隨著國家“十四五”規(guī)劃節(jié)能降耗、減排方案的實(shí)施，空壓機(jī)的節(jié)能改造也日益受到人們的關(guān)注。本文將從空壓機(jī)的電機(jī)變頻改造所具備條件，變頻改造的原理及節(jié)能量的預(yù)估計(jì)算等方面和大家共同探討。
一、空壓機(jī)變頻改造所具備的條件
1.空壓機(jī)自身系統(tǒng)應(yīng)該具有變頻模式和工頻模式兩套控制回路，以防止變頻模式下有異?；蛘弑Ｗo(hù)時(shí)，可以快速切換到工頻模式運(yùn)行，減少停機(jī)以免影響生產(chǎn)；
2.空壓機(jī)有頻繁加卸載的狀況，一般加載率如果大于85%，做變頻改造后節(jié)能效果就不顯著；
3.雙級或兩級以上壓縮的螺桿空壓機(jī)、離心機(jī)、高壓活塞式壓縮機(jī)、無油壓縮機(jī)和大功率的壓縮機(jī)不適合進(jìn)行變頻改造，容易出現(xiàn)燒壞電機(jī)的情況。
二、空壓機(jī)變頻改造的原理
在介紹空壓機(jī)變頻改造原理前有必要對空壓機(jī)的使用現(xiàn)狀和加、卸載過程有大概的了解。
1、空壓機(jī)工作的現(xiàn)狀
工廠中空壓機(jī)“大馬拉小車”的現(xiàn)象比較普遍，它主要由如下兩個(gè)原因造成：
1)在選型階段，工程人員所選空壓機(jī)的排氣量往往高于使用時(shí)的最大需求；
2)空壓機(jī)應(yīng)用負(fù)荷本來就是變化的，而選擇空壓機(jī)的大小必須要能滿足最大負(fù)荷要求，但實(shí)際上最大負(fù)荷只是間斷出現(xiàn)，其它時(shí)間負(fù)荷要小的多。
2、空壓機(jī)加載和卸載
空壓機(jī)通過采集排氣壓力信號來控制進(jìn)氣閥的開度大小實(shí)現(xiàn)機(jī)器的加載和卸載過程。Pmin是最小壓力值即能夠保證用戶正常工作的最低壓力，Pmax是最大壓力也是卸載壓力。當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到Pmax時(shí)，空壓機(jī)將關(guān)閉進(jìn)氣閥進(jìn)行卸載，電機(jī)處于空載狀態(tài)；當(dāng)管網(wǎng)壓力繼續(xù)下降至Pmin時(shí)，原控制系統(tǒng)將逐漸打開進(jìn)氣閥直到壓力上升到Pmax，此過程為加載。車間用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力就會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，而通過原有機(jī)械式的調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥來滿足車間用氣需求，勢必會(huì)引起設(shè)備頻繁加卸載的情況，也就會(huì)在加載和卸載的過程中有能量浪費(fèi)。正是由于空壓機(jī)有頻繁加卸載或過長時(shí)間卸載的情況出現(xiàn)，才給變頻改造提供了空間。
3、空壓機(jī)變頻改造節(jié)能的原理及理論依據(jù)
為什么加裝變頻器就能實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的節(jié)能用電呢？而改變空壓機(jī)電機(jī)的輸入電源頻率就能減少用電又是為什么？其實(shí)是有理論計(jì)算依據(jù)的。根據(jù)壓縮機(jī)的負(fù)載性質(zhì)可得到：
P=k·Q·p
式中：
P——壓縮機(jī)的有效功率（即加載功率KW);
k——比例系數(shù)（機(jī)械損耗、銅損耗及鐵損耗等因素)
Q——壓縮空氣的流量（m3/min);
p——排氣壓力（kPa);
可見，在保證空壓機(jī)系統(tǒng)壓力p不變的前提下，只有減少產(chǎn)氣量Q才能降低壓縮機(jī)的有效功率P。然而這和車間用氣需求正好相符合，正是由于車間用氣量的減少才造成空壓機(jī)的卸載，而此時(shí)若空壓機(jī)減少供氣就不會(huì)出現(xiàn)頻繁加卸載或過長時(shí)間卸載的情況，從而減少加卸載消耗的電量。所以適時(shí)降低空壓機(jī)的產(chǎn)氣量是能滿足車間實(shí)際用氣需求的。而產(chǎn)氣量Q又和以下條件有關(guān)：(根據(jù)容積式壓縮機(jī)的容積流量與轉(zhuǎn)速成正比)
Q=k·η·V·n/60
其中
Q：表示排氣量；
k：表示機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率；
η：容積效率是壓縮過程中空氣的回流而導(dǎo)致的效率損失；
V：主機(jī)排氣容積指壓縮腔體每轉(zhuǎn)一周所容納空氣的體積（m3）；
N：轉(zhuǎn)速為空壓機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速（rpm)；
可知主機(jī)轉(zhuǎn)速越高，排氣量越大；轉(zhuǎn)速越低，排氣量越小。因此只需改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n就能減少空壓機(jī)的產(chǎn)氣量Q。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速又和電機(jī)的頻率有如下關(guān)系：按照電機(jī)學(xué)的基本原理：
