深圳市藍(lán)海華騰技術(shù)有限公司是一家致力于變頻器的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)與銷售的高新技術(shù)企業(yè)，擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗和雄厚的技術(shù)實力。

針對空壓機(jī)行業(yè)電能浪費(fèi)嚴(yán)重，節(jié)能需求迫切的現(xiàn)狀，公司經(jīng)過深入研究，結(jié)合V5-K空壓機(jī)專用變頻器，推出了完整的空壓機(jī)變頻控制解決方案。

一、行業(yè)分析

據(jù)中國空壓機(jī)網(wǎng)調(diào)查：

全國有180億元/年的空壓機(jī)市場，有超過400萬臺的空壓機(jī)在工作，22KW以上功率等級的空壓機(jī)超過100萬臺，22kw以下中小空壓機(jī)以活塞式為主。年新增數(shù)十萬臺。

空壓機(jī)一般按工廠最大負(fù)荷加10-20%余量設(shè)計，另外工廠實際需求存在季節(jié)性及時間性波動，也導(dǎo)致用氣量波動較大，所以空壓機(jī)多數(shù)時間并非滿載運(yùn)行，節(jié)能空間很大。

空壓機(jī)的用電量約占全部工業(yè)用電設(shè)備的9%，節(jié)能降耗利國利民。

國家提供專項資金大力扶持節(jié)能降耗，這也進(jìn)一步推動了空壓機(jī)等產(chǎn)業(yè)的升級。變頻空壓機(jī)也越來越為廣大用戶接受。變頻空壓機(jī)已經(jīng)成為未來的主流發(fā)展方向。

二、傳統(tǒng)空壓機(jī)的問題傳統(tǒng)空壓機(jī)的工作圖：

傳統(tǒng)空壓機(jī)的問題：

1、電能浪費(fèi)嚴(yán)重

傳統(tǒng)的加卸載式空壓機(jī)，能量主要浪費(fèi)在：

1）加載時的電能消耗

在壓力達(dá)到所需工作壓力后，傳統(tǒng)控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升直到卸載壓力。在加壓過程中，一定會產(chǎn)生更多的熱量和噪音，從而導(dǎo)致電能損失。另一方面，高壓氣體在進(jìn)入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓，這一過程同樣耗能。

2）卸載時電能的消耗

當(dāng)達(dá)到卸載壓力時，空壓機(jī)自動打開卸載閥，使電機(jī)空轉(zhuǎn)，造成嚴(yán)重的能量浪費(fèi)?？諌簷C(jī)卸載時的功耗約占滿載時的30%～50%，可見傳統(tǒng)空壓機(jī)有明顯的節(jié)能空間。

2、工頻啟動沖擊電流大

主電機(jī)雖然采用Y-△減壓起動，但起動電流仍然很大，對電網(wǎng)沖擊大，易造成電網(wǎng)不穩(wěn)以及威脅其它用電設(shè)備的運(yùn)行安全。對于自發(fā)電工廠，數(shù)倍的額定電流沖擊，可能導(dǎo)致其他設(shè)備異常。

3、壓力不穩(wěn)，自動化程度底

傳統(tǒng)空壓機(jī)自動化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠對加卸載閥、調(diào)節(jié)閥的控制來實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)速度慢，波動大，精度低，輸出壓力不穩(wěn)定。

4、設(shè)備維護(hù)量大

空壓機(jī)工頻啟動電流大，高達(dá)5~8倍額定電流，工作方式?jīng)Q定了加卸載閥必然反復(fù)動作，部件易老化，工頻高速運(yùn)行，軸承磨損大

設(shè)備維護(hù)量大。

5、噪音大

持續(xù)工頻高速運(yùn)行，超過所需工作壓力的額外壓力，反復(fù)加載、卸載，都直接導(dǎo)致工頻運(yùn)行噪音大。

三、變頻器空壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn):

節(jié)能

節(jié)能原理：變頻調(diào)速系統(tǒng)以輸出壓力作為控制對象，由變頻器，壓力傳感器、電機(jī)組成閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)，工作壓力值可由操作面板直接設(shè)置，現(xiàn)場壓力由傳感器來檢測，轉(zhuǎn)換成4~20mA電流信號后反饋到變頻器，變頻器通過內(nèi)置PID進(jìn)行比較計算，從而調(diào)節(jié)其輸出頻率，達(dá)到空壓機(jī)恒壓供氣和節(jié)能的目的。變頻節(jié)能表現(xiàn)在：

