空压机的变频节能改造（精选8篇）
随着电力电子技术的发展，变频器在调速领域中的应用越来越广泛，它具有性能稳定，操作方便，节能效果明显等优点。它是一种较为成熟的高科技产品，越来越受到国内外工程技术人员和管理人员的关注和重视。马鞍山黑马钢筋焊网有限公司经过多方考察和论证，选用了马鞍山隆达电力电子有限公司生产的 LB475型变频器，对公司两台75KW的空压机进行了技术改造，取得了显著的经济效益和综合效益。
二、空压机改造前运行情况
设备改造前，两台空压机一用一备，全部工作在工频状态。压力采用两点式控制(上、下限控制)，也就是当空压机气缸内压力达到设定值上限时，空压机通过本身的油压关闭进气阀，当压力下降到设定值下限时，空压机打开进气阀。钢筋焊网生产的工作状况决定了用气量的时常变化，这样就导致了空压机频繁的卸载和加载，经常是加载1分钟，卸载2分钟，对电动机、空压机和电网造成很大的冲击。再说，空压机卸荷运行时，不产生压缩空气，电动机处于空载状态，其用电量为满负载的60%左右，这部分电能被白白的浪费。在这种情况下，对其进行变频改造是非常必要的。
三、空压机变频改造实施方案
根据现场实际情况，我们用一台变频器来控制两台空压机，通过电气控制相互转换两台空压机的变频运行;当一台空压机出现故障时，可以转换到另一台空压机上运行，不会影响生产的正常进行。这样，即节省了设备投资，又能满足生产工艺的需要。
系统改造时，在保留原工频系统情况下，增加变频系统，做到了工频/变频互锁切换。通过外部控制电路，使空压机起停操作步骤仍然如前，操作简单，安全可靠。本系统采用压力闭环调节方式，在原来的压力罐上加装一个压力传感器，将压力信号转换成0-5V的电信号，送到变频器内部的PID调节器，调节器将信号与压力设定值进行比较运算后输出控制信号，变频器根据该信号输出频率，改变电动机的转速，调节供气压力，保持压力的恒定，使空压机始终处于节电运行状态。
四、系统改造中应注意的问题
1：电动机的散热问题 电动机经过变频器变频后，转速降低，其电机风扇的散热效果也要降低。
2：空压机的润滑问题 空压机的转速越低，润滑油的耗量也就越小，其润滑效果越差，
3：系统压力设定问题 在满足生产工艺的要求下，压力设定越低越好，因为空压机的排气压力越高，所需的电机轴功率越大，电机耗电也就越多。
针对以上问题，我们综合节能效果和空压机的机械特性，考虑了多种方案，最后把系统压力设定为0.6MPa,把变频器运行频率下限设定为 26HZ，这样，即能满足空压机散热和润滑的需要，又能最大限度的降低电能损耗。空压机系统变频器改造完成后，一次试车成功，运行稳定，效果明显。
五、节能效果及综合效益分析
改造前，空压机工频满载运行电流为140A，运行时间1分钟;空载运行电流为90A，运行时间2分钟，频繁的加载和卸载。改造后，空压机运行频率经常在30HZ-40HZ，运行电流平均为70A，基本上没有卸载时间。空压机平均每天工作16小时，每月工作25天。空压机每月用电量计算如下：
W前=√3( I×U)×12×25÷1000
=1.73×(140×1/3 90×2/3)×380×16×25÷1000
=28057.8(度)
W后=1.73×70×380×16×25÷1000
=18407.2(度)
每月节省电量= W前-W后
=28057.8-18407.2
=9650.6(度)
按每度电0.6元计算，每月可节省电费=9650.6×0.6=5790.36(元)
整套空压机系统改造费用5万元左右，约10个月就能收回设备投资。
诚然，节能是变频改造带来的一大好处，但并不是唯一的，空压机变频改造后，还有以下优点：
1：电动机从2HZ开始软起动，对电机、空压机、电网的冲击大为减小。
2：延长了设备的使用寿命，减少了设备的维修量和维护费用。
3：进一步完善了保护功能，如热保护，过电流、过电压、欠电压、短路、缺相保护等功能。
4：操作简单方便，运行平稳，电极、空压机温升正常，噪音、振动减小。
空压机在水泥行业中为各种收尘器和气动设备提供气源,属于大功率设备。空压机控制系统根据现场用气量通过打开、关闭进气阀来调节产气量。但当现场用气量低,关闭进气阀时,空压机处于空转状态,存在巨大的能源浪费。采用变频调速技术对空压机进行闭环控制可有效解决空压机空转浪费电能的问题,同时也可使压力系统的压力更加稳定,因此计划在冬季检修期间对空压机控制系统进行变频改造。
1 空压机变频改造的必要性
观察空压机运行状况(如加载运行时间、减载运行时间),确认空压机是否具有变频改造的空间。该空压机站共有3台空压机,1台完全加载运行,1台调节气量运行,第3台处于备用状态。调气量运行空压机切断点设为7.2bar,切入点设为6.5bar。当排气压力达到7.2bar时,调气量运行空压机开始减载运行,同时开始计时;延时120s后,若系统压力不低于6.5bar,则调气量运行空压机自动停机转入备用状态。在实际运行中,加载运行时长为3～4min,空载运行时长为70～110s,故初步判定有节能改造的空间。
2 改造方案与实施
空压机变频调速系统以管道压力为控制对象,由变频器柜、电机、压力传感器组成闭环控制系统。
空压机控制系统不同于水泵的恒压控制系统,是一个复杂的控制系统,还涉及到油路、气路等保护。为了保证空压机控制系统的可靠与改造的简易,仍将星-三角回路串在主回路中。空压机为星形起动,起动完毕后切换成三角运行。变频器由星-三角起动切换接触器KM2的辅助触点驱动。空压机起动完毕后,开始加、减载运行,产生压缩空气。空压机保护动作时,跳开星-三角回路,变频器驱动丢失,变频器停运。原空压机控制系统电源取自主回路,为AC 220V;变频改造后,空压机变频控制系统电源取自变频柜主回路断路器。由于空压机采用水冷却系统,因此仅针对电机变频低速运行发热问题增加了1台轴流风机,作为电机冷却风机。空压机站有3台空压机(2台运行,1台热备用),所以改造时不再考虑控制系统的工频、变频切换问题。在此次改造中,变频器选用ABB ACS800系列的变频器。空压机变频控制主回路如图1所示。
