空气压缩机变频节能的研究与应用

摘   要：空气压缩机是煤矿主要的机电设备之一，目前螺杆式空气压缩机被广泛使用。由于螺杆式空压机运行方式是打风的时候加载运行、风压够了的时候改成减载方式，减载时电机空载运行，那么电量都被用来做了无用功。本文以某煤矿的螺杆式空气压缩机为例，介绍了其通过变频器改变电机频率来减低转速，减少空载运行时的电能损耗，达到节能的目的。

关键词：空气压缩机；变频改造；节能

0  引言

空气压缩机是煤矿主要的机电设备之一，煤矿中很多机械以及用具都是由压缩空气驱动的 , 如井下工作面的气动凿岩机、风钻、气动装岩机、风镐 , 地面上使用的空气锤等。空气压缩机就是提供压缩空气的重要设备。在煤矿井下，空气中含有瓦斯，遇到电火花容易引起瓦斯爆炸，所以使用以压缩空气为动力的设备，更加安全稳定，另外，风镐、风钻及凿岩机要求往复速度高、冲击力强，最适合使用压缩空气作为动力。空气压缩机有很多种，常见的有活塞式、滑片式和螺杆式等，目前螺杆式空气压缩机被广泛应用，滑片式和活塞式被逐渐淘汰。

1  空压机变频改造的必要性

通过近年来对各个矿井的空气压缩机进行的安全检测及节能监测，我们发现活塞式空压机运行时的功率在额定功率的 90% 左右，排气量在额定的 85% 到 90%，而螺杆式空压机运行时的功率基本接近额定功率，排气量基本在额定的 95% 以上。由此可见，活塞式空压机效率偏低，螺杆式空压机效率较高。因此，近几年正逐渐淘汰活塞式空压机，改用螺杆式空压机。虽然螺杆式空压机的效率高，但是经过几年来的测试中发现，普遍螺杆空压机的运行电流都接近额定电流，运行功率等于甚至超过额定功率，这样长期满负荷运行对电机的负担很重，增加了故障率和损坏率。由于矿井用风量是不确定的，随时变化，空压机可能在满负荷状态下长时间运行，所以选型时会按大需求量来确定空压机和电机的容量，造成空压机系统余量一般偏大。传统的空压机启动时，电流会达到额定电流的 2～3 倍，对电网的冲击很大。并且大多数空压机是连续运行的，一般空压机的电机本身不能随着管网压力变动而变动，不能实现自动降速，导致在用气量少的时候，空压机会改变运行方式，变成空载运行，造成巨大的电能浪费。空压机的运行成本由三项组成：设备投资、维护费用和电费。比例如图 1 所示。

图1  空压机运行成本组成

根据上述问题，如果能使空压机根据需要的风量风压自动调节，使运行功率随需要的风量风压变化而自动变化，就可以节能减耗，还能减少对电机的损耗。

2  空压机变频改造

2.1 空压机变频技术的应用

螺杆式空压机运行方式是加载和减载方式交替进行，加载时向管网内打风，减载时电机空载运行，所以在减载的时候电量都被浪费了。电动机的转速本身是不能改变的，只有通过改变电动机的频率来调节运行转速。变频控制就是通过改变电动机输入电源的频率来改变电动机的转速，控制空压机单位时间的出风量，达到控制管路的压力的目的。某煤矿首先引进了变频技术，压缩机组的供气量与系统所需风量动态匹配，根据系统用气量来调节压缩机电机转速，避免了电动机空载运行以及频繁的加卸载所带来的能量损耗和对电网的冲击，使电机的输入功率大大降低。

2.2 空压机变频节能的原理

近几年来变频调速技术迅速发展，并在许多领域中都发挥了重要的作用。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

空气压缩机的变频节能原理是通过测量装置测得的管网压力值与设定的压力（即给定值）相比较，得到偏差，经 PID 调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出相应频率和幅值的交流电，以此来调节电动机的转速，使空压机输出至风包的压缩空气的气量随之变化，这样就会使管网内的压力产生变化，直到管网压力与给定压力值相同。空压机变频节能系统原理如图 2 所示。

图2  空压机变频节能系统原理框图

2.3 变频改造后的空压机运行情况

根据空压机运行特性知：

Q1/Q2=N1/N2

F1/F2=(N1/N2)2

P1/P2=(N1/N2)3

式中：Q 为空压机输出的风量；F为管网内的压力；P为电动机消耗的输入功率；N为空压机的运行转速。

即对于空压机来说，电机频率与转速成正比，供气量Q与转速N成正比，气压F与转速N 的二次方成正比，而功率与转速N的三次方成正比，比例关系如表 1 所示。

表1 电机频率与供气量、气压、功率比例表

2.4 变频改造后的经济运行分析

以一台螺杆式空气压缩机为例，计算节能改造后能节约多少电费。该空压机规格型号参数如表2 所示。

表2  空压机及所配电机规格参数

在电源频率为 50 Hz 下空载运行时电动机消耗的功率为：

P50 =UeIk=1.732x380x（433x30%）

=85.5（kw）

式中：P50 为工频50 Hz下空载运行时电机消耗的功率；Ue 为工频 50 Hz 下的电动机的电压；Ik为工频50 Hz下空载运行时电动机的空载电流（按额定电流的 30% 计算）。当电动机空载运行时由工频 50 Hz 改为变频 30 Hz 后，电压与频率成正比：

即 U30/U50=f30/f50，得到

U30=（U50f30）/f50=0.6 U50

式中：U30为在电源频率为 30 Hz 时电动机的电压；U50 为在电源频率为 50 Hz 时电动机的电压；f30为电源频率为 30 Hz；f50为电源频率为 50 Hz。

当电动机空载运行时由工频 50 Hz 改为变频 30 Hz 后，电动机的输出力矩与电压的平方成正比：

即 M30/M50=(U30/U50)2,

得到 M30=M50(U30/U50)2=0.62M50=0.36M50

式中：M30为在电源频率为 30 Hz 时电动机的输出力矩；M50 为在电源频率为 50 Hz 时电动机的输出力矩。当电动机空载运行时由工频 50 Hz 改为变频 30 Hz 后，电动机的转速与频率成正比：

即 N30/N50=f30/f50，得到

N30=（N50f30）/f50=0.6 N50

式中：N30为在电源频率为 30 Hz 时电动机的转速；N50 为在电源频率为 50 Hz 时电动机的转速。

那么在变频 30 Hz 下空载运行时电动机消耗的功率为：

P30=M30N30=(0.36M50)(0.6N50)=0.216P50

=18.5 kW

通过以上计算可知工频 50 Hz 空载运行改为变频 30 Hz空载运行能节约功率：

P节=P50-P30=85.5-18.5=67kW

以空载率10%，每天工作24小时，一年365天，电费0.5元/kWh计算，每年可节约电费为：

Fd=10%(P50-P30)hdfd=0.1×67×24×365×0.5

=29346 元

式中：Fd为每年节约的电费总额；H为每天的工作时间；D为每年的工作天数；Fd为电费单价。即一台空压机改造完成后每年大约节省 29 346 元电费。

3  结语

由此可见变频节能技术在空压机领域的应用会带来多么可观的经济效益。国家一直提倡节能减排，尤其在重点耗能单位，必须有必要的节能减排措施。近年来，各个矿井纷纷引进变频调控技术，目前主要应用在主提升机系统中，节能效果好，已经收到良好的效益。相信在不久的将来，空气压缩机、提升机等高耗能设备都会应用变频技术达到节能的目的。