1、變頻器通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整氣體流量，使電機(jī)的輸出功率與流量需求成正比，保持電機(jī)高效率工作，功率因數(shù)高，無功損耗小，節(jié)電效果明顯；

2、按嚴(yán)格的EMS標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，高速低耗的IGBT以及采用了高效的失量控制算法，使得V&T變頻器諧波失真和電機(jī)的電能損耗最小化；

3、自動快速休眠使得空載時間變短，電機(jī)完全停止，最大程度節(jié)能。無沖擊啟動及低頻大轉(zhuǎn)矩特性保證變頻器隨時帶載起停。

節(jié)能空間：

灰色：變頻空壓機(jī)功耗曲線

綠色：節(jié)能部分A，變頻空壓機(jī)比普通空壓機(jī)節(jié)省的能量

淺藍(lán)色：節(jié)能部分B，變頻空壓機(jī)可能節(jié)省的能量。B為當(dāng)變頻空壓機(jī)已進(jìn)入空久停機(jī)休眠階段，而普通空壓機(jī)沒有進(jìn)入休眠時，變頻空壓機(jī)節(jié)省的能量。如果變頻空壓機(jī)也沒有進(jìn)入休眠，則B=0。

剛啟動或休眠后啟動時，普通空壓機(jī)和變頻空壓機(jī)均運(yùn)行在額定功率附近。因此變頻空壓機(jī)可以保證充氣的快速性。

1、啟動電流小，對電網(wǎng)無沖擊

變頻器可使電機(jī)起動、加載時的電流平緩上升，沒有任何沖擊；可使電機(jī)實現(xiàn)軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長設(shè)備的使用壽命；

2、輸出壓力穩(wěn)定

采用變頻控制系統(tǒng)后，可以實時監(jiān)測供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中的氣體的壓力保持恒定，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；

3、設(shè)備維護(hù)量小

空壓機(jī)變頻啟動電流小，小于2倍額定電流，加卸載閥無須反復(fù)動作，變頻空壓機(jī)根據(jù)用氣量自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行頻率低，轉(zhuǎn)速慢，軸承磨損小，設(shè)備使用壽命延長，維護(hù)工作量變小。

4、噪音低

變頻根據(jù)用氣需要提供能量，沒有太多的能量損耗，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率低，機(jī)械轉(zhuǎn)動噪音因此變小，由于變頻以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，不用反復(fù)加載、卸載，頻繁加卸載的噪音也沒有了，持續(xù)加壓，氣壓不穩(wěn)產(chǎn)生的噪音也消失了?？傊捎米冾l恒壓控制系統(tǒng)后，不但可節(jié)約一筆數(shù)目可觀的電力費(fèi)用，延長壓縮機(jī)的使用壽命，還可實現(xiàn)恒壓供氣的目的，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

四、V5-K空壓機(jī)專用矢量變頻器的優(yōu)點(diǎn)

針對空壓機(jī)的特殊控制需求，藍(lán)海華騰提出的產(chǎn)品策略是：一體化的專用變頻器+用戶可選的操作界面，對比一般采用標(biāo)準(zhǔn)變頻器+專用控制器的方式。有更多優(yōu)點(diǎn)：

1、變頻器與空壓機(jī)的運(yùn)行特性緊密的結(jié)合，這是普通專用控制器無法做到的，不能專門針對空壓機(jī)工況：滿壓啟動、高環(huán)境溫度設(shè)計、電壓波動能力等方面進(jìn)行設(shè)計。未來向高端發(fā)展，如：網(wǎng)絡(luò)化控制，遠(yuǎn)程智能管理上，普通控制器也很難做到。

2、專用控制器的成本相對較高。

3、維護(hù)不便，出現(xiàn)問題時需要多家供應(yīng)商一起維護(hù)，定位問題過程復(fù)雜。

為了將變頻器更好地融入到空壓機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，我們推出了V5-K空壓機(jī)專用變頻器。采用一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，更緊密貼近空壓機(jī)行業(yè)需求，實現(xiàn)了更加優(yōu)異的控制性能：