3 空压机变频改造遗留问题
变频器上电设置参数后,起动空压机,变频器显示运行,但空压机控制系统跳停,提示故障为FAULT DI-RECT ROT(驱动马达转向错误)。查阅说明书,给出的处理方法为“将各相相序正确连接”。由于在空压机改造接线完毕后已调试确认电机转向正确,因此基本可排除电机反转问题。随后反复起动空压机,均出现相同故障。
查阅空压机用户手册,发现空压机有2个压力测点(最终压缩压力,总管压力)、1个温度检测点。温度检测点与电机转向无关,压力可能与转向控制有关。观察空压机起动过程,发现空压机电机在开始的几秒内没有转,导致空压机故障跳停。在控制回路中,变频器由星-三角起动切换接触器KM2的辅助触点驱动。在星-三角起动过程中,切换前,变频器没有驱动空压机电机运转,空压机的最终压缩压力传感器没有检测到压力,故空压机控制系统认为电机转向错误。基于以上判断,把变频器的驱动点换为星-三角第一个接触器KM的辅助触点,在空压机起动的同时,使变频器起动。改造完毕,重新起动空压机成功。星-三角起动图如图2所示。
在变频改造前,2台运行空压机的运行状态可以互换。在变频改造后,如果将第1台空压机的切断点设置较低(高于变频运行的空压机),那么在系统压力波动达到切断值时会导致第1台空压机(应该完全加载运行)调节气量运行,而变频调速运行空压机一直加载运行,这样便失去了变频改造的意义。将第1台空压机的切断点调高0.1bar,可保证完全加载运行的空压机始终满载运行,变频改造的空压机调速运行。
4 改造效果
某公司熟料线的1个空压机站在进行变频改造前日均用电为5 762.902 3kW·h,而改造后日均用电为4 561.6429 kW.h,日节约电量为1 201.259 4kW.h,节电效果明显。1台变频柜市价11万元,1年即可收回成本。由此可见,把空压机改为变频运行具有明显的经济效益和社会效益。
摘要：针对空压机在水泥生产中工频运行空转时间长、能源浪费量大,决定采用变频调速技术对空压机进行闭环控制改造。介绍空压机变频改造方案以及改造后出现的问题,并针对这些问题提出改进措施。
【关键词】空气压缩机；CF20变频器；变频调速；应用
0.引言
空气压缩机广泛应用于工矿企业的生产中，其担负着为多种设备提供气源的重任，因此空气压缩机运行的状况直接影响着生产工艺和产品质量。本文着重讨论变频器在空气压缩机上的应用，用于解决其节能与效率的问题。
1.空压机供气控制方式存在的问题
空压机是一种压缩空气的气压发生装置，其属于恒转矩负载，运行功率与转速成正比：
PL=TLnL/9550
式中，PL为空压机功率；TL为空压机转矩；nL为空压机转速。就运行功率而言，采用变频调速控制其节能效果远不如风机泵类二次方负载显著，但空压机一般都处于长期连续运行状态，传统的控制方式是采用进气阀开、关来控制的，即压力达到上限时关阀，空压机进入轻载运行；压力达到下限时开阀，空压机进入满载运行。这种频繁地加减载操作，使得供气压力波动大，空压机的负荷状态也是在频繁地变换。由于设计时都是按压缩机在满负荷状态下运行来考虑，故选择的电机容量一般较大。而在实际运行中，压缩机轻载运行的时间较多，因此造成巨大的能源浪费。
特别提出的是，产品质量的好坏与供气压力的稳定性有很大关系，生产工艺对供气压力有一定的要求，若供气压力偏低，则不能满足工艺要求，可能出现废品。所以为避免气压不足，一般要求供气压力值要偏高些，但这样会使供气成本、能耗增加，同时也会产生一定的不稳定因素。
1.1 供气控制方式的能量浪费
由于空压机的加、卸载供气控制方式使得压缩气体的压力在设定值Pmin~Pmax间来回变化。其中，Pmin为能够保证用户正常工作的最低压力值；Pmax为设定的最高压力值。一般情况下，Pmin、Pmax之间的关系可以用下式表示：
Pmax=（1+t）Pmin
式中，t的数值大致在10﹪～25﹪之间变化。若采用变频调速技术连续调节供气量，则可将管网的压力里始终维持在设定值上，即等于Pmin的数值。由此可见，加、卸载供气控制方式浪费的能量主要在以下三个部分：
（1）压缩机压缩的空气压力值超过Pmin所消耗的能量。
当储气罐中空气压力达到Pmin后，加、卸载供气控制方式还要使其压力继续上升，直到Pmax值。这一过程中就是一个耗能的过程，从而使得能量损失。
（2）减压阀减压消耗的能量。
气动元件的额定气压都设定在Pmin值左右，当压力高于Pmin值时，气体在进入气动元件前是需要将其压力经过减压阀减压至接近Pmin值的。这同样是一个耗能过程。
（3）卸载时由于调节方法不合理而消耗的能量。
通常空气压力达到Pmax值时，空压机通过如下方法来进行降压卸载：关闭进气阀使得空压机不再压缩气体做功，但空压机的电动机还是在带动着螺杆做回转运动，据测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10﹪～15﹪，由于空压机在做无用功，白白地消耗能量。同时将分离罐中多余的已压缩的空气通过放空阀进行放空，造成很大的能源浪费。
1.2供气控制方式的其他损失
（1）供气压力产生大幅波动，使供气压力达不到工艺要求的精度，就会影响产品的质量甚至产出废品。再加上这种控制方式在频繁的调节进气阀，使进气阀的磨损大，从而增加了维修量和维修成本。
（2）频繁开、关放气阀，也会使放气阀的寿命缩短。
2.空压机变频调速控制方式的设计
2.1 空压机变频调速系统概述
变频器是一种基于交－直－交电源变换的原理，通过电力电子元件和微型计算机来控制的综合性电气产品。
由电动机知识知道，电动机转速与电源频率成正比：
n=60f(1－s)／p
式中，n为转速；f为输入电源的频率；s为电机转差率；p为电机磁极对数。因此，采用变频器来控制空压机，就可以方便地改变空气机的转速。空压机采用变频器进行恒压供气控制的系统原理框图如图1所示。
