空压机变频技术改造书

1、 利尔化学股份有限公司空压机节能改造项目方 案 设 计 书制作人：廖家平 电话：2014年8月8日需方：利尔化学股份有限公司供方：供、需双方经友好协商就绪需方空压站的空压机技术要求达成如下协议，本协议生效后即作为空压机设计、制造、交货及验收的依据并作为合同附件。一、 概况：需方复盛空气压缩机1台，额定功率分别为 220KW一台；额定工作压力1.0Mpa。品牌型号额定功率数量工作压力复盛SA220220KW10.8-0.98MPa220KW空压机电气控制柜*1套ER控制设备：220KW电机，电源380V，额定电流457A；控制方式：工频/变频控制方式. 变频器面板设置,显示电流、电压，运行、故障

2、、报警指示; 电柜设置原工频控制及变频控制切换选择； 节能改造前后机器操作保持不变;1.2元件明细序号产品名称型号规格单位数量品牌1机柜2000*800*800 户内式 静电喷塑台1非标订制2中间继电器RXM2LB2P71只施耐德3中间继电器插座RXZE1M2C1只施耐德4指示灯（绿）XB2BVM3LC1只施耐德5指示灯（黄）XB2BVM4LC1只施耐德6转换开关XB2BD25C1只施耐德7变频器PT200-250G/280P-31台8交流接触器LC1-D620M7C2个施耐德9导电铜条40*520米优质10风扇200FZY4-D 380V2个优质11网罩200*2002个优质12辅材电线（二

3、次线路用）、波纹管、线槽、导轨、标牌、螺钉、缠绕管、铜鼻子、热缩管、接线柱、标件等1套国优二、变频行业介绍以前的通用变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的通用变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高，已经取代了挡板和阀门的调节方式。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及完善的功能，将使变频最终达到高效率的运行目的。 随着变频技术的不断成熟，变频器在

4、各个领域得到了广泛应用。变频器应用上的巨大节能潜力和优良的调速性能，使得它具有强劲的发展动力和广阔的市场空间。目前，变频技术已经成为电力传动领域的热门话题之一，对于大容量电力传动系统进行变频改造已成为一种趋势，它为使用大功率传动装备的企业和行业带来了很大的节能效益。三、空气压缩机介绍1、引言空压机的主要功能在于压缩空气储藏和传送能源以供设备使用，一个空气压缩系统，往往就能为工厂大多数的机器提供动力，因此，不需要无数个分散式的电力马达。空压机在工业生产中有着广泛的应用，种类有很多，但其供气控制方式大多采用的是加、卸载控制方式。该供气控制方式虽然动作原理简单，但存在电能浪费大，启动电流大，对电网冲

5、击大，供气压力不稳定，进气阀容易损坏等诸多问题。根据国家节能减排的要求，大多数企业都采用最新的电力电子技术和自动控制技术来实现设备低耗高效的生产运行。2、空压机工作原理 空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备，主要有吸气、压缩、作功输送和排气四个主要过程。已有几百年的应用历史，在机械结构方面也经过了100年的发展，原理是成熟的，在结构上分常见有螺杆式、活塞式和离心式等。n 螺杆式空压机工作原理空压机是由一对相互平行啮合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现空压机

6、的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽和阳转子的齿被主电机驱动而旋转。n 活塞式空压机工作原理螺杆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。n 离心式空压机工作原理在离心式空压机体中装有适量的水作（油等液体）为工作液。当叶轮按顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于空压机腔形状

7、的近似于等厚度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触(实际上叶片在水环内有一定的插入深度)。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成和叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0为起点，那么叶轮在旋转前180时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出空压机外。3、空压机系统控制空压机供气系统具体工作流程为：当按下启动按钮，控制系统接通接触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

8、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，即卸载压力，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，即加载压力下，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。4、空压机系统分析在管道供气系统中，最基本的控制对象是流量，供气系统的基本任务就是要满足用户对流量的需求。目前，常见的气体流量控制方式有加、卸载供气控制方式和转速控制方式两种。（1）加、卸载供气控制加、卸载供气控制方式即为进气阀开关控制方式，即

9、压力达到上限时关阀，压缩机进人轻载运行；压力抵达下限时开阀，压缩机进入满载运行。 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

10、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。n 能耗分析： 加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在PminPmax之间来回变化。Pmin是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示:Pmax(1)Pmin 注：是一个百分数，其数值大致在15%30%之间。在加、卸载供气控制方式下的空压机，所浪费的能量主要在2个部分: 加载时的电能消耗当压力达到最小值后，原控制方式决定其压力会继续上升直到最大压力值。在加压过程中,一定要向外界释放更多的热量，从而导