n=（1-s)·60f/p
f=p（n0-n)/60=（n0-n）/n0·pn0/60=s·f0
其中：
n是三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速；
s為轉(zhuǎn)差率；
p為電機(jī)極對數(shù)；
F是電機(jī)運(yùn)行頻率(Hz)；
n0是同步轉(zhuǎn)速；
f0輸入電源頻率。
從上式中看出電機(jī)的轉(zhuǎn)速n正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率f，由于轉(zhuǎn)差率s—般情況下比較小(0～0.05)，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機(jī)的電源頻率f0就能改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n。空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的改變就會(huì)引起排氣量的變化，排氣量的減少就能降低空壓機(jī)的輸入功率從而達(dá)到節(jié)省能耗的目的。但是，單一的調(diào)節(jié)電源頻率將導(dǎo)致電機(jī)性能惡化。具體原因如下：電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子漏阻抗壓降很小，根據(jù)線圈組的基波電動(dòng)勢可以認(rèn)為
U≈E=4.44fNkwФm
式中
f——電機(jī)頻率；
N——電機(jī)繞組串聯(lián)匝數(shù)；
kw——繞組系數(shù)；
Фm——主磁通；
若端電壓U不變，則當(dāng)頻率f減小時(shí)，主磁通Фm將增加，這將導(dǎo)致磁路過分飽和，勵(lì)磁電流增大，功率因數(shù)降低，鐵心損耗增大；而當(dāng)f增大時(shí)，Фm將減少，電磁轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩下降，過載能力降低，電機(jī)的容量也得不到充分利用。為了使電機(jī)能保持較好的運(yùn)行性能，要求在調(diào)節(jié)f的同時(shí)，改變定子電壓U，以維持Фm不變，或者保持電動(dòng)機(jī)的過載能力不變。U隨f按什么樣規(guī)律變化最為合適呢？一般認(rèn)為，在任何類型負(fù)載下變頻調(diào)速時(shí)，若能保持電動(dòng)機(jī)的過載能力不變，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能較為理想。電動(dòng)機(jī)的過載能力為：
式中
λt--電機(jī)過載能力；
Tm--最大轉(zhuǎn)矩；
TN--額定轉(zhuǎn)矩。
而根據(jù)變頻調(diào)速時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性，最大轉(zhuǎn)矩可以用以下式子表示：
式中c為一個(gè)常數(shù)，m為定子相數(shù)，p為磁極對數(shù)，U為定子相電壓；f為電源頻率，L1、L2為定、轉(zhuǎn)子繞組的漏電感。為保持變頻前后λt不變，要求下式成立：
其中加“'”的表示變頻后的量。
通過以上式子可以知道，要想保持電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不發(fā)生改變，那么電壓U和頻率f需成正比例調(diào)節(jié)的方式，這樣才能保證電機(jī)的過載能力λt不變，同時(shí)又滿足主磁通Фm不變化。即電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變TN=TN′時(shí)，
這就要求變頻器不僅要調(diào)節(jié)電源頻率，還要同時(shí)調(diào)節(jié)電壓，而現(xiàn)今的變頻器恰能滿足這種要求。
變頻調(diào)速系統(tǒng)以輸出壓力作為控制對象，在原有的壓力罐或輸氣管道上加裝一個(gè)壓力傳感器，將壓力信號轉(zhuǎn)化為4-20mA或0-5v直流信號送入到變頻器內(nèi)的PID調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定信號做比較。其差值由調(diào)節(jié)器做PI運(yùn)算，再輸出信號給變頻器，并隨時(shí)調(diào)整變頻器的輸出頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以維持管道壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。若管道壓力發(fā)生變化將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如當(dāng)用氣量減少，管道壓力增加時(shí)，變送器信號大于設(shè)定信號，調(diào)節(jié)器輸出減少，變頻器輸出頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，空壓機(jī)供氣減少使管道壓力降低。由于其調(diào)控過程較快，短時(shí)間內(nèi)變頻器信號和壓力給定信號便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而維持了變頻器輸出頻率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了恒壓供氣使空壓機(jī)始終處于節(jié)電運(yùn)行狀態(tài)。