图1 系统原理框图
变频调速系统的控制对象为管网压力，管网的压力通过安装在上面的压力变送器将压力信号转变为电信号送给变频器内部的PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和频率，调整电机转速，从而使实际压力始终维持在给定压力。此外，空压机采用变频器控制后，电机起动时还可实现软起动功能，避免了起动时的大电流给空压机带来的机械冲击。
2.2 变频器的选择
由于空压机是恒转矩负载，故变频器应选用通用型的。又因为空压机的转速也不允许超过额定值，电机不会过载，一般变频器出厂标注的额定容量都有一定的裕量安全系数，所以选择变频器容量与所驱动的电机容量相同即可。
2.3 变频器的运行控制方式选择
由于空压机的运转速度不宜太低，对机械特性的硬度没有特别要求，故可采用U／f控制方式。
2.4 空压机变频调速系统
空压机变频调速系统电路原理图如图2所示。
图2 空压机变频调速系统电路原理图
操作过程叙述如下：为便于对空压机进行“变频运行”和“工频运行”的切换，控制电路采用三位开关SA进行选择。当SA选择“工频运行”位置时，按SB2起动后，KA1中间继电器即动作并通过KA1接点自锁，从而使KM3接触器动作，电机得电，进入工频运行状态。按SB1停止后，KA1中间继电器和KM3接触器均断电，电机停止运行。当SA选择“变频运行”位置时，按SB2起动后，KA1中间继电器即动作并通过KA1接点自锁，从而使KM2接触器动作，将电机接至变频器的输出端。KM2接触器动作后使KM1接触器也动作，将工频电源接入变频器的输入端，并允许电机起动。同时使连接到KM3接触器线圈控制电路中的KM2接触器的常闭触点断开，确保KM3接触器不能接通。按SB4，KA2中间继电器动作，电机开始加速，进入“变频运行”状态。KA2中间继电器动作后，SB1停止按钮失去作用，以防止直接通过切断变频器电源使电机停机。在变频运行过程中，如果变频器检测到故障，则变频器的TA、TB触点断开，接触器KM1和KM2线圈均断电，其主触点切断了变频器与电源之间，以及变频器与电机之间的连接。同时TA、TC闭合，接通HA报警扬声器和HL报警灯进行声光报警。同时，KT时间继电器得电，其触点经过一段时间延时后闭合，使得KM3动作，电机进入工频运行状态。当操作人員接到声光报警信号后，应及时将SA选择开关选择“工频运行”位置，这时，声光报警即停止，并使KT时间继电器断电。这时便可以开始对变频控制系统进行检修。
2.5 压力变送器选用与连接
根据用户要求若其要求的供气压力为0．6MPa，我们选择的压力变送器量程为0～1MPa，输出4～20mA的模拟信号。压力变送器的连接说明如下：
（1）VS端与GND端为压力变送器提供电源10VDC。（VS跳线在下两个针脚）
（2）压力反馈信号从CC端输入。
PID给定值的计算：
先通过压力变送器的量程及其对应的电流计算出当供气压力为0．6MPa时变送器的输出电流。
0．6／（I－4）＝1／（20－4）得I＝13．6mA
再根据最小、最大给定量对应的反馈量计算出当反馈电流为13．6 mA时的给定量V。
（13．6－4）／V＝（20－4）／10得V＝6。
2.6华光变频器CF20的功能预置
空压机电机经过变频器改造后，转速降低，其风扇的散热效果也降低，空压机的转速越低，润滑油的耗量也就越小。在满足生产工艺的要求下，随着压力值降低，点击的耗电也会减少，考虑节能效果和空压机的机械特性，把系统压力设为0．6MPa运行，频率上限为46Hz，把变频器运行频率下限定为27Hz，这既能满足空压机散热和润滑的需要，又能降低电能的损耗。此外改造时注意使用变频后电机运行方向与原空压机电机运行方向一致。参数预置如下：
3.结论
空压机在进行了变频器节能改造后，其节能效益和运行性能主要表现在：
3.1节约能源使运行成本降低
空压机的运行成本由初始采购成本、维护成本和能源成本三部分组成。通过测算，使用变频器前空压机的用电量约为55度／小时，使用变频器后加载电流为107A，卸载电流为45A。因变频器采用PID控制，频率在27～46Hz之间，工作压力在0．6MPa左右，空压机的用电量为38度／小时，每小时节电17度。按以下计算：每月节电量=17度×24小时×30天=12240度，若每度电按0．6元计算，则：每月节约电费=12240×0．6元／度=7344元。可见投资回报高。
3.2提高压力控制精度
变频控制系统能对压力进行精确控制，能使空压机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量匹配。变频控制空压机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制使电机的转速精度提高，所以它可以使管网的系统压力保持恒定，有效地提高了产品质量。
3.3改善空压机的运行性能
变频器从0Hz开始起动空压机，其起动加速时间可以调整，从而减少起动时对空压机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统可靠性，使空压机的使用寿命延长。此外，采用变频器控制能够减少机组起动时的电流波动（这一波动电流会影响电网和其他设备的用电，变频起动能有效地将起动电流的峰值减少到最低程度）。根据空压机的工作状况要求，采用变频改造后，电机转速明显减慢，现场测定表明，噪音与原系统比较下降约3～7dB，有效地降低噪音。
通过多年的运行证明，由于变频器具有良好的控制性能，其应用于空压机上具有节能、提高压力控制精度、改善空压机的运行性能等优点，可将此应用进行推广。
【参考文献】
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变频器在空冷器节能改造中的应用
