秒（可调）后检测由压力传感器检测的油压，如低于最小设定值（1.0bar）则报警。5、 原系统工况存在的问题 由于空压机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需要来决定电动机的容量，设计余量一般偏大。工频起动设备时的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护量大。虽然都是降压启动，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，而且大多数是连续运行，由于一般空气压缩机的拖动电机本身不能调速，因此就不能直接使用压力或流量的变动来实现降速调节输出功率的匹配，电机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，电能浪费巨大。经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力延长压缩机的使用寿命。空压机的有些调节方式（如调节阀门或调节卸载等方式）即使在需要流量较小的情况下，由于电机转速不变，电机功率下降幅度比较小。六改造方案通过改变空压机的转速来调节流量，而阀门的开度保持不变（一般保持最大开度）。当空压机转速改变时，供气系统的压力特性随之改变，而管阻特性不变。在这种控制方式下，通过变频调速技术改变空压机电机的转速，空压机的供气流量可随着用气流量的改变而改变，达到真正的供需平衡，在节能的同时，也可使整个系统达到最佳工作效率。变频器基于交一直一交电源变换原理，可根据控制对象的需要输出频率连续可调的交流电压。电动机转速与电源频率成正比，因此，利用变频器内部自带PID功能对空压机进行恒压调节。空压机系统节能原理采用变频器控制空压机的转速以达到节能是一种较为科学的控制方法。根据空压机运行特性知：Q1/Q2=n1/n2H1/H2=（n1/n2）2P1/P2=（n1/n2）3式中Q空压机供给管网风量；H管网压力；P电机消耗功率；n空压机转速。由上式可知，当电机转速降至额定转速的80%，则空压机供给管网风量降为80%，管网压力降为（80%）2，电机消耗功率则降为（80%）3，即51.2%，去除电机机械损耗和电机铜、铁损耗等影响，节能效率也接近40%，这就是调速节能的原理所在。长期实践证明，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，以取代阀门调节方式，能取得明显的节能效果，一般节电率都在30以上。另外，变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对流量的平稳调节，同时减少启动冲击并延长机组及管组的使用寿命。空压机变频改造注意事项1）空压机是大转动惯量负载，这种启动特点就很容易引起V/F控制方式的变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议选用具有高启动转矩的无速度传感器矢量变频器，保证即能实现恒压供气连续性，又保证设备可靠稳定的运行；2）空压机不允许长时间在低频下运行，当空压机的转速过低，一方面将使空压机的工作稳定性变差，另一方面也使缸体的润滑变差，会加快磨损。所以工作的下限频率应不低于20Hz；3）为了有效滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减小因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减小电机运行噪音和温升，提高电动机的稳定性。4）电动机的散热问题由于电动机是靠它自带的风扇进行散热的，在工频以下运行时会影响散热效果。为此，我们经过长时间的观察，最后将变频器的频率下限设定为 25Hz. 5） 空气压力问题系统压力设定时，在满足生产工艺的条件下，压力不要设定的太高，这样节能效果会更明显。经过长时间的摸索，我们将空气压力设定为 0 6MPa 。七、系统原理图系统配置SINE308系列开环矢量控制变频器，电流型矢量控制，压力传感器。系统优点 1、由于空压机同时具备了变转矩负载和恒转矩负载的特性。SINE308系列变频器，它的过载特性最高可达电机额定电流的200%，IGBT的极限电流为额定电流的6倍。全面的电机保护功能保证空压机的长期无故障运行。且由于其唯一的出厂24个月保质期最大限度的保护用户利益。2、SINE308系列变频器采用多种控制模式包括磁场定向矢量控制、直接转矩控制等，可以保证变频器足够的转矩输出。3、SINE308内置PID调节功能，闭环控制简单低速额定转矩输出，运行稳定。4、SINE308系列变频器可以在0-55中的环境温度无障碍运行（一般空压机安装场合温度较高）；甚至可以在海拔4000M的高原地区正常使用；可在320V到528V之间，宽电压运行； 5、SINE308系列开环矢量节能控制器，能够适用各种类型的空气压缩机，节能效果明显。其采用磁场定向电流闭环矢量控制技术。磁场定向矢量控制，电机变量完全解耦，电流闭环。采用美国TI公司最新款高性能32位电机控制专用DSP，高速完成复杂准确的控制算法，国内首家产品化应用。 调速精度：0.01HZ调速范围：0.5-600.00HZ 冲击负载：180%电机额定转矩，2秒内不跳脱。低频转矩：0.5Hz，150%额定转矩输出。150%额定转矩加速和减速 6、系统变频启动，减少了空压机磨损，降低了维护费用，保障了空压机寿命。 7、在外部停止使用时，空压机处于休眠状态，电机低频运行，当外部继续使用时，空压机返回到工作状态，节省电能达30%50%。 8、变频器根据压力传感器信号来控制电机频率，从而根据空气使用量来控制空压机状态。 9、运行状态时可保持汽缸出气压力恒定，波动范围极小，真正实现“恒压供气”。 10、变频器具备工变频转换功能，即使变频器故障，也可切换到工频状态，不影响系统正常使用。八、空压机变频改造实施方案系统参数：空压机型号 GAl32-8 5主电动机型号 YXLA 315M-4额定功率 132 kW额定电压 380v额定电流 250A l 485 r/min远传压力表 VTP10-A-G10-B正弦变频器SINE308 节能变频器G1320-4T 额定电流 253A系统改造时保留原工频系统不变，增加变频系统，做到工频 / 变频互锁切换，当变频器发生故障时，利用原工频系统运行。本系统采用压力闭环调节方式，通过变频器的控制面板设定空气压力定值，在储气罐上安装个压力传感器。将空气压力信号转换为 0 10 V 的电信号，反馈到变频器内部的 PID 调节器，调节器将信号与压力定值进行比较运算，然后输出控制信号，变频器再根据此信号输出频率，调节电动机的转速，使空气压力保持稳定，这样空压机始终保持在节电运行状态。九、节能效果及经济效益分析改造前，空压机加载运行时运行电流 240A ，运行时间 2min ，卸载时运行电流 110A ，运行时间 4min 。改造后，空压机频率基本上在 30 45Hz ，运行电流平均 120A ，无卸载时问，基本不停机。用电量分析：每天工作 24 h