引言
空壓機在工業生產中有著廣泛的應用，種類有很多，但其供氣控制方式大多采用的是加、卸載控制方式。該供氣控制方式雖然動作原理簡單，但存在電能浪費大，供氣壓力不穩定，進氣閥容易損壞等諸多問題。根據國家節能減排的要求，大多數企業都采用最新的電力電子技術和自動控制技術來實現設備低耗高效的生產運行。
變頻器調速技術是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術于一體的高科技技術。它以很好的調速、節能，可靠，高效的特性，在風機水泵，過程控制，機械設備等各行各業中獲得了廣泛的應用，并且由于具有軟啟動性能，可以減少對電網，設備和電機的沖擊，延長設備和電機的使用壽命。特別是在空壓機控制系統中，如果采用高質量的變頻器，既提高了設備的調節精度，改善了空壓機的生產工藝，又實現了節電節能，降低了維修維護成本，減少了工人的勞動強度，已經愈來愈受到工礦企業的技術人員和管理人員的重視。
一．空壓機改造前的運行狀況
某企業原有2臺132KW空壓機，設備改造之前，兩臺空壓機一用一備，總是工作在工頻狀態，起動方式為自耦變壓器降壓起動，壓力控制采用上下限的兩點式控制方式，即空壓機氣缸內壓力達到設定上限時，空壓機通過本身的油壓關閉氣閥；當壓力下降到設定下限時，空壓機打開進氣閥。由于生產過程中用氣量的變化，空壓機也頻繁地加載和卸載。空氣壓力的變化范圍比較大，壓力也不穩定。這是因為空氣壓縮機的電機本身不能調速，所以不能直接通過壓力的變化來調節電動機的轉速，以達到所需要的空氣流量。
另外，由于自耦變壓器起動時間過長，電機不允許頻繁工頻起動，造成在用氣量少的時候，甚至是在一定時間內不用氣的時候，電機仍然要長時間的空載運行，造成了電能上的巨大浪費，給企業增加了成本。因此，該公司經過認真的技術研討，決定對該廠的空壓站進行變頻節能改造。
二．原空壓機系統存在的問題分析：
1．主電機雖然以自耦變壓器降壓起動，但起動時的電流仍然很大，對空壓機、電動機和電網都有很大的沖擊，會影響電網的穩定及其用電設備的運行安全。
2．采用自耦變壓器降壓起動時，存在起動時間過長，不能頻繁地起動，且故障率較高，因此自耦變壓器的維修和維護成本比較大。
3．空壓機長時間連續運行，在空載過程中不產生壓縮空氣，所以電動機處在空載狀態時，會給企業造成巨大的電能浪費。
4．當壓力達到最大極限值時，空壓機關閉進氣閥使電機處于空轉狀態，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種加載的調節方法要造成很大的能量浪費。
5．氣壓穩定性差和由于頻繁加、卸載導致執行元件（進氣閥、放氣閥）的頻繁動作而加速了閥門的磨損，會增加維修工作量和維修費用。
6．主電機在工頻運行狀態下使空壓機運行時噪音很大。
三．空壓機變頻改造實施方案
系統參數：
額定功率 132 kW
額定電壓 380V
額定電流 250A
額定轉速 l485 rpm
變頻器 西班牙PE電氣公司的SD700系列變頻器，型號是SD7025052
本系統采用壓力閉環調節方式，通過變頻器的控制面板設定空氣壓力定值，在儲氣裝置上安裝一個壓力傳感器。將空氣壓力信號轉換為4～20mA的電流信號，反饋到變頻器內部的PID調節器，調節器將該電流值與壓力定值進行比較運算，然后輸出控制信號，變頻器再根據此信號輸出頻率，調節電動機的轉速，使空氣壓力保持穩定；在用氣量小的時候，變頻器將減少頻率輸出，直至電機停止運行，這樣空壓機始終保持在節電運行狀態。 另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻器來起動，實現了軟起動，避免了在頻繁起動時，起動電流對空壓機，電動機和電網帶來的沖擊。同時，該方案可保留原有的控制系統，增加工頻與變頻切換功能，做到工頻/變頻互鎖切換，當變頻器發生故障時，利用原工頻系統運行。變頻器的接線圖參考如下：
四．變頻器節能改造后的效益分析
1．延長壓縮機的使用壽命
變頻器從低頻起動壓縮機，由于起動加速時間可以調整，從而減少起動時對壓縮機的機械部件所造成的沖擊，增強了系統的可靠性，延長了壓縮機的使用壽命，減少了維修量。
2．減小對電網的沖擊
變頻控制能夠減少起動時電流波動，適合較為頻繁地起動，可以將起動時對電網和其它設備造成的影響減少到最小。
