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摘 要：介绍了变频器工作基本原理及变频节能原理，通过某工厂空压机电动机变频改造情况，对比分析改造前后节能效果，具有很好的节能效果和广泛的推广前景。
关键词：空压机;变频器;PLC;节能
螺杆式空压机运用很广泛，传统的控制大多采用接触器直接对空压机主电机加载工频电源，依靠进气阀门的开关来控制空压机的进气口是否进气，从而达到控制空压机供气的目的。由于实际运行中空压机的设备的工作周期和生产工艺的差别，使得用气量瞬时变化非常大，这就造成进气阀门加载、卸载动作频繁。卸载后空压机没有进气，但电机依然维持在工频运转，造成电能的浪费;当系统压力变小后，进气阀突然打开加载，会对供电电网和空压机设备造成很大的冲击，也增加了设备的机械磨损。
1.螺杆式空压机的工作原理和能耗分析
螺杆式空压机由一对相互平行啮合的阴阳转子在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、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在主电机驱动下旋转。
传统的加载和卸载控制方式使得压缩空气的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。Pmin是能够保证现场用气点正常工作的最低压力。一般情况下，Pmax与Pmin之间关系可以用下式来表示：Pmax=P（1+δ）Pmin，式中δ大致在15%～30%之间。
在加载和卸载控制方式下的空压机，能量主要浪费在两个方面：①加载时的电能消耗。在压力值达到最小后，检测元件检测到压力低信号，这时控制元件会打开进气阀门，气压会持续上升直到最大压力值。在整个加压过程中，外界释放更多的热量。②卸载时电能的消耗。当压力达到压力最大值时，空压机通过关闭进气阀使电机处于空转状态的方法来降压卸载。造成很大的能量浪费。空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的15%～35%之间。很明显，在加载、卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。
2.变频器的节能原理
2.1变频节能
由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调解流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。通过计算：一台水泵电动机功率为55KW，当转速下降到其原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5%。
2.2功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路中，设备使用效率低下，浪费严重，有公式P=S×cosφ，Q=S×sinφ，其中S—视在功率，P—有功功率，Q—无功功率，cosφ—功率因素，可知cosφ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，cosφ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
2.3软启动节能
由于异步电动机如果采用直接启动，启动电流等于（4-7）倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用软启动器将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。
3.变频器和PLC的控制模式及节能效益分析
采用变频调速控制，即把管网压力作为控制对象，压力变送器YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PLC的PID调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送给变频器，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。
某工厂空压机电机参数：功率为185KW，转速为1480r/m，额定电压380V，额定电流405A，功率因数为0.89;变频器功率为200KW。在传统的接触器直接加工频电源控制电机模式下，正常生产情况时，压力维持在0.45～5.6MPa范围内，空压机进气阀门开关都呈现一定的规律性，即阀门打开加载时间约为118s，关闭时间约为96s（加载时间占总时间的55%，卸载时间占45%）;加载时电机电流大约为额定电流的1.4倍，关闭阀门电机电流约为额定电流的0.4倍。按照以上电机参数计算，电机每天做功P1（24小时连续运转）;
由公式p=UI cosφ 可知：I加载=1.4I0 ，I卸载=0.4I0 ，P加载=UI加载 cosφ=1.732×380V×1.4×405×0.89，P?加载= P加载×24×55%=4384KWh，P卸载=UI卸载 cosφ=1.732×380V×0.4×405×0.89，P?卸载= P卸载×24×45%=1024KWh
空压机每天做功：P1= P?加载+ P?卸载=4384 KWh +1024 KWh =5408 KWh
采用变频恒压控制以后，正常生产时，管网压力保持在5.2MPa这样一个相对稳定的值，变频器显示40HZ，电机电流维持在275A左右，上下波动较小，功率因素为0.8。电机每天做功P2;
由公式p=UI cosφ 计算可知：P2=UI cosφ×24h=1.732×380V×275A×0.8×24，P2=3475KWh
每天可节约电能：Pˊ=P1-P2=5408-3475=1933 KWh，这样每天节约的电能大约为1933KWh，工业电价按当地均价0.7831元/KWh计算，每年按330天计算，可节约生产成本：1933×0.7831×330=49.95万元。
4.结束语
利用变频器+PLC的控制模式实现了螺杆空压机的节能运行，同时空压机电机从静止到旋转工作由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击，降低了原系统噪音，减少了设备维修费用，具有很好的节能效果和广泛的推广前景。