摘要：介绍了变频器在垫江分厂酸气空冷器节能技术改造中的.应用,并对改造后取得的效果进行了评估和分析.作 者：范锐 王学英 彭云 Fan Rui Wang Xueying Peng Yun 作者单位：中石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂垫江分厂期 刊：石油与天然气化工 PKU Journal：CHEMICAL ENGINEERING OF OIL AND GAS年，卷(期)：2008,37(4)分类号：X7关键词：变频器 节电 技术改造
安装实施方案
一、项目背景
东井区井下压风系统采用小东山空压机房及东风井空压机房双供风模式。
东四盘区井下生产、压风自救用风全部来自于小东山地面空压机房，小东山进风立井深268米，现有管路已使用8年左右。近期经东井区维护人员巡检后，发现原有管路、法兰盘处因井筒淋水及使用年限过长出现腐蚀、锈蚀严重现象，井筒内管路多处漏风，严重影响井下生产及压风自救供风需要。
为保证东井区井下生产及压风自救供风需要，现需在小东山地面箱变东侧搭设临时空压机房（彩钢板房），安装2台煤矿用螺杆式移动空气压缩机MLGF 30.4/8-185G 660/1140V，用以保证临时供风压力，确保矿井生产。
为彻底解决管路漏风、保证东井区井下生产及压风自救供风需要，需在小东山进风立井重新敷设一趟Ф159×6mm压风管路。
二、项目重要性
小东山地面空压机房空气压缩机产生风压为0.72MPa，经小东山井筒管路至井底压力表显示风压仅为0.6MPa，经井筒管路泄露压力为0.12MPa；压风供至东四盘区采面压力仅为0.5MPa，已经严重影响生产。
增设两台临时空气压缩机后，小东山井底压风管路压力表显示数据为0.65MPa（估计），暂时满足井下生产供风需求。
由于中央空调主要设备是风机水泵，所以节能最佳方法就是采用变频器，目前大多数中间空调还采用以往旧的控制方式，即：通过改变压缩机机组、水泵、风机启停台数，以达到调节温度的目的。
该调节方式缺点集中表现为如下几点：
●设备长时间全开或全闭，轮流运行，浪费电能惊人。
●电机直接工频启动，冲击电流大，严重影响设备使用寿命。
●温控效果不佳。当环境或冷热负荷发生变化时，只能通过增减冷热水泵的数量或使用挡风板来调节室内温度，温度波动大，舒适感差。
中央空调采用变频器后有如下优点：
●变频器可软启动电机，大大减小冲击电流，降低电机轴承磨损，延长轴承寿命。
●调节水泵风机流量、压力可直接通过更改变频器的运行频率来完
成，可减少或取消挡板、阀门。
●系统耗电大大下降，噪声减小。
●若采用温度闭环控制方式，系统可通过检测环境温度，自动调节风量，随天气、热负荷的变化自动调节，温度变化小，调节迅速。
●系统可通过现场总线与中央控制室联网，实现集中远程监控。
二、供水系统变频节能改造
无论是溴化锂机组或电制冷(氟利昂)机组的中央空调系统，主机自身的能量消耗有机组控制，机外的电力消耗组不能控制，而这部分的成本是相当高的，却通常被人忽视了。尤其是溴化锂机组，在额定状态制冷运用行时，机外水泵、冷却塔的电机耗电量约占总体能源消耗成本的30%(以每公斤油2元、每度电1元计算)。无论从环境保护角度还是用户切身利益角度，都应将中央空调系统设计成最节能的系统。采用变频器来控制机外水泵电机、冷却塔电机是最简单、最有效的节能措施。一般情况节电20%~50%，每年可节省机组及系统总运行费用的12%~20%，十分惊人。
1、冷却水泵变频控制
中央空调的冷却水泵的功率是根据空调冷冻机组的压缩机满负荷工作设计的，当环境温度及各种外界因素，冷冻机组不需要开启全部压缩机组，此时空调的冷凝系统所需要的冷却量也相应地减小，这时就可以通过变频调速器来调节冷却水泵的转速，降低冷却水的循环速度及流量，使冷却水的冷负荷被冷凝系统充分利用，从而达到节能目的。从我公司对中央空调的变频节能改造得出以下的数据，其冷却水泵、冷温水泵在低流量运行时，可以大幅度节省电力，尤其针对直燃机冷却水流量曲线的特点，采用变频控制，意义更大，从远大BZ型直燃机中央空调系统采用海利普变频器控制水泵测试数据为例：
当制冷量75%时，机组所需冷却水流量34%，水泵电耗约20%;
当制冷量50%时，机组所需冷却水流量22%，水泵电耗约15%。
2、冷温水泵变频控制
中央空调的冷媒水泵的功率是根据空调满负荷工作设计的，当宾馆、酒店、大厦需要的冷量或热量没有达到空调的满负荷，这时就可以通过变频器调速器来调节冷媒水泵的转速，降低冷媒水的循环速度，使冷量和热量得到充分利用，从而达到节能目的。如果制冷、采暖共用一台水泵，则冬季水泵流量只需50%，自然可大大节省电力;即使是冬夏分泵运行，也可在低负荷季节适当降低流量，如90%流量时，电耗约75%。
3、冷却塔风机变频控制
风机功率一般都较小，节电不如水泵明显。但风机采取变频控制能极大地有助于冷却水恒温，这对于机组制冷恒温极为关键;且能使机组溶液循环稳定，获得最大限度的节省燃料。冷却塔风扇低转速运行还能大幅度减少漂水，节省水源、延缓水质劣化、减少水雾对周围的影响。
4、采用变频器的其他益处
由于变频器的启动、停止过程是渐强、渐弱式，能消除电机启动对电网的冲击。并可避免电机因过载而引起的故障。
由于电机经常处于低负荷运行，能大幅度延长电机及水泵、风机的寿命，同时因没有启动、停止的冲击，加上流量的减少，管路承压及所受冲击力减小，故对管道、阀门、末端设备也起到了保护作用。另一方面，设备噪音、震动均减小，保护了环境。
5、中央空调机组外变频器的控制方式
●根据冷却水出/入口的温度改变水泵转速，调整流量;
●根据冷却水入口温度改变冷却塔风机转速，调整水温;
●根据冷温水出/入口的温差改变水泵转速，调整流量;
●根据冷却水出水的温度改变水泵转速，调整流量;
●根据冷媒水的回水温度改变水泵转速，调节税流量;
三、中央空调末端设备—变风量机组变频控制
变风量机组也是中央空调系统重要的组成部分，其性能指标(风量、冷量、噪音、用电量)的优劣，除了变风量机组本身的性能外，更重要的还取决于控制的模式、控制器的性能、品质。