通過電氣控制和變頻控制的精確配合，在不改變空氣壓縮機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩（即帶動(dòng)負(fù)載能力）的情況下實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速（即輸出功率）來響應(yīng)各車間用氣量的變化，保持穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力（設(shè)定值），讓空壓機(jī)按需輸出壓縮空氣。
以下是空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)圖：
調(diào)速過程：
用氣需求↑——管路壓力↓——壓力設(shè)定值與返饋值的差值↑—PID輸出↑——變頻器輸出頻率↑——空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速↑——供氣流量↑——管路壓力趨于平穩(wěn)
下圖為不同調(diào)節(jié)方式下排氣量和消耗功率的關(guān)系曲線：
從圖中可以看到變頻調(diào)節(jié)方式的典型特性。在一定的范圍內(nèi)空壓機(jī)的功率和容積流量都基本上隨轉(zhuǎn)速成正比變化。因此，這種調(diào)節(jié)方法的經(jīng)濟(jì)性好。
三、空壓機(jī)變頻改造注意事項(xiàng)
1.空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，這種啟動(dòng)特點(diǎn)很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跳過流保護(hù)的情況。建議選用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器，保證既能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣連續(xù)性，又保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行；
2.空壓機(jī)不允許長時(shí)間在低頻下運(yùn)行。當(dāng)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速過低，一方面將使空壓機(jī)的工作穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會(huì)加快磨損。所以工作的下限頻率應(yīng)不低于25Hz；
3.為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減小電機(jī)運(yùn)行噪音和溫升，提高電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性；
4.空壓機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)需保持儲氣罐出口壓力穩(wěn)定，壓力波動(dòng)范圍不超過±0.02MPa；
5.在用電氣量小的情況下，變頻器處在低頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保障電機(jī)繞組溫度和電機(jī)的噪音不超過允許的范圍。
四、所用變頻器的使用要求
1.變頻器種類很多，但對壓縮機(jī)而言有其專門的要求，選擇不當(dāng)會(huì)影響變頻調(diào)節(jié)效果。有些工廠自己配有發(fā)電設(shè)備，電網(wǎng)波動(dòng)較大對變頻空氣壓縮機(jī)用變頻器容許輸入電壓波動(dòng)范圍要求有所提高；
2.電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量比較大，所以推薦變頻器使用低頻特性較好的矢量控制方法；
3.由于空壓機(jī)是一個(gè)控制系統(tǒng),給出的操作信號可能有多種，所以要求變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)和頻率設(shè)定來源要有多種，其中通訊方式必不可少；
4.變頻器PID功能在系統(tǒng)中，可以接受常用反饋量，且PID要具有反饋異常偵測及反饋異常處理功能，以免發(fā)生危險(xiǎn)；
5.變頻器其它功能，除常用功能外，根據(jù)變頻空壓機(jī)廠家建議，增加PT100模擬輸入通道要求；