1、內(nèi)置的控制器完成空壓機(jī)的所有控制功能。

控制器與變頻器完美地結(jié)合成了一個有機(jī)整體，用戶再不用配備額外的控制器，同時也大大簡化了用戶的安裝接線和保養(yǎng)維護(hù)操作。

2、與變頻器快速的交換數(shù)據(jù)，較傳統(tǒng)方式快5-10倍。

V5-K變頻器能根據(jù)壓力傳感器反饋的壓力信號，經(jīng)過處理后直接調(diào)整電機(jī)的輸出頻率，而不需要像傳統(tǒng)方式那樣，通過控制器處理后給出一個模擬量作為變頻器頻率給定。這就大大降低了模擬量波動所帶來的精度不穩(wěn)，同時通過485通訊，數(shù)據(jù)能以更快速更準(zhǔn)確的方式進(jìn)行交換。

3、更有效的壓力控制精度和響應(yīng)時間

V5-K變頻器的頻率給定可以精確到0.01Hz，開環(huán)矢量控制穩(wěn)速精度可達(dá)±0.2%，甚至可以一轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且能自動補(bǔ)償高負(fù)載時馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變動。這就大大提高了系統(tǒng)的壓力控制精度，快速精確地響應(yīng)實際壓力的變化。

4、高效的性能，支持空壓機(jī)滿壓啟動。

V5-K變頻器是全新一代的空壓機(jī)行業(yè)專用變頻器，采用國際同步的無速度傳感器矢量控制技術(shù)，為電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時提供更大的轉(zhuǎn)矩。較高的啟動轉(zhuǎn)矩，完全支持空壓機(jī)滿壓啟動，良好的動態(tài)特性，同時具備超強(qiáng)的過載能力，以滿足空壓機(jī)的控制需求；

5、全方位的整機(jī)保護(hù)功能

提供強(qiáng)大靈敏的軟／硬件的限流保護(hù)、過流和過壓保護(hù)、對地短路保護(hù)、過載保護(hù)、IGBT的直通保護(hù)、電流檢測異常、繼電器吸合異常等保護(hù)功能，保證空壓機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

五、變頻改造方案設(shè)計

針對不同品牌空壓機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、安裝位置等存在著差異性，我們準(zhǔn)備了兩套解決方案，以滿足不同用戶的改造需求。

1、控制柜分離式解決方案

這是一套通用解決方案，對于所有的空壓機(jī)，都可以采用這種控制柜分離式解決方案。

我們將給用戶提供一個獨(dú)立的變頻控制柜，內(nèi)置所有變頻改造所需要的部件，包括變頻器、操作面板、交流接觸器、控制按鈕等等?？諌簷C(jī)改造時，只需要將用戶原來的空壓機(jī)系統(tǒng)的主電路和控制電路信號，接到對應(yīng)的控制柜接線端子上，即可完成對空壓機(jī)的變頻改造工程。該過程不需要對原先的空壓機(jī)內(nèi)部構(gòu)造做任何的改動，改造方便、快捷，同時也便于日后的保養(yǎng)和維修。

其結(jié)構(gòu)示意圖如下：

2、內(nèi)置式一體化解決方案

對于某些內(nèi)部空間較大的空壓機(jī)，或者用戶對安裝位置要求比較特殊的場合，我們也可以選用內(nèi)置式一體化解決方案。

用戶首先根據(jù)實際需要，選配合適的V5-K空壓機(jī)專用變頻器，并配置相應(yīng)的交流接觸器、壓力傳感器等器件。然后根據(jù)變頻器和操作面板等器件的安裝尺寸，對原空壓機(jī)箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)件改造，使各個部件能完美地融合到空壓機(jī)整體當(dāng)中去。最后進(jìn)行控制電路的連接，使空壓機(jī)實現(xiàn)變頻控制。