随着中央空调的不断普及，变风量机组调节控制器已经经历了三个发展阶段：
第一阶段：风阀调节。能起到调节风量的作用，但电能量消耗大、噪音大。
第二阶段：可控硅调压调速。能起到调节风量、冷量、节能的作用，对变风量机组的噪音有一定的改良作用，其缺点是体积大、可靠性稳定性低、故障率高。
第三阶段：变频调节。能最大限度的满足变风量机组对风量、冷量、噪音的调节要求，节能效果更明显，体积小，可靠性稳定性高。
目前，变频控制器以其特有的优势，正被中央空调业内人士所青睐。
中央空调调节冷冻/冷却泵转速的节电原理：
采用交流变频技术控制冷冻/冷却泵的运行，是目前中央空调系统节能改造的有效途经之一。
泵的负载功率与转速成3次方比例关系，即P∝N3，其中P为功率，N为转速;可见用变频调速的方法来减少水泵流量的经济效益是十分显著的，当所需流量减少，水泵转速降低时，其电动机的所需功率按转速的三次方下降。例如：
A. 当水泵流量下降10%(跟踪输出频率为45Hz)
则电动机轴功率P′=(0.9)3P=0.729P即节电率27.1%
B.当水泵流量下降30%(跟踪输出频率为35Hz)
则电动机轴功率P′=(0.7)3P=0.343即节电率65.7%
当冷水机负荷下降时，所需的水流量减少，通过电动机的调速装置降低泵的转速来减少水的流量，泵的轴功率相应减少，电动机的输入功率也随之减少。当用冷量增加，冷机负荷量增大，冷凝器进出水温差增大，变频器运行频率增加，水泵转速加快，水流量增加，从而维持温差恒定。反之亦然。从而达到理想的节能效果。
三晶变频器在中央空调上的应用
在我国经济快速发展的大背景下，由于房地产的快速发展需求，中央空调的市场需求呈现强劲的增长趋势。在市场容量不断增大的吸引下，越来越多的厂家加入到商用中央空调的领域。节能技术应用于中央空调系统，对提升中央空调自动化水平、降低能耗、减少对电网的冲击、延长机械及管网的使用寿命，都具有重要的意义。
中央空调是现代大厦物业、宾馆、商场不可缺少的设施，它能带给人们四季如春，温馨舒适的每一天，由于中央空调功率大，耗能大，加上设计上存在“大马拉小车”的现象，支付中央空调所用电费是用户一项巨大的开支。因为季节的变化、昼夜的变化、宾馆酒楼客人入住率的变化、娱乐场所开放时间的变化等等，从而导致中央空调系统对室内热源吸收量的变化，再加之工艺设计上电机功率设计有相当的富裕量，因此，存在明显的节电空间。将变频技术引入中央空调系统，保持室内恒温，对其进行的节能改造是降本增效的一条捷径。
中央空调系统
图1所示为一典型中央空调机组系统图，主要由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及主机三部分组成：
●冷冻水循环系统
该部分由冷冻泵、室内风机及冷冻水管道等组成，
从主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道(出水)，进入室内进行热交换，带走房间内的热量，最后回到主机蒸发器(回水)。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，降低空气温度，加速室内热交换。
●冷却水循环部分
该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔(出水)，使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器(回水)。
●主机
主机部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒(制冷剂)等组成，其工作循环过程如下：
首先低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中冷媒会释放出大量热能，这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却塔上，最终释放到大气中去。随后冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时，因为压力的突变而气化，形成气液混合物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化，同时会吸收冷冻水中的热量使其达到较低温度。最后，蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体，重新进入了压缩机，如此循环往复。
节能理论
●中央空调节能改造前的工况
在中央空调系统设计时，冷冻泵、冷却泵的电机容量是根据建筑物的最大设计热负荷选定的，都留有一定设计余量。由于四季气候及昼夜温差变化，中央空调工作时的热负荷总是不断变化。下图2为一民用建筑物的平均热负荷情况：
如上图所示，该中央空调一年中负荷率在50%以下的时间超过了全部运行时间的50%。通常冷却水管路的设计温差为5～6℃，而实际应用表明大部分时间里冷却水管路的温差仅为2～4℃，这说明制冷所需的冷冻水、冷却水流量通常都低于设计流量，这样就形成了中央空调低温差、低负荷、大工作流量的工况。
在没有使用节能系统前，工频供电下的水泵始终全速运行，管道中的供水流量只能通过阀门或回流方式调节，这必会产生大量的节流及回流损失，同时也增加了电机的负荷，白白消耗了许多电能。
中央空调水泵电机的耗电量约占中央空调系统总耗电量的30-40%，故对其进行节能改造具有很明显的节能效果。
●节能理论根据
由流体力学理论可知，离心式流体传输设备(如离心式水泵、风机等)的输出流量Q与其转速n成正比;输出压力P(扬程)与其转速n的平方成正比;输出功率N与其转速n的三次方成正比，用数学公式可表示为：
Q=K1 × nP=K2 × n2
N=Q × P=K3 × n3(K1、K2、K3为比例常数)