6.工業(yè)現(xiàn)場自動(dòng)化設(shè)備較多，需要建立總線網(wǎng)絡(luò)以完善監(jiān)控、控制等；
7.變頻器的額定輸入電流≤16A時(shí),對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流應(yīng)符合GB17625.1-2003《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)》的規(guī)定；變頻器的額定輸入電流＞16A時(shí)，對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流應(yīng)符GB/Z17625.6-2003《電磁兼容限值對額定電流大于16A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制》的規(guī)定；
8.變頻器的電磁兼容要求按照GB12668《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)》B等級驗(yàn)收（性能）準(zhǔn)則規(guī)定。
五、節(jié)能量計(jì)算
空壓機(jī)在變頻改造后的節(jié)能量通過理論分析推導(dǎo)可以得出：
假定空壓機(jī)的工作效率η不變，U——運(yùn)行電壓，I——空載電流，cosφ——空載運(yùn)行的功率因數(shù)，P——電機(jī)功率；因此在變頻改造前測量出空壓機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的電壓、電流、功率因數(shù)及空載運(yùn)行的時(shí)間或加卸載比例，就可估算出改造后的節(jié)能量大約是多少。
舉例如下：某品牌螺桿式空壓機(jī)
根據(jù)上述公式得出變頻改造后每小時(shí)的節(jié)能量為：
W節(jié)能=3×380×118×0.86×250/1000=16.7kWh；
空壓機(jī)每天運(yùn)行24小時(shí)，一天的節(jié)能量是：W=16.7×24h=400.8kWh；
平均電費(fèi)按0.8元/度來計(jì)算，每天可節(jié)約400.8×0.8=320.64元。
注：以上的節(jié)能量計(jì)算是理論數(shù)據(jù)，僅供參考，真正的節(jié)能效果還與設(shè)備的實(shí)際使用情況、變頻器給定的參數(shù)等因素有關(guān)，需要現(xiàn)場真實(shí)測量得出。
來源：本站原創(chuàng)
隨著國家“十四五”規(guī)劃節(jié)能降耗、減排方案的實(shí)施，空壓機(jī)的節(jié)能改造也日益受到人們的關(guān)注。本文將從空壓機(jī)的電機(jī)變頻改造所具備條件，變頻改造的原理及節(jié)能量的預(yù)估計(jì)算等方面和大家共同探討。
一、空壓機(jī)變頻改造所具備的條件
1.空壓機(jī)自身系統(tǒng)應(yīng)該具有變頻模式和工頻模式兩套控制回路，以防止變頻模式下有異?；蛘弑Ｗo(hù)時(shí)，可以快速切換到工頻模式運(yùn)行，減少停機(jī)以免影響生產(chǎn)；
2.空壓機(jī)有頻繁加卸載的狀況，一般加載率如果大于85%，做變頻改造后節(jié)能效果就不顯著；
3.雙級或兩級以上壓縮的螺桿空壓機(jī)、離心機(jī)、高壓活塞式壓縮機(jī)、無油壓縮機(jī)和大功率的壓縮機(jī)不適合進(jìn)行變頻改造，容易出現(xiàn)燒壞電機(jī)的情況。
二、空壓機(jī)變頻改造的原理
在介紹空壓機(jī)變頻改造原理前有必要對空壓機(jī)的使用現(xiàn)狀和加、卸載過程有大概的了解。
1、空壓機(jī)工作的現(xiàn)狀
工廠中空壓機(jī)“大馬拉小車”的現(xiàn)象比較普遍，它主要由如下兩個(gè)原因造成：
1)在選型階段，工程人員所選空壓機(jī)的排氣量往往高于使用時(shí)的最大需求；
2)空壓機(jī)應(yīng)用負(fù)荷本來就是變化的，而選擇空壓機(jī)的大小必須要能滿足最大負(fù)荷要求，但實(shí)際上最大負(fù)荷只是間斷出現(xiàn)，其它時(shí)間負(fù)荷要小的多。
2、空壓機(jī)加載和卸載
空壓機(jī)通過采集排氣壓力信號來控制進(jìn)氣閥的開度大小實(shí)現(xiàn)機(jī)器的加載和卸載過程。Pmin是最小壓力值即能夠保證用戶正常工作的最低壓力，Pmax是最大壓力也是卸載壓力。當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到Pmax時(shí)，空壓機(jī)將關(guān)閉進(jìn)氣閥進(jìn)行卸載，電機(jī)處于空載狀態(tài)；當(dāng)管網(wǎng)壓力繼續(xù)下降至Pmin時(shí)，原控制系統(tǒng)將逐漸打開進(jìn)氣閥直到壓力上升到Pmax，此過程為加載。車間用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力就會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，而通過原有機(jī)械式的調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥來滿足車間用氣需求，勢必會(huì)引起設(shè)備頻繁加卸載的情況，也就會(huì)在加載和卸載的過程中有能量浪費(fèi)。正是由于空壓機(jī)有頻繁加卸載或過長時(shí)間卸載的情況出現(xiàn)，才給變頻改造提供了空間。