关键词：空压机;变频器;PLC;节能
螺杆式空压机运用很广泛，传统的控制大多采用接触器直接对空压机主电机加载工频电源，依靠进气阀门的开关来控制空压机的进气口是否进气，从而达到控制空压机供气的目的。由于实际运行中空压机的设备的工作周期和生产工艺的差别，使得用气量瞬时变化非常大，这就造成进气阀门加载、卸载动作频繁。卸载后空压机没有进气，但电机依然维持在工频运转，造成电能的浪费;当系统压力变小后，进气阀突然打开加载，会对供电电网和空压机设备造成很大的冲击，也增加了设备的机械磨损。
1.螺杆式空压机的工作原理和能耗分析
螺杆式空压机由一对相互平行啮合的阴阳转子在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、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在主电机驱动下旋转。
传统的加载和卸载控制方式使得压缩空气的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。Pmin是能够保证现场用气点正常工作的最低压力。一般情况下，Pmax与Pmin之间关系可以用下式来表示：Pmax=P（1+δ）Pmin，式中δ大致在15%～30%之间。
在加载和卸载控制方式下的空压机，能量主要浪费在两个方面：①加载时的电能消耗。在压力值达到最小后，检测元件检测到压力低信号，这时控制元件会打开进气阀门，气压会持续上升直到最大压力值。在整个加压过程中，外界释放更多的热量。②卸载时电能的消耗。当压力达到压力最大值时，空压机通过关闭进气阀使电机处于空转状态的方法来降压卸载。造成很大的能量浪费。空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的15%～35%之间。很明显，在加载、卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。
2.变频器的节能原理
2.1变频节能
由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调解流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。通过计算：一台水泵电动机功率为55KW，当转速下降到其原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5%。
2.2功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路中，设备使用效率低下，浪费严重，有公式P=S×cosφ，Q=S×sinφ，其中S—视在功率，P—有功功率，Q—无功功率，cosφ—功率因素，可知cosφ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，cosφ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
2.3软启动节能
由于异步电动机如果采用直接启动，启动电流等于（4-7）倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用软启动器将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。
3.变频器和PLC的控制模式及节能效益分析
采用变频调速控制，即把管网压力作为控制对象，压力变送器YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PLC的PID调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送给变频器，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。
某工厂空压机电机参数：功率为185KW，转速为1480r/m，额定电压380V，额定电流405A，功率因数为0.89;变频器功率为200KW。在传统的接触器直接加工频电源控制电机模式下，正常生产情况时，压力维持在0.45～5.6MPa范围内，空压机进气阀门开关都呈现一定的规律性，即阀门打开加载时间约为118s，关闭时间约为96s（加载时间占总时间的55%，卸载时间占45%）;加载时电机电流大约为额定电流的1.4倍，关闭阀门电机电流约为额定电流的0.4倍。按照以上电机参数计算，电机每天做功P1（24小时连续运转）;
由公式p=UI cosφ 可知：I加载=1.4I0 ，I卸载=0.4I0 ，P加载=UI加载 cosφ=1.732×380V×1.4×405×0.89，P?加载= P加载×24×55%=4384KWh，P卸载=UI卸载 cosφ=1.732×380V×0.4×405×0.89，P?卸载= P卸载×24×45%=1024KWh
空压机每天做功：P1= P?加载+ P?卸载=4384 KWh +1024 KWh =5408 KWh
采用变频恒压控制以后，正常生产时，管网压力保持在5.2MPa这样一个相对稳定的值，变频器显示40HZ，电机电流维持在275A左右，上下波动较小，功率因素为0.8。电机每天做功P2;
由公式p=UI cosφ 计算可知：P2=UI cosφ×24h=1.732×380V×275A×0.8×24，P2=3475KWh
每天可节约电能：Pˊ=P1-P2=5408-3475=1933 KWh，这样每天节约的电能大约为1933KWh，工业电价按当地均价0.7831元/KWh计算，每年按330天计算，可节约生产成本：1933×0.7831×330=49.95万元。
4.结束语
利用变频器+PLC的控制模式实现了螺杆空压机的节能运行，同时空压机电机从静止到旋转工作由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击，降低了原系统噪音，减少了设备维修费用，具有很好的节能效果和广泛的推广前景。