由上述原理可知，降低水泵的转速，水泵的输出功率就可以下降更多。如将电机的供电频率由50Hz降为40Hz，则理论上，低频40Hz与高频50Hz的输出功率之比为(40/50)3=0.512。
实践证明，在中央空调系统中接入变频节能系统，利用变频技术改变水泵转速来调节管道中的流量，以取代阀门调节及回流方式，能取得明显的节能效果，一般节电率都在30%以上。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对中央空调的平稳调节，并可延长机组及管组的使用寿命。
节能方案分析
中央空调各循环水系统的回水与出水温度之差，反映了整个系统需要进行的热交换量。因此，根据回水与出水的温度差来控制循环水的流量，从而控制热交换的速度，是首选的节能控制方法。
●冷冻水循环系统
冷冻水的出水温度是由主机的制冷效果决定的，通常比较稳定，因此冷冻回水温度可以准确的反映室内的热负荷情况。由此，对于冷冻水循环系统的节能改造，可以取回水温度作为控制目标，通过变频器对冷冻泵流量的自动调节来实现对室内温度的控制。
●冷却水循环系统
冷却水循环系统同时受室外环境温度及室内热负荷两方面影响，循环水管道单侧的水温不能准确反映该系统的热交换量，因此以出水与回水之间的温差作为控制室内温度的依据是合理的节能方式。在外界环境温度不变的情况下，温差大，说明室内热负荷较大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水循环的速度;相应的，温差小则减小冷却泵转速。
●方案结构示意图根据上述分析，可得出整个节能工程结构示意图如图3所示：
由上图，该节能方案的基本思路为：
分别在主机蒸发器回水处、冷凝器出水及回水处安装温度传感器，实时检测管网的温度，以模拟信号(0~10V或者4~20mA)反馈给变频器，通过变频器内置的PID运算输出相应的频率指令后自动调节水泵转速，从而调节各循环水的热交换速度，最终实现对室内恒温度的控制。需要特别说明的是，变频器内部在设计上集成了温差反馈处理功能，系统无须另配专用控制模块。
●电路控制方案
某公司LG中央空调机组数据如下表：
机组
机型
常用数量
备用数量
总计数量
中央
空调
冷冻泵电机
45KW(380V)
2台
1台
3台
冷却泵电机
75KW(380V)
2台
1台
3台
三台水泵中，春秋季节只用一台，备用两台;夏季高峰时常用两台，一台备用。
要求：一台变频运行，且可以通过人工方式进行切换，其他可通过人工方式直接启动到工频运行。
设计：3台水泵电机选配1台变频器。工作时可选择任意一台水泵做主泵、由变频器直接拖动并且变频运行(由内置PID进行闭环控制);其余两台水泵做辅泵、由人工依据制冷特点相应进行启停控制，使电机工频运行。如下图所示：
该方案使用SAJ8000系列通用变频器，“市电”“节电”旁路需要另配电控柜及电气配件。
图为LG中央空调机组
●变频节能系统特点
1、变频器界面为LED显示，监控参数丰富;键盘布局简洁、操作方便;
2、变频器有过流、过载、过压、过热等多种电子保护装置，并具有丰富的故障报警输出功能，可有效保护供水系统的正常运作;
3、加装变频器后，电机具有软启动及无极调速功能，可使水泵和电机的机械磨损大为降低，延长管组寿命;
4、变频器内部装有大容量滤波电容，可有效提高用电设备的功率因数;
5、该系统实现了对温度的PID闭环调节，室内温度变化平稳，人体感觉舒适。
总结
平禹煤电公司白庙矿针对原XSJK132/380电控柜存在的问题, 结合空压机电机型号, 经研究, 决定将原有电控系统更换为变频节能控制系统, 使用YL-132kW-380V空压机变频节能柜。
1变频节能系统结构
变频节能系统主要由3部分组成:变频器、压力传感器和工频转换柜。系统首先通过变频器改变频率改变转速, 并由压力传感器反馈信号, 变频器接收到反馈信息后进行逻辑运算, 逻辑运算后得出所需要的压力值, 继而供给电机最合理的带有一定频率的电流, 根据转速与频率成正比的原则, 使转速得到最佳的控制。
1.1变频器
高性能V/F变频高速控制器CHF100变频器可以通过改变输入到交流电机的电源的频率和电压, 从而达到达到调节电动机的输出转速的目的。变频调速器从电网接收工频50 Hz交流电, 经过恰当的强制变频方法, 将输入的工频电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电机, 实现交流电机的变速运行。
1.2压力传感器
压力传感器采用目前最方便的两线制输入输出方式, 把采集的压力信号转化为4～20 mA的标准模拟信号压力反馈给变频器, 压力传感器电源电压24 V。
1.3工变频转换柜
工变频转换柜主要功能是:①对变频控制器进行自动化控制, 通过变频器对空压机实现变频自动化控制。当变频控制系统出现故障时, 系统自动报警, 则可以立即人工选择原系统运行。发现故障及时通过人工切断电源。②显示当前工作状态下的电流、电压、频率、输出、PID反馈值等。
2节能控制系统的控制方式
该系统共控制2台132 kW空压机变频节电运行 (图1) 。根据该厂空压机的具体情况, 节能设备控制1台电机运行, 另1台备用, 2台电机可以进行变频控制之间的相互切换。但这种切换必须是在先停止变频器工作的前提下。
系统应用变频调速技术进行恒压供气控制, 可以把管网压力作为控制对象, 压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给智能调节器, 与压力设定值作比较, 并根据差值的大小按既定的控制模式进行运算, 产生控制信号送变频调速器, 通过变频器控制电机的工作频率与转速, 从而使实际压力始终接近设定压力, 达到恒压供气。
为实现输气管道上的恒压供气, 在输气总管上安装了1个压力传感器, 将管网里的压力转换成4～20 mA信号送到智能型自整定PID调节器。PID调节器将其输入的4～20 mA信号转换为0～10 V DC的电压信号, 作为变频器的频率给定, 从而改变电机的转速。
