为解决空压机产能过剩而加、卸载频繁，导致供气压力波动大、能源浪费严重的问题，黔江分厂采用变频控制技术对阿特拉斯ZR250型无忧螺杆空压机进行变频控制改造，使电机转速随空压机出口压力变化自动调节，从而在恒定压力输出的基础上缩短下载时间，实现节能运行。节能效果经第三方能源利用检测机构的检测，节能率达29.93%。因此对于空压机加、卸载频率的情况，采用变频调速控制，可以有效达到节能的目的。
1.变频调速技术早期主要应用于生产设备转速控制，近年来开始大量投入风机、泵类负载的节能应用，在空调节能领域应用尤为广泛。
空压机是卷烟厂正常生产运行的重要保障，但在动力能源系统中，能耗仅次于锅炉及空调系统。由于通常按照最大用气量负荷设计空压机容量，因此实际应用中空压机常常工作在空载状态，从而浪费大量的电能。因此，笔者采用变频控制技术，对黔江分厂1#空压机实施变频改造，探索空压机变频控制的节能效果。
同时由于目前空压机变频节能技术应用主要体现在有油螺杆空压机方面，因此笔者就阿特拉斯ZR250型无油螺杆空压机变频控制技术的实际应用提出一些建议，旨为变频控制技术在无油螺杆空压机节能中的实际应用提供参考。
2.空压机变频改造的背景：
黔江分厂3台阿特拉斯ZR250型空压机，电机功率245KW，单台空压机产气量40m³/min，最高工作压力0.75MPa，采用两用一备工作方式，提供压缩空气供卷烟生产使用。
为保证生产用气要求，机组供气压力上限设定到0.72MPa。由于空压机采用上、下限压力控制方式，通过加载、卸载实现压力调节，而生产用气需求低于空压机产量，因此机组运行存在压缩空气输出压力在上、下限之间波动，加、卸载频繁的问题，电能浪费严重。
3.空压机变频节能分析：
阿特拉斯ZR250型空压机为溶剂型空压机，其工作原理为，通过电机带动高、低压转子的阴阳螺杆在气缸内转动，使螺杆间齿沟内的空气不断产生周期性容积变化，空气沿着螺杆轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆空压机的吸气、压缩和排气的全过程。
因此，由螺杆压缩机的时机容量流量公式 qv=ŋvCφCanλD³1
式中 ŋv——容积效率
Cφ——扭角系数
Ca——面积利用系数
n——阳转子转速
λ——L/D1
L——阳转子长度
D1——阳转子直径
可知，螺杆空压机的产气量与电机转速成正比，通过调节电机转速，就可实现空压机产气量的调节，从而调节空压机的产能，通过缩短或者消除空压机卸载时间，避免空压机空载运行的电能浪费，并且稳定控制空压机的供气压力，达到空压机高效运行并降低额外电能消耗的目的。
另外，从电力拖动负载的角度来看，空压机属于恒转速矩性质的负载，恒转矩负载转矩T的大小不随转速n变化。通过电机转矩公式T=9550P/n可以看出，恒转矩负载的轴功率P与转速n成正比关系。因此，在用气量减少时，通过调节空压机的转速n，可以降低所消耗的轴功率P，实现节能。
4.空压机变频控制原理：
压缩空气流量式空压机供气系统的基本控制对象，供气流量需要随时满足用气流量。在供气系统中，空压机压缩空气出口气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系：
若 供气流量＞用气流量→出气口气压上升；
若 供气流量＞用气流量→出气口气压下降；
若 供气流量＝用气流量→出气口气压不变。
因此，通过变频改造，以供其系统压力作为控制对象，在空压机压缩空气出口管道上安装压力变送器，将压力转变为电信号传送给变频调速柜，并与压力设定值进行比较，再根据偏差值大小按某种控制算法进行运算，产生控制信号去控制变频调速柜的输出电压和频率，从而动态调整空压机电机的转速，使空压机压缩空气出口压力始终保持在设定的压力值，就可保证空压机供气能力恰好满足用气需求，其控制原理如下：
5.实际应用：
(1)节能分析：通过2010年3月22~26日，在1#空压机加、卸载运行，2#空压机加载运行的前提下，每天随机测量5次1#空压机加、下载时间及加、下载电流，并按经验公式估算，1#空压机平均耗电率（K）达64.3%，具体数据如下表：
K=1-T1/T1+AT2
1#空压机加卸载时间统计表：（时间单位：s）
|
序号 |
项目 |
3.22 |
3.23 |
3.24 |
3.25 |
3.26 |
|
1 |
加载 |
20 |
18 |
15 |
17 |
20 |
|
2 |
卸载 |
70 |
82 |
109 |
90 |
71 |
|
3 |
加载 |
19 |
20 |
19 |
18 |
19 |
|
4 |
卸载 |
78 |
71 |
77 |
79 |
76 |
|