其結(jié)構(gòu)示意圖如下：

由于空壓機(jī)工作時柜內(nèi)環(huán)境溫度較高，一般都可達(dá)到45℃以上，不利于變頻器發(fā)揮其最大工作效率。雖然V5-K變頻器對環(huán)境溫度具有良好的適應(yīng)性，但是當(dāng)環(huán)境溫度高于45℃時，則要求變頻器降額使用。因此，我們推薦用戶對空壓機(jī)現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，例如設(shè)計獨(dú)立風(fēng)道對變頻器進(jìn)行隔離冷卻等等。如果用戶無法改善現(xiàn)有的散熱系統(tǒng)，保證變頻器的正常工作環(huán)境溫度的話，我們要求用戶在變頻器選型時需要加大一檔功率，以提高高溫環(huán)境下變頻器的帶載能力，滿足用戶的實際應(yīng)用需求。

3、詳細(xì)改造方案

不管采用上述哪一種方案，空壓機(jī)的變頻控制原理都是相同的。如果用戶要求保留原有的工頻控制方式，則可以采用工變頻切換方式。

1）工變頻切換方式

用戶需要在原空壓機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝交流接觸器KM2和KM4,以實現(xiàn)工變頻控制的切換。采用壓力傳感器替換原來的壓力開關(guān)，將排氣壓力轉(zhuǎn)換成4~20mA電流信號，反饋回變頻器端子，實現(xiàn)恒壓閉環(huán)控制。在變頻器輸入電源側(cè)加裝交流接觸器KM7，保證按下急停按鈕后立刻切斷變頻器電源，實現(xiàn)對空壓機(jī)及人身安全的保護(hù)。

由于空壓機(jī)采用變頻控制方式運(yùn)行時，系統(tǒng)能根據(jù)用戶設(shè)定壓力和壓力反饋，自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓控制，所以當(dāng)用戶的用氣量較小的時候，空壓機(jī)主電機(jī)可能將長時間處于低速加載狀態(tài)，不利于電機(jī)自冷風(fēng)扇的散熱，從而導(dǎo)致電機(jī)溫升過高甚至燒毀電機(jī)線圈。

解決該問題有以下4種對策，可根據(jù)情況選擇：

i.合理設(shè)置V5-K空壓機(jī)專用變頻器的電機(jī)過載保護(hù)時間，變頻器將根據(jù)電機(jī)電流累積效應(yīng)保護(hù)電機(jī)。

ii.設(shè)置電機(jī)傳感器保護(hù)閾值，采用電機(jī)溫度傳感器方式保護(hù)電機(jī)。

iii.設(shè)置較短的空壓機(jī)空久停機(jī)（休眠）時間及較短的啟動時間，進(jìn)入休眠后，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

iv.在空壓機(jī)內(nèi)安裝主電機(jī)冷卻風(fēng)扇，并通過交流接觸器KM6進(jìn)行控制，保證空壓機(jī)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2）變頻控制方式

純變頻控制方式，是對傳統(tǒng)工頻控制方式的完全改進(jìn)。由于取消了Y-△切換、工變頻切換，用戶甚至不用加裝交流接觸器，只需將電機(jī)直接接到變頻器輸出端，即可實現(xiàn)變頻改造?？諌簷C(jī)主電機(jī)繞組采用△連接方式，壓力反饋同樣采用4~20mA的壓力傳感器，同時推薦用戶將2個多余的交流接觸器分別改裝成變頻器急?？刂坪惋L(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制，提高空壓機(jī)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

改造電氣原理圖如下：

許多空壓機(jī)用戶已經(jīng)適應(yīng)了傳統(tǒng)的工頻控制方式，對純變頻控制方式多少存在著些懷疑，因此在進(jìn)行空壓機(jī)變頻器改造時，希望仍保留傳統(tǒng)的工頻控制方式，以保證當(dāng)變頻控制出現(xiàn)故障的時候，空壓機(jī)仍然可以切換到工頻方式繼續(xù)運(yùn)行。其實，隨著工控領(lǐng)域的不斷發(fā)展，變頻控制技術(shù)的日益完善，變頻器的穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)達(dá)到了很高的要求。變頻器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、紡織、風(fēng)機(jī)、水泵等各個場合，并且實現(xiàn)了相當(dāng)穩(wěn)定的控制效果。因此，變頻器也能完美地適用于空壓機(jī)的控制需要。每一臺藍(lán)海華騰VectorqueTM系列變頻器，在其出廠之前，都經(jīng)過嚴(yán)格的測試，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