系统工作时, 空压机变频运行, 如管网压力不够, 变频器则会根据压力传感器传来的压力转化为4～20 mA模拟信号的变化, 经逻辑运算后, 输出给电机设定的最高频率。反之当管网压力过高时, 变频器会根据实际用风量调整电机的转速。整个工作的过程将使总管的气压基本恒定, 达到恒压供气的目的。
3系统特点
(1) 节省电能。
恒压供气系统投入运行后, 可使储气罐的气压差保持在设定值的2.5%范围内, 将减少自动排空损失的电能, 同时功率因数提高至cos ϕ>0.95, 减少了无功损耗。
(2) 降低了噪声, 减少了环境污染。
恒压供气系统由于实现了变频控制, 基本上消除排空放气的情况, 从而改善了噪声对环境的污染。
(3) 延长了机械部件使用寿命。
使用空压机节电系统后, 空压机大多数时间运行在变频工况下, 能明显减少机械部件的磨损, 延长机器寿命, 减少维修费用和缩短维修时间。
(4) 实现了软启动。
减少机组启动电流对电网的冲击, 同时可灵活地重复多次启动, 避免了自耦降压启动的不足。
(5) 实现了恒压供气。
系统投入运行后, 提高了供气可靠性和负载变化的调节能力, 保证了恒定的供气压力, 进一步保证了产品质量的稳定性。
(6) 运行可靠, 故障率几乎为零。
系统设有过载、失压、欠压、过流、缺相等保护功能, 运行可靠。
(7) 操作简易, 发生故障不影响生产。
节能器发生故障后, 可自动停机并发出故障信号, 可转换到市电使空压机正常运行, 不影响生产。
4结语
摘要：变频调速技术是目前世界上技术先进、性能可靠的交流调速方式。目前变频器虽然在技术和价格上还存在一定难题，随着电力电子技术和变频调速技术的不断发展，变频调速技术在发电厂的应用也将更为广泛，这一技术的推广应用将为火力发电厂在节能降耗、提高经济效益、提高上网电价的竞争力方面发挥巨大的作用。
关键词：变频技术发电厂节能应用
1变频调速系统简介
1.1变频器的产生背景异步电动机是生产企业最主要的动力设备之一。作为高能耗设备，其输出功率往往不能随负荷按比例变化。很多现代工业工程中需要对设备的转速进行控制，例如造纸机转速、水泵转速、风机转速等等。近年来，随着变频器技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为十分有前途的事业。变频器可以根据负荷的变化或者控制要求随时改变电动机的转速，从而起到明显的节能效果。目前，这已经成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。
1.2变频器简介目前的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等部分组成。整流部分一般为三相桥式整流器，逆变部分为绝缘栅双极晶体管(IGBT)三相桥式逆变器，且输出为脉宽调制(PWM)波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
现在，全世界范围内的变频器应用极为广泛。主流的变频器品牌包括：ABB、西门子、丹佛斯、施耐德等，基本上所有著名电气设备厂商都有一系列的产品推出。从产品工艺和应用技术上来看，现在的变频器已经非常成熟。
1.3变频器调速原理变频器通过控制电压和频率来实现调节转速。
电机学中有如下公式：n=60f(1－s)/p
(1)
式中：n—异步电动机的转速；
f—异步电动机的频率；
S—电动机转差率；
P—电动机极对数。
由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率即可改变电动机的转速，当频率f在0—50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。实际应用中，如果仅降低频率，电机绕组的电流将会随之增大，特别是当频率降到很低时，该问题就非常突出，电机将被烧坏。所以，为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。
2发电企业进行变频调速节能改造的意义
现今电力系统改革正在不断深化，厂网分开、竞价上网政策开展实施，降低厂用电率、降低发电成本，提高出厂电价的竞争力，就成为每个电厂的当务之急。现以装机总容量115.5MW(10.5MW×11)的柴油机发电厂为例，对其辅机设备采用变频调速技术改造进行探讨。
该火力发电厂的各种辅助动力设备中，风机、水泵、油泵类负载占绝大部分，整个发电厂最高厂用电负荷记录约为2.5MW，辅助动力设备中主滑油泵总容量为0.99MW(0.09MW×11)，占发电厂厂用电40％，如果能够采用变频调速技术对辅机设备进行节电改造，效果是相当明显的。
3系统现状描述
3.1设备简介在该柴油机发电厂中，主滑油泵是发电机组润滑系统的重要组成部分，在管路固定的情况下，润滑系统的滑油压力为关键受控对象。机组处于运行状态时，滑油压力太低会影响机组润滑效果，对机组运动部件造成损害；滑油压力太高则对过滤器、管道及密封胶圈有破坏作用。润滑系统的主滑油泵为德国莱斯特瑞慈(Leistritz)螺杆泵，由L2型滑油螺杆泵、滑油泵电机(啸驰防爆90kW电机)和相关的机械调压机构等构成。
3.2存在节能空间目前，此润滑系统采用机械调压机构保证机组滑油压力控制在允许的范围内，超出正常范围的压力全部由机械调压机构回流管道排放回油柜，这样一来，电机输出功率的很大一部分被排放掉，浪费了大量能源。根据滑油泵厂家资料显示，滑油泵输出压力设计在0.8MPa，而该发电厂柴油机只需要0.6MPa就可满足工况需要，滑油泵在0.6MPa、运动黏度15mm2/S、温度85％℃寸所需要的功率为48KW，而滑油泵电动机功率为90KW，证明余量很大。咨询生产厂家后得知，设计时选用大功率电动机的原因是由于螺杆泵起动时需要较大扭矩，如果起动方式是直接起动而电机储量不够时易烧毁电机，变频技术在当时还未能推广，故选用大功率电动机来达到工况要求。现在只需要配备比滑油泵功率稍大的电动机，通过变频器实现高起动转矩，并且用平滑无冲击的软起动就可以了。