11、致电能损失。另一方面，高于压力最大值的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压,这一过程同样是一个耗能过程。 卸载时电能的消耗当压力达到压力最大值时，空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩气体放空造成很大的能量浪费。据我们测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%25%(压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法主要还是在卸载时间所占比例不大的情况下)。换言之，该空压机20%的时间处于空载状态，在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。n 其它不足之处 靠机械方式调节进气阀，使供气量无法连续调节，当用气量不断

12、变化时，供气压力不可避免地产生较大幅度的波动。用气精度达不到工艺要求。再加上频繁调节进气阀，会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。 频繁采用打开和关闭放气阀，放气阀的耐用性得不到保障。（2）转速控制即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，供气系统的扬程特性随之改变，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

13、与电源频率成正比，因此，用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电动机的电源电压，可方便地改变空压机的转速。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的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，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；变频器内置的直流电抗器也可以减少电动机的无功损耗，有效提高电动机的功率因素。 项目建议方案一、项目概况此SA220空压机，功率220KW，加载时间为42分钟，加载时最低压力0.8Mpa，卸载时间为8分钟，卸载时最高压力为0.98Mpa，加载时电流为4

14、30A，卸载时电流为165A。根据实际情况分析我司建议以下方案，采用工变频转换电路，正常生产时采用变频自动控制，当变频器出现故障时采用工频控制，这样可既能达到节能的目的又可以降低节能投资成本。二、方案配置根据项目的实际需求，我们决定采用恒压供气的方案。把管网压力作为控制对象，压力传感器将储气罐的压力转变为电信号接入变频器，与变频器中设定的目标压力进行PID运算，经过PID指令运算，变频器通过改变频率来改变电机的转速，从而达到改变压力气量的目的。在日常生产中，将变频控制柜开关打到节能档变频运行，变频器根据用气量情况动态地调整输出频率，直到达到一个新的压力恒定状态，当用气量减小时，变频器在下限频率

15、运行；当变频器故障时可将开关打到市电档工频运行，尽量将影响降到最低。1、变频器选型根据现场的额定参数，再结合我公司的PT200系列矢量通用型变频器在其它工程地应用情况，我公司为其设备配置如下变频器，其配置如下： 序号设备名称变频器型号额定功率数量备注1螺杆式空压机PT200-250G/280P-3250KW1放大一档使用注：若现场设备运行电流大于变频器额定电流，请按原选型放大一档或两档。 PT200系列变频器介绍PT200系列矢量通用型变频器采用DSP控制系统,功能更优化,应用更灵活,性能更稳定。可广泛应用于风机、泵类负载及对速度控制精度,转矩响应速度、低频输出特征有较高要求的应用场合。PT2

16、00系列矢量通用型变频器综合技术特性:一、输入输出特性输入电压范围380/220V15%输入频率范围4763Hz输出电压范围0额定输入电压输出频率范围0400Hz二、外围接口特性可编程数字输入6路开关量输入，支持PNP、NPN双极性光耦隔离输入可编程模拟量输入AI1/AI2：010V或0/420mA 输入可编程开路集电极输出2路输出（开路集电极输出）继电器输出2路输出模拟量输出2路输出，分别可选0/420mA或010V三、技术性能特性控制方式V/F控制、开环矢量控制（SVC）过载能力150%额定电流 60s；200%额定电流0.1s调速比 1:200（SVC）载波频率115.0kHz四、功能特

17、性频率设定方式：数字设定、模拟量设定、串行通讯设定、多段速及简易PLC设定、PID设定等，可实现设定的组合和方式切换。PID控制功能简易PLC、多段速控制功能：16段速控制摆频控制功能瞬时停电不停机功能转速追踪再起动功能：实现对旋转中的电机的无冲击平滑起动自动电压调整功能：当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定提供多种故障保护功能：过流、过压、欠压、过温、缺相、过载等保护功能五、变频改造原理图1、空压机主回路电路原理图图12、工变频控制柜原理图图23、传感器接线图图3（远传压力表接线图）图4（压力变送器接线图）4、参数设置功能代码参数设定功能含义P01.011端子控制运行P01.035PID

18、调节运行频率P01.0925Hz运行频率下限P01.1135s加速时间P01.1215s减速时间P02.051自由停车P05.011%转矩提升量P06.001DI1正转P08.033继电器故障输出P10.0140%PID给定值（设定恒定气压）P10.088%PID控制偏差5、改造注意事项 图1为一般螺杆空压机主回路控制电路原理图，图2为工变频转换电路原理图，图3和图4是不同类型的压力传感器接线图。改造时只需将图1中红色虚线框部分的线去掉，将图2变频器工变频转换电路串进图1的电路里面去就可以，具体为：去掉图1中端子排到主接触器的连接线，将图1中R、S、T接到图2中的R、S、T，再将图2中的U、V