3、空壓機(jī)變頻改造節(jié)能的原理及理論依據(jù)
為什么加裝變頻器就能實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的節(jié)能用電呢？而改變空壓機(jī)電機(jī)的輸入電源頻率就能減少用電又是為什么？其實(shí)是有理論計(jì)算依據(jù)的。根據(jù)壓縮機(jī)的負(fù)載性質(zhì)可得到：
P=k·Q·p
式中：
P——壓縮機(jī)的有效功率（即加載功率KW);
k——比例系數(shù)（機(jī)械損耗、銅損耗及鐵損耗等因素)
Q——壓縮空氣的流量（m3/min);
p——排氣壓力（kPa);
可見，在保證空壓機(jī)系統(tǒng)壓力p不變的前提下，只有減少產(chǎn)氣量Q才能降低壓縮機(jī)的有效功率P。然而這和車間用氣需求正好相符合，正是由于車間用氣量的減少才造成空壓機(jī)的卸載，而此時(shí)若空壓機(jī)減少供氣就不會(huì)出現(xiàn)頻繁加卸載或過長時(shí)間卸載的情況，從而減少加卸載消耗的電量。所以適時(shí)降低空壓機(jī)的產(chǎn)氣量是能滿足車間實(shí)際用氣需求的。而產(chǎn)氣量Q又和以下條件有關(guān)：(根據(jù)容積式壓縮機(jī)的容積流量與轉(zhuǎn)速成正比)
Q=k·η·V·n/60
其中
Q：表示排氣量；
k：表示機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率；
η：容積效率是壓縮過程中空氣的回流而導(dǎo)致的效率損失；
V：主機(jī)排氣容積指壓縮腔體每轉(zhuǎn)一周所容納空氣的體積（m3）；
N：轉(zhuǎn)速為空壓機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速（rpm)；
可知主機(jī)轉(zhuǎn)速越高，排氣量越大；轉(zhuǎn)速越低，排氣量越小。因此只需改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n就能減少空壓機(jī)的產(chǎn)氣量Q。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速又和電機(jī)的頻率有如下關(guān)系：按照電機(jī)學(xué)的基本原理：
n=（1-s)·60f/p
f=p（n0-n)/60=（n0-n）/n0·pn0/60=s·f0
其中：
n是三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速；
s為轉(zhuǎn)差率；
p為電機(jī)極對數(shù)；
F是電機(jī)運(yùn)行頻率(Hz)；
n0是同步轉(zhuǎn)速；
f0輸入電源頻率。
從上式中看出電機(jī)的轉(zhuǎn)速n正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率f，由于轉(zhuǎn)差率s—般情況下比較小(0～0.05)，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機(jī)的電源頻率f0就能改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n。空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的改變就會(huì)引起排氣量的變化，排氣量的減少就能降低空壓機(jī)的輸入功率從而達(dá)到節(jié)省能耗的目的。但是，單一的調(diào)節(jié)電源頻率將導(dǎo)致電機(jī)性能惡化。具體原因如下：電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子漏阻抗壓降很小，根據(jù)線圈組的基波電動(dòng)勢可以認(rèn)為
U≈E=4.44fNkwФm
式中
f——電機(jī)頻率；
N——電機(jī)繞組串聯(lián)匝數(shù)；
kw——繞組系數(shù)；
Фm——主磁通；
若端電壓U不變，則當(dāng)頻率f減小時(shí)，主磁通Фm將增加，這將導(dǎo)致磁路過分飽和，勵(lì)磁電流增大，功率因數(shù)降低，鐵心損耗增大；而當(dāng)f增大時(shí)，Фm將減少，電磁轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩下降，過載能力降低，電機(jī)的容量也得不到充分利用。為了使電機(jī)能保持較好的運(yùn)行性能，要求在調(diào)節(jié)f的同時(shí)，改變定子電壓U，以維持Фm不變，或者保持電動(dòng)機(jī)的過載能力不變。U隨f按什么樣規(guī)律變化最為合適呢？一般認(rèn)為，在任何類型負(fù)載下變頻調(diào)速時(shí)，若能保持電動(dòng)機(jī)的過載能力不變，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能較為理想。電動(dòng)機(jī)的過載能力為：