3.3现有系统的弊端现有系统存在以下弊端：一是直接起动的交流电机因起动电流大(通常为额定电流的5—7倍)，在很短的起动过程中，笼型绕组或阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力，致使笼条(或导条)和端环在很高的应力作用下疲劳断裂；二是直接起动时的大电流还会在绕组端部产生很大电磁力，使绕组端部变形和振动，造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损，导致定子绕组绝缘击穿；三是直接起动时的大电流还会造成铁心振动，使铁心松弛，引起电动机的发热：四是机械调压方式经常导致滑油泵出口压力变化偏大，不符合发电机需要出口压力平稳的技术特点，影响发电机设备寿命。
4改造措施
4.1改造方案①异步电动机采用软起动方式在火力发电厂中，大容量交流异步电动机应用非常广泛，由于直接起动所造成的电动机烧毁和转子断条事故屡屡发生，给主机设备的安全经济运行带来很大的威胁，因此大容量异步电动机采用软起动方式，对于延长电动机使用寿命，减少对电网的冲击，保证正常生产是非常必要的。②在润滑系统中应用变频调速系统在润滑系统中应用变频调速系统，变频器以及配套的控制系统根据滑油压力来调节滑油泵的电机转速，避免了电机频率恒定、满负荷输出而带来的电能浪费。而且，每次起停滑油泵时，变频器使电机按照一定的斜率加速，对电机本身和相关的机械机构的冲击都大大减少，从而延长了设备的使用寿命。
4.2改造所需设备每改造1台机组的滑油系统，就需要配套使用如下设备：1台110KV变频器、断路器、电抗器、综合保护器、变频器柜、变频控制器、2台接触器及相关的通信软件。
4.3控制策略一般情况下，滑油泵电机的进线电源来自变频器，另有旁路电源作为故障备用。当运行人员启动滑油泵时，变频器驱动滑油泵电机以一定斜率增速起动。滑油压力传感器将滑油系统当前的滑油压力数值反馈回变频器系统的控制装置，控制装置根据反馈的压力数值和操作人员预先设定的滑油系统标准压力值进行比较运算，然后变频器向滑油泵电机输出一个特定的频率，使滑油泵电机以适当的转速运转，从而使滑油系统当前的滑油压力数值维持在一个最合适的压力范围内。这样，通过泄压装置回流的润滑油非常
少，避免了能源浪费。
变频器自动调节需要的压力反馈信号从机组的传感器设备中直接获得，控制逻辑由控制设备内部的软件实现，可以通过编程，按照经验值设定调节范围，选择合理的控制参数。基于厂内现有的控制系统，可以使变频系统通过控制网络与其无缝集成，变频系统的参数设定、运行模式选择、起停等既可就地进行操作也可在主控室遥控，运行值班人员可以在主控室的电脑画面上实时监控变频系统状态。
5改造方案的特点
5.1与现有工艺完全配合，无技术风险只改动电气驱动部分，对现有滑油系统工艺无影响，不会因为变频改造而产生任何不可靠因素。当变频系统进行检修时，运行人员只需稍做操作，就可以将系统切换成原来的状态，使原有的机械调节装置能够重新发挥作用，做到了平滑切换、无风险整合。
5.2可靠性好使用国际名牌变频器，技术成熟，类似的解决方案已经得到广泛应用。而且，在参数设置时，充分考虑了广州地区高温、高湿的环境特性，将变频器电流限幅为低于额定电流的状态，以保证设备长期良好运行。除了变频器涉及的基本电气回路外，对厂里的一次回路没有改动，基本不会因为变频系统的安装和运行而对其他系统产生影响，使系统的可靠性进一步提高。
5.3与现有控制系统紧密集成该厂现有的主要控制系统是用于机组控制的控制系统、相关的控制网络及上位机软件系统。改造时，我们将变频系统和现有的控制系统网络集成，使其与机组控制系统直接通信，以实现全自动控制和调节。经过编程和组态，变频系统的相关运行参数可以直接显示到上位机控制软件的监控画面上，不仅便于运行人员监控和遥控，而且便于检修人员维护，管理人员也能够通过远程监控网络了解变频系统的相关信息。
6其他技术细节探讨
6.1相关的传感器和控制系统
变频器自动调节需要的压力反馈信号从机组的传感器设备中直接获得，控制逻辑由控制设备内部的软件实现，可以通过编程，按照经验值设定调节范围，选择合理的控制参数。
6.2远程监控改造中变频器采用施耐德公司产品，与发电机控制系统为同一公司生产，其通信功能易与发电机现有工控网络的控制系统实现无缝集成，直接采集现有滑油系统压力值调节变频器，达到发电机工况要求，避免因另外设点而导致采集值与原值有差异，造成发电机保护误动作或不动作。变频系统的参数设定、运行模式选择、起停等既可就地操作也可在主控室遥控，运行值班人员可以在主控室的电脑画面上实时监控变频系统状态。
6.3高次谐波抑制由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。变频器在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。
在清楚地了解诣波产生的原因之后，治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减少回路阻抗，切断谐波传输路径等方法。现在还出现了无源滤波器(LC滤波器)与有源滤波器互补混合使用的方式，可充分发挥LC滤波器结构简单、易实现、成本低，有源电力滤波器补偿性能好的优点，克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点。两者结合使用，从而使整个系统获得良好的性能，力求将变频器产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量的目的。
参考文献：