3．降低了空壓機的噪音
空壓機改造工程安裝完畢后，運行穩定，空壓機振動和噪聲大減低。
5．提高壓力控制精度
變頻控制系統具有精確的壓力控制能力，使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶生產所需的用氣量相匹配，壓力波動很小，改善了生產工藝，確保了供氣量的穩定。
6．節約電能
根據用氣量需求來調節電動機的運行速度，且在不用氣的生產間歇，停止壓縮機電機運行，使得壓縮機始終處于最經濟的運行狀態，避免了改造前壓縮機頻繁加載，卸載以及長期空轉造成的電能浪費，節約了企業的生產成本。實際運行后的節電分析如下：
改造前，空壓機加載運行時的電流245A，卸載時運行電流105A。全天實際生產時間累計達14小時，生產間歇和換班時間累計大約10小時；改造后，生產狀態下，空壓機頻率基本上在35～42Hz，運行電流平均125A；在生產間歇和換班情況下，空壓機可以停止運行，基本上無空轉運行情況。
用電量分析：全年按300天計算，
改造前:
加載運行時W1=1.732xIxUxT1/1000 =1.732x245x380x14/1000 =2257 kWh
卸載運行時W2=1.732xIxUxT2/1000 =1.732x105x380x10/1000 =691 kWh
全天耗電W=W1+W2=2948 kWh
改造后：
壓力可調節時W=1.732xIxUxT/1000 =1.732x125x380x14/1000 =1152 kWh
因此，每天可以節電△W=2948-1152=1796 kWh，每度電按0.5元來計算，全天節省電費898元，全年按300天生產計算，全年可以節電269400元。整個系統的全部改造費用是15萬元，預計7個月即可以收回成本；而在接下來的每一年里，可以直接給企業創造經濟效益將近26萬元左右。
五．SD700變頻器的特點
1．全面的諧波抑制
為了有效降低電網中高次諧波分量，減小高次諧波和電磁干擾對其他設備（比如現場的儀器儀表）的影響，所使用的大功率變頻器必須滿足工業場合下EMC電磁兼容性的要求，即將電磁干擾和諧波控制在一定范圍內，確保整個系統的安全可靠的運行。
PE公司的SD700系列變頻器采用了內置的交流進線電抗器，內置的EMC濾波器，內置的dv/dt輸出濾波器，全面有效地抑制了諧波和電磁干擾的影響，變頻器柜體采用帶絕緣層的2mm厚的鍍鋅鋼板，完全符合EMC工業場合應用的標準。下圖所示為PE公司380V，132KW變頻器的內部拓撲結構：
2．高過載能力
空壓機是大慣量負載，這種負載特點很容易引起變頻器起動時出現過流自保護的情況，這樣有必要選擇大一級變頻器，并在允許的條件下調節加減時間來滿足生產要求。SD700系列變頻器的過載能力達到額定值的150%，持續時間達到60秒，可以充分滿足大慣量的重載場合的應用。
2．全面的保護功能
SD700具有全面的電機和變頻器的保護功能，對電機過載，電機三相不平衡，過電流，過電壓，溫度過熱等故障可以起到全面的保護作用，并且具有故障預防控制功能，避免和減少不必要的故障停機，確保設備的正常生產。
3．適合惡劣環境
SD700全系列變頻器的線路板均采用了絕緣涂層，包括線路板上每一個元器件的管腳和焊盤都帶有絕緣涂層，完全可以適應潮濕和導電粉塵等惡劣的環境要求。
5．50攝氏度高溫運行不降容
采用了高效的散熱片，即使在50攝氏度高溫環境下重載滿負荷地運行，也不會降低變頻器的驅動能力。
6．適應較大的電壓波動
輸入電壓波動范圍可達-20% 至+10%，欠壓持續時間可達60秒，適應一定范圍和一定時間內電源電壓的波動。
7．維護快速簡單
PE公司SD700系列變頻器全功率段采用的都是同一種控制板，電源板和IGBT驅動板；獨特的“同平面存取”的結構設計，能夠實現快速簡單的維護與更換工作，加上PE公司SD700系列變頻器的三年質保，完全可以實現維護簡單，穩定可靠的運行要求。
六． 結束語
采用了SD700系列變頻器改造后的節能控制系統，在空氣壓縮機上得到了良好的應用，它一方面實現了節電節能，降低了維修維護成本，另一方面提高了設備的壓力調節精度，改善了空壓機的生產工藝，企業的經濟效益和生產效率得到顯著地提高。因此，變頻節能控制方式在空壓機的應用得到了企業技術人員和管理人員的廣泛認可。