詳細(xì)的端子接線電氣原理圖見附圖一。

六、變頻改造投資效益分析

1、設(shè)備清單

所需的改造設(shè)備清單：V5-K變頻器1臺、文本顯示器1個、交流接觸器3個、壓力傳感器1個、導(dǎo)線若干、控制柜1個

具體的改造費(fèi)用需根據(jù)用戶空壓機(jī)功率等級和各配件的實際售價來決定。如果用戶空壓機(jī)主電機(jī)功率為________kW，按____元/千瓦來估算，用戶所需的改造費(fèi)用為________*____=_________（元）。

2、直接經(jīng)濟(jì)效益

采用傳統(tǒng)工頻控制方式的空壓機(jī)，在低于設(shè)定壓力時加載運(yùn)行，高于設(shè)定壓力時空載運(yùn)行。但不管是加載還是卸載，電機(jī)始終保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)，空載損耗非常大。

1）工頻控制下的空載損耗

已知空壓機(jī)的總運(yùn)行時間為_______小時X，加載運(yùn)行時間為_______小時Y，

則空壓機(jī)空載率=(X-Y)/X=（______－_______）/________=___________

假設(shè)電源電壓為Ue，取380V；空載電流為I0；功率因數(shù)為COSφ，取_____；空壓機(jī)年總運(yùn)行時間取小時，則年空載損耗W：

W=√3×Ue×I0×COSφ×年總運(yùn)行時間×空載率=（1.732×380×______×_____）/1000×________×_______=___________度

工業(yè)用電電費(fèi)為____元/度，則年空載損耗費(fèi)用F為：

F=W×____元/度=______×____=__________元

2）變頻控制下的節(jié)能分析

采用變頻控制方式，當(dāng)空壓機(jī)空載時，主電機(jī)降到20Hz運(yùn)行。

電機(jī)20Hz空載運(yùn)行和50Hz空載運(yùn)行時的電流大小基本相同，而定子繞組所承受的相電壓與運(yùn)行頻率成正比關(guān)系，即U=Ue×（f設(shè)/f工）=152V。

電機(jī)功耗P=√3×U×I0×COSφ,因此，我們可以近似地認(rèn)為，電機(jī)功率與運(yùn)行頻率成正比，電機(jī)空載損耗也與運(yùn)行頻率成正比。則采用變頻控制方式時，年空載損耗W1

W1=W×(f設(shè)/f工)=W×(20/50)=___________

變頻控制方式下年空載損耗費(fèi)用F1

F1=W1×____元/度=_________×______=_________元

通過以上計算，當(dāng)空壓機(jī)由工頻控制改為變頻控制時，僅空載損耗一項，每年即可節(jié)省費(fèi)用F-F1=_________元?？諌簷C(jī)采用變頻控制方式時，系統(tǒng)能根據(jù)用戶設(shè)定工作壓力和當(dāng)前壓力反饋信號，自動進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒壓控制。這樣當(dāng)用戶用氣量減小的時候，空壓機(jī)自動降低輸出功率，而不必像傳統(tǒng)控制方式那樣全負(fù)荷加載運(yùn)行，從而也大大降低了空壓機(jī)的能耗成本，并提高了供氣質(zhì)量。

綜上所述，將空壓機(jī)由工頻控制方式改造成變頻控制方式后，很大程度地降低了空壓機(jī)的電能損耗，帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)客觀的。對于大多數(shù)的用戶，一般在進(jìn)行了空壓機(jī)變頻節(jié)能改造后一年內(nèi)，即可將投資成本全部收回，實現(xiàn)良好的節(jié)能效果。

3、間接經(jīng)濟(jì)效益

通過節(jié)能改造，不僅節(jié)約電能，同時在以下幾方面帶來較大的效益：

1）由于總功耗下降很多，整個用電系統(tǒng)溫升大幅度降低，設(shè)備故障率直線下降，設(shè)備和開關(guān)觸點(diǎn)的使用壽命成倍提高，維修費(fèi)用和設(shè)備更新成本相應(yīng)減少；

2）由于采取了有效的節(jié)電措施后，不僅節(jié)約了電能，同時變壓器減輕容量，保證了用戶變壓器安全運(yùn)行，同時為新增用電設(shè)備提供了空間；

3）設(shè)備具有軟啟動功能，啟動瞬間電流控制在額定電流的1～1.5倍，大大減少對用電系統(tǒng)的沖擊。

附圖1

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