一、引言：
1.1 空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備。它的用途廣泛，可以用于冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石油化工等各個行業。空壓機占大型工業設備(風機、水泵、鍋爐、空壓機等)耗電量的15%。
經考察，大部分空壓機自身存在著以下幾個缺點:
(1) 當輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機空轉，嚴重浪費能源；
(2) 異步電動機易頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命；
(3) 自動化程度低，輸出壓力的調節是靠人為調節閥的開度來實現的，調節速度慢，波動大，不穩定，精度低；
(4) 空壓機工頻啟動電流大，對電網沖擊大，電機軸承磨損大，設備維護量大。
1.2 傳統空壓機供氣系統電能浪費分析：
傳統空壓機供氣系統的工作狀態主要有兩種：一種是加載狀態，另一種是空載狀態。
(1) 加載時的電能消耗
加載狀態是，在壓力達到最小值后，原控制方式決定其壓力會繼續上升直到最大壓力值。在加壓過程中,一定要向外界釋放更多的熱量，從而導致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過減壓閥減壓,這一過程同樣是一個耗能過程。
(2) 卸載時電能的消耗
空載狀態時，當壓力達到壓力最大值時，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使電機處于空轉狀態，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。據我們測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%～25%,這還是在卸載時間所占比例不大的情況下。換而言之，該空壓機20%左右的時間處于空載狀態，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節能空間。
傳統空壓機供氣系統的壓力控制是上下限控制，首先根據生產設備的最低壓力要求，設定空壓機輸出壓力的下限，也就是空壓機開始加載的壓力；再在最低壓力上加1帕左右，作為空壓機輸出壓力的上限，即開始卸載的壓力。空壓機的輸出工作壓力將在上下限之間波動。空壓機的功率消耗和輸出壓力成正比。輸出的壓力越高消耗的功率也越大，從輸出壓力的下限到上限的1帕的壓差將多消耗總功率的7-10%。在傳統供氣空壓機系統中，如果有多臺空壓機同時運行，每臺空壓機的輸出壓力都將隨著管網的壓力波動而在上下限之間波動，所以每臺機都多消耗7-10%的額定功率。
傳統空壓機供氣系統中運行參數的設定不同也會造成空壓機用電量的不同，必須根據用氣工況進行設定，才能達到最經濟的運行效果。傳統空壓機供氣系統由于電機不允許頻繁啟動，導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，浪費電能。經常卸載和加載導致整個氣網壓力經常變化，不能保持恒定的工作壓力。
二、空壓機的工作原理：
螺桿式空壓機的工作原理圖如圖1所示，空氣經空氣過濾器和吸氣調節閥而吸入，該調節閥主要用于調節氣缸、轉子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽轉子旋轉相對于氣缸里偏心方式運轉。滑片安裝在轉子的槽中，并通過離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統能夠確保壓縮機良好的冷卻及潤滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經過油氣分離器進行分離之后，油氣經過油冷卻器冷卻再經過油過濾器流回儲油罐，空氣經過氣冷卻器(空氣冷卻裝置)進行冷卻而進入儲氣罐。
三、空壓機改造原理：
（1）、出氣口釋放閥全部關閉，取消用出氣口釋放閥調節供氣量方式，以避免由此導致的電能浪費。代之以變頻器調整電機的轉速來調整氣體流量，使電機輸出的功率與流量需求基本上成正比關系，始終使電機高效率工作，以達到明顯的節電效果。例如當用氣量是額定供氣量的50%時，節電率可達40%以上；
（2）、利用變頻器的節能模式，可使電機在輕載時以最高效率運行，減少不必要的電能損耗；
（3）、根據嚴格的EMS標準，高效的PWM 變頻器使用高速低耗的IGBT，降低諧波失真和電機的電能損失；
（4）、可使電機起動、加載時的電流平緩上升，沒有任何沖擊；可使電機實現軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長設備的使用壽命；避免因電流峰值帶來的電力公司的罰款；
（5）、采用變頻控制系統后，可以實時監測供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中的氣體的壓力保持恒定，提高生產效率和產品質量；
（6）、由于電機在高效率狀態下運行，功率因數較高，降低了無功損耗，節約了大量電能；
（7）、保存原釋放閥系統，在必要時可參加調節，增強系統的可靠性。
總之，采用恒壓供氣智能控制系統后，不但可節約30%～40%的電力費用，延長壓縮機的使用壽命，并可實現恒壓供氣的目的，提高生產效率和產品質量。
四、變頻改造方案設計原則：
4.1 原供氣系統介紹:
某廠聚丙烯供氣系統共有四臺37kW空壓機,是原聚丙烯空壓機供氣系統工作流程圖，采用三臺空壓機工頻供電運行，另一臺空壓機作備用。
存在問題是：由于工作空壓機是用工頻供電運行，始終處于滿負荷運行，趕產量用氣高峰時有氣壓偏低的現象；用氣低谷時，特別是節假日休息時，供氣壓量特別大（該廠聚丙烯供氣系統24小時運行）。容易損壞排氣閥門或氣管爆裂，同時浪費了電能，降低了設備使用壽命。希望恒壓供氣，三臺聚丙烯空壓機均衡工作運行。
針對螺桿式空壓機系統供氣控制方式存在的諸多問題，我們對該廠二組（即2臺110kW）一對一空壓機采用變頻調速技術進行恒壓供氣控制。使用澳地特AD300變頻器，對該供氣系統進行節能改造。
設計方案：