5 |
加载 |
17 |
18 |
20 |
21 |
19 |
|
6 |
卸载 |
89 |
80 |
69 |
69 |
76 |
|
7 |
加载 |
21 |
17 |
18 |
20 |
15 |
|
8 |
卸载 |
68 |
87 |
80 |
71 |
107 |
|
9 |
加载 |
19 |
19 |
21 |
19 |
18 |
|
10 |
卸载 |
76 |
77 |
66 |
78 |
81 |
1#空压机耗电率统计表：
|
序号 |
日期 |
耗电率 |
||||
|
1 |
3.22 |
0.601 |
0.639 |
0.639 |
0.582 |
0.632 |
|
2 |
3.23 |
0.662 |
0.604 |
0.657 |
0.688 |
0.636 |
|
3 |
3.24 |
0.758 |
0.636 |
0.598 |
0.657 |
0.575 |
|
4 |
3.25 |
0.695 |
0.654 |
0.586 |
0.604 |
0.639 |
|
5 |
3.26 |
0.604 |
0.632 |
0.632 |
0.754 |
0.659 |
式中 A=I卸载电流/I加载电流
T1——加载运行时间
T2——卸载运行时间
I加载运行时间——481A
I卸载运行时间——207A
(2)变频控制系统：黔江分厂空压机变频系统用于1#空压机，主要由一台施耐德Atv71型250KW矢量变频器、一台4~20Ma、0~1MPa压力传感器及一台MSC控制器组成，最低安全工作频率35Hz。
(3)节能效果：空压机实施变频技术改造后投入运行至今，系统运行正常，节能效果显著。经第三方节能监测机构重庆市轻工能源利用监测站现场检查，相同工况相同时间间隔的用电参数测试，测试结果。
节能效果对比表
|
参数 |
负载电流 |
输入电压 |
输入功率 |
|
改造前 |
213.95A |
392.38V |
142.82KW |
|
改造后 |
151.44A |
388.80V |
100.08KW |
|
节能率 |
29.93% |
||
6.无油螺杆空压机变频改造实施注意事项：由于空压机控制的专业化和特殊性，不同厂家的空压机具有不同的控制特点，必须对空压机的控制有足够理解才能实施改造。在针对阿特拉斯无油螺杆空压机进行变频控制设计时必须考虑以下几个方面：
（1）由于空压机属于大转动惯量恒转矩负载，这种启动特点导致V/F控制方式的变频器在启动时出现过流保护的情况，因此必须选用具有高起动转矩的矢量变频器。
（2）由于ZR250型空压机油泵与电机联动，电机转速过低，会使高、低压转子轴承润滑变差，而且机组油路布局紧凑，有没配置辅助油泵的空间，因此变频器工作下限频率必须确保机组油压大于0.12MPa最低允许工作压力。
（3）由于ZR250型空压机虽然配备变频电机，但没有选配的独立风扇，当电机转速降低时，电机风扇转速随之降低，散热能力减弱。而且变频器供电也会导致电机发热，因此变频器工作下限频率必须确保电机温升满足正常运行要求。
（4）ZR250型空压机必须采取抑制干扰的措施，否追导致压力信号受干扰波动强烈而致使压力控制不稳定。变频器输入、输出端必须配备交流电抗器，控制线缆应采用屏蔽线缆，并实现强弱电隔离铺设，变频器接地应与空压机接地隔离。
（5）由于变频器产生的不平衡高次电压谐波形成共模电压，会导致电机轴承存在高频轴承电流，对轴承寿命产生严重影响，缩短轴承以及从动负载的使命寿命，因此必须在变频器输出端配备输出滤波器，并且变频器连接至电机的电力电缆必须采用屏蔽电缆。条件醋可的情况下，还应更换轴承、联轴器为绝缘轴承、联轴器。
（6）由于ZR250型空压机控制器配备各项检测及保护功能，为保证变频改造后空压机的各项功能正常使用，对于变频器及变频控制器的启停控制，应由空压机控制器实现，操作人员按正常空压机操作程序操作空压机，就可以启停空压机变频控制。
（7）由于ZR250型空压机默认星三角转换时间为15s，因此选择变频器时，应确保变频器的启动时间可以限定在15s以内，否则空压机会因油压过低而饱经停机，导致变频启动失败。
（8）变频系统应具备工频与变频切换功能。正常情况下，空压机在变频调速控制方式下工作，当变频柜出现故障时，可方便其切换到工频电源供电，式空压机正常工作，以保障生产工艺的工期要求。
7.最后实现证明，对于无油螺杆空压机加、写在频繁的运行工况，也可以采用变频控制技术，使空压机根据负荷变化而自动调节工况，既能实现恒定压力输出，还能通过降低空压机产能，消除卸载工矿，达到节能的目的。
廖裕生，冉井旺
（重庆烟草工业有限责任公司黔江分厂）