式中
λt--電機(jī)過載能力；
Tm--最大轉(zhuǎn)矩；
TN--額定轉(zhuǎn)矩。
而根據(jù)變頻調(diào)速時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性，最大轉(zhuǎn)矩可以用以下式子表示：
式中c為一個(gè)常數(shù)，m為定子相數(shù)，p為磁極對數(shù)，U為定子相電壓；f為電源頻率，L1、L2為定、轉(zhuǎn)子繞組的漏電感。為保持變頻前后λt不變，要求下式成立：
其中加“'”的表示變頻后的量。
通過以上式子可以知道，要想保持電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不發(fā)生改變，那么電壓U和頻率f需成正比例調(diào)節(jié)的方式，這樣才能保證電機(jī)的過載能力λt不變，同時(shí)又滿足主磁通Фm不變化。即電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變TN=TN′時(shí)，
這就要求變頻器不僅要調(diào)節(jié)電源頻率，還要同時(shí)調(diào)節(jié)電壓，而現(xiàn)今的變頻器恰能滿足這種要求。
變頻調(diào)速系統(tǒng)以輸出壓力作為控制對象，在原有的壓力罐或輸氣管道上加裝一個(gè)壓力傳感器，將壓力信號轉(zhuǎn)化為4-20mA或0-5v直流信號送入到變頻器內(nèi)的PID調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定信號做比較。其差值由調(diào)節(jié)器做PI運(yùn)算，再輸出信號給變頻器，并隨時(shí)調(diào)整變頻器的輸出頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以維持管道壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。若管道壓力發(fā)生變化將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如當(dāng)用氣量減少，管道壓力增加時(shí)，變送器信號大于設(shè)定信號，調(diào)節(jié)器輸出減少，變頻器輸出頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，空壓機(jī)供氣減少使管道壓力降低。由于其調(diào)控過程較快，短時(shí)間內(nèi)變頻器信號和壓力給定信號便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而維持了變頻器輸出頻率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了恒壓供氣使空壓機(jī)始終處于節(jié)電運(yùn)行狀態(tài)。
通過電氣控制和變頻控制的精確配合，在不改變空氣壓縮機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩（即帶動(dòng)負(fù)載能力）的情況下實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速（即輸出功率）來響應(yīng)各車間用氣量的變化，保持穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力（設(shè)定值），讓空壓機(jī)按需輸出壓縮空氣。
以下是空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)圖：
調(diào)速過程：
用氣需求↑——管路壓力↓——壓力設(shè)定值與返饋值的差值↑—PID輸出↑——變頻器輸出頻率↑——空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速↑——供氣流量↑——管路壓力趨于平穩(wěn)
下圖為不同調(diào)節(jié)方式下排氣量和消耗功率的關(guān)系曲線：
從圖中可以看到變頻調(diào)節(jié)方式的典型特性。在一定的范圍內(nèi)空壓機(jī)的功率和容積流量都基本上隨轉(zhuǎn)速成正比變化。因此，這種調(diào)節(jié)方法的經(jīng)濟(jì)性好。
三、空壓機(jī)變頻改造注意事項(xiàng)
1.空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，這種啟動(dòng)特點(diǎn)很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跳過流保護(hù)的情況。建議選用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器，保證既能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣連續(xù)性，又保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行；