19、、W接至图1中的U、V、W；变频器运行信号取自图1中KM3的辅助常开触点。压力传感器按实际类型根据图3和图4相应接线即可。 变频改造的节电原理及分析一、负载特性说明负载特性是指电力拖动负载的转矩与转速之间的关系，也叫负载转矩特性。电动机节电，特别是调速节电，与负载特性的关系极为密切，除要了解电动机的运行特性之外，还要掌握被拖动工作机械的负载转矩随转速变化的特性。典型的负载特性有恒转矩负载特性、恒功率负载特性、风机泵类负载特性三种，见如下表。电力拖动典型负载特性表转矩特性恒转矩特性恒功率特性风机泵类特性负载特性M=恒定值PnMPnP=恒定值M1/nMn2Pn3轴功率与转速关系轴功率与转速成正比轴

20、功率与转速无关轴功率与转速的三次方成正比典型负载起重机，压廷机，机床平移刀架等金属切削机床,恒张力卷取机等风扇,风机,液泵,油泵二、空气压缩机变频调速节能原理、空气压缩机的理论流量与转子转速的关系式为：Qth=(丌/2)DLN(1)式中：Qth理论流量，m/minD叶轮外径，mL叶轮长度，mN叶轮转速r/min-面积利用系数;表征气缸空间的有效利用程度(圆弧-渐开线型线的面积利用系数0.5630.521)2、空气压缩机的实际流量Q，为：QQth (2)式中：容积效率，一般为0.70.9由（）和（）可知，对每一台空气压缩机，其转子齿槽外径长度和面积利用系数都是一个定值，当可忽略容积效率的变化时，

21、空气压缩机的流量正比于转速、功率特性空气压缩机的轴功率为：P =( QthH)/6000 (3)式中：P轴功率，KWQth理论流量，m/minH进出口压差，Pa机械效率，一般为0.9由式（）和（）可知，当空气压缩机转速变化时，其轴功率与转速成正比，、转矩特性空气压缩机的转矩为：M=9552(P/N) (4)由于空气压缩机的轴功率与转速在正比，因此式可知，当转速变化时，转矩不变，即空气压缩机属于恒转矩运行可见空气压缩机风量Q和电机的转速n是成正比关系的，而轴功率P与转速也是成正比关系。所以当需要80的额定风量时，通过变频调节电机的转速至额定转速的80，即调节频率到40赫兹即可，这时所需功率将仅为

22、原来的80三变频改造节能预计计算公式：1、 预计改造前工频运行功率计算公式四、节电数据考核计算在空压机节能改造前后，通过空压机控制器上面的获取空压机总运行时间、加载时间，空载电流，加载电流。然后按空压机每月工作30天，每天工作16个小时计算。（预计安装变频器后加载电流在350左右）我们根据三相异步电机电功率计算式子：P= 3UICOS = 1.732UICOSP为三相电机功率，单位瓦U为线电压，即380伏 I为线电流，即钳式电流表实测电流，单位安cos为功率因数，月总消耗电功=月加载运行电功+月空载运行电功安装变频器前月加载运行电功= 1.732UI（加载电流）COS 30天14小时加载时间/

23、总运行时间/1000=度月卸载载运行电功= 1.732UI（空载电流）COS 30天2小时(总运行时间-加载时间)/总运行时间/1000月卸载运行电功= 1.732380150/1000（加载电流）0.85 30天2=5034度（一小时卸载8分钟，16小时大约有两小时卸载状态）安装后=1.732380350（加载电流）0.85 30天14小时加载时间/总运行时间/1000=82237度安装变频器前后加载节电度数=-82237=18797度节电率为=总节电度数/总耗电度数=23%此空压机的变频器节电改造节电率保守预计在23%-30%之间。三、其它1、设备改造后，为了保证空压机的正常运行必须有原设备控制及变频控制切换选择。2、除改造增加的控制柜内部布线外，所有电源主线由需方提供。3、在改造时，为了保证需方的生产需要，必须在规定的时间内改造完成。4、根据需方的现场实际情况，原则上所有工作均由供方完成，需方给予积极配合。四、质量、工程及售后服务1、质保期：设备安装调试完毕并验收合格移交后壹年，在质保期内无偿的承担电柜本身故障维修义务。2、交货期：确保项目在需方指定时间段内20个工作日