采用一對一帶工頻旁路，同時可轉換使用的方式。把聚丙烯空壓機供氣系統的管網壓力作為控制對象，用壓力變送器SP采集儲氣罐的壓力P轉變為電信號送給變頻器內設PID自整定控制儀，與PID自整定控制儀的壓力設定值SV作比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產生控制信號通過DSP來控制電機的工作頻率與轉速，從而使實際壓力P始終接近設定壓力值SV。預設了報警功能，當測量值超出上限設定值時AL1發出報警信號，當測量值低于下限設定值時AL2發出報警信號。通過變頻器、壓力傳感器與PID自整定控制儀的有機結合，構成供氣閉環自動控制系統，自動調節空壓機的輸出壓力。使每臺空壓機的利用率均等，增加系統、管道壓力的穩定性和可靠性，方便技術員控制和維護設備。
該恒壓供氣控制系統增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護系統，另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到旋轉
工作可由變頻器來啟動，實現了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊。
五、改造方案原理：
由變頻器（據客戶要求可做成工變頻轉換），壓力變送器(遠傳壓力表)、電機、螺旋轉子組成壓力閉環控制系統自動調節電機轉速，使儲氣罐內空氣壓力穩定在設定范圍內，進行恒壓控制。反饋壓力與設定壓力進行比較運算，實時控制變頻器的輸出，從而調節轉速，使儲氣罐內空氣壓力穩定在設定壓力上。
確保生產的正常。在原來的壓力檢測上，我們將再增加一個壓力檢測，檢測到的信號將通過PID轉換器換算，轉換成穩定的高精度信號提供變頻器使用，變頻器將通過該信號合理調節主電機轉速，提高整個系統的性能，同時達到良好的節電目的。
澳地特AD300系列變頻器自帶過壓和欠壓保護，過流保護，溫度過高保護等保護系統；自帶散熱排風系統；確保機器的穩定。壓力傳感在變頻器啟動后，時刻將數據傳輸到變頻器，反饋實際的壓力數值，用于電機的速度控制。當壓差比較大，變頻器將提高電機轉速，確保壓力滿足輸出要求；當壓差減少，變頻器將降低電機轉速，達到節能的目的。當壓力達到目標要求，空壓機進入空車狀態，變頻器根據空壓機微電腦的信號，進入停機狀態，儲氣罐內空氣壓力穩定在設定壓力上。
六、空壓機變頻改造后的效益：
1）節約能源
變頻器控制壓縮機與傳統控制的壓縮機比較，能源節約是最有實際意義的，根據空氣量需求來供給的壓縮機工況是經濟的運行狀態。
2）運行成本降低
傳統壓縮機的運行成本由三項組成：初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本大約占壓縮機運行成本的77%。通過能源成本降低44.3%，再加上變頻起動后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。
3）提高壓力控制精度
變頻控制系統具有精確的壓力控制能力。使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，所以它可以使管網的系統壓力變化保持在3pisg變化范圍，也就是0.2bar范圍內，有效地提高了工況的質量。
4）延長壓縮機的使用壽命
變頻器從0Hz起動壓縮機，它的起動加速時間可以調整，從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機組起動時流波動，這一波動電流會影響電網和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減少到最低程度。將下限頻率調至40Hz，然后用紅外線測溫儀對空壓機電機的溫升及管路的油溫進行了長時間、嚴格的監測，電機溫升約2-4℃之間，屬正常溫升范圍，油溫基本無變化，排氣溫度下降5℃。所以40Hz下限頻率運行對空壓機機組的工作很安全。
5）降低了空壓機的噪音
根據壓縮機的工況要求，變頻調速改造后，電機運轉速度明顯減慢，因此有效地降了空壓機運行時的噪音。現場測定表明，噪音與原系統比較下降約3至7分貝。
七、現場情況及參數設置
某電子有限公司是一家專業從事精密塑料結構件配套產品加工服務的公司，主要為客戶提供：產品結構設計，模具設計。公司生產用氣非常量非常大，在車間樓頂安裝了兩臺阿特拉斯110KW的空壓機，由于只開一臺空壓機時，氣量滿足不了生產需求，而開兩臺時，氣量又太大，造成電機長時間空轉浪費電能，且易對電機造成不必要的磨損，減短電機使用壽命。所以用戶選擇我們澳地特AD300的電流矢量變頻器進行節能改造。
空壓機具體參數：
生產需要的氣量是0.76MPa，現場裝有一只遠傳壓力傳感器，它可以將氣罐壓力以4-20mA電流信號反饋給變頻器，讓整個系統能用變頻器PID 實現閉環控制。當壓力到達設定壓力上限時，空壓機開始卸載，同時變頻器讓空壓機以下限頻率運行；
當壓力低于設定頻率一定值時，空壓機開始加載，同時變頻器讓空壓機加速到上限頻率運行。這樣既能快速高效滿足生產需求，又能最大限度的節約電能，也可以延長空壓機的使用壽命，一舉多得。
相應參數設置如下：
參數 設定值 解釋
F0.02 = 1（ 端子控制）
F0.03 = 7（ PID 控制設定）
F0.13 = 25（下線頻率）
F0.19 = 據現場情況具體設定（加速時間）
F0.20 = 據現場情況具體設定（減速時間）
F1.08 = 1（自由停車）
F2.12 = 1（禁止反轉）
F6.01 = 1 （正轉運行）
F8.00 = 0 （PID數字給定）
F8.01 =1 （AI2端子）
F8.02 =據現場情況具體設定 （模擬PID數字給定）
八、方案優點：
1、線路成熟，穩定性高，功能滿足用戶使用要求；
2、可選擇工頻/變頻兩用，靈活方便轉換，變頻發生故障時，仍然可以保證機器正常工作，確保企業的生產；
3、采用兩路壓力檢測，PID控制器科學換算壓力數據，使空壓機系統氣壓更平穩，壓力精度高；
4、我們采用的變頻器，性價比高，質量可靠，質量保18個月；
5、成本低，為廣大企業用戶節省成本開支。
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