2.空壓機(jī)不允許長時(shí)間在低頻下運(yùn)行。當(dāng)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速過低，一方面將使空壓機(jī)的工作穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會(huì)加快磨損。所以工作的下限頻率應(yīng)不低于25Hz；
3.為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減小電機(jī)運(yùn)行噪音和溫升，提高電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性；
4.空壓機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)需保持儲氣罐出口壓力穩(wěn)定，壓力波動(dòng)范圍不超過±0.02MPa；
5.在用電氣量小的情況下，變頻器處在低頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保障電機(jī)繞組溫度和電機(jī)的噪音不超過允許的范圍。
四、所用變頻器的使用要求
1.變頻器種類很多，但對壓縮機(jī)而言有其專門的要求，選擇不當(dāng)會(huì)影響變頻調(diào)節(jié)效果。有些工廠自己配有發(fā)電設(shè)備，電網(wǎng)波動(dòng)較大對變頻空氣壓縮機(jī)用變頻器容許輸入電壓波動(dòng)范圍要求有所提高；
2.電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量比較大，所以推薦變頻器使用低頻特性較好的矢量控制方法；
3.由于空壓機(jī)是一個(gè)控制系統(tǒng),給出的操作信號可能有多種，所以要求變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)和頻率設(shè)定來源要有多種，其中通訊方式必不可少；
4.變頻器PID功能在系統(tǒng)中，可以接受常用反饋量，且PID要具有反饋異常偵測及反饋異常處理功能，以免發(fā)生危險(xiǎn)；
5.變頻器其它功能，除常用功能外，根據(jù)變頻空壓機(jī)廠家建議，增加PT100模擬輸入通道要求；
6.工業(yè)現(xiàn)場自動(dòng)化設(shè)備較多，需要建立總線網(wǎng)絡(luò)以完善監(jiān)控、控制等；
7.變頻器的額定輸入電流≤16A時(shí),對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流應(yīng)符合GB17625.1-2003《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)》的規(guī)定；變頻器的額定輸入電流＞16A時(shí)，對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流應(yīng)符GB/Z17625.6-2003《電磁兼容限值對額定電流大于16A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制》的規(guī)定；
8.變頻器的電磁兼容要求按照GB12668《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)》B等級驗(yàn)收（性能）準(zhǔn)則規(guī)定。
五、節(jié)能量計(jì)算
空壓機(jī)在變頻改造后的節(jié)能量通過理論分析推導(dǎo)可以得出：
假定空壓機(jī)的工作效率η不變，U——運(yùn)行電壓，I——空載電流，cosφ——空載運(yùn)行的功率因數(shù)，P——電機(jī)功率；因此在變頻改造前測量出空壓機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的電壓、電流、功率因數(shù)及空載運(yùn)行的時(shí)間或加卸載比例，就可估算出改造后的節(jié)能量大約是多少。
舉例如下：某品牌螺桿式空壓機(jī)
根據(jù)上述公式得出變頻改造后每小時(shí)的節(jié)能量為：
W節(jié)能=3×380×118×0.86×250/1000=16.7kWh；
空壓機(jī)每天運(yùn)行24小時(shí)，一天的節(jié)能量是：W=16.7×24h=400.8kWh；
平均電費(fèi)按0.8元/度來計(jì)算，每天可節(jié)約400.8×0.8=320.64元。
注：以上的節(jié)能量計(jì)算是理論數(shù)據(jù)，僅供參考，真正的節(jié)能效果還與設(shè)備的實(shí)際使用情況、變頻器給定的參數(shù)等因素有關(guān)，需要現(xiàn)場真實(shí)測量得出。
來源：本站原創(chuàng)
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