西班牙PE电气SD700变频器在空压机上的应用

关键词：SD700变频器 谐波抑制 电磁干扰 节能

引言

　　空压机在工业生产中有着广泛的应用，种类有很多，但其供气控制方式大多采用的是加、卸载控制方式。该供气控制方式虽然动作原理简单，但存在电能浪费大，供气压力不稳定，进气阀容易损坏等诸多问题。根据国家节能减排的要求，大多数企业都采用最新的电力电子技术和自动控制技术来实现设备低耗高效的生产运行。

　　变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。它以很好的调速、节能，可靠，高效的特性，在风机水泵，过程控制，机械设备等各行各业中获得了广泛的应用，并且由于具有软启动性能，可以减少对电网，设备和电机的冲击，延长设备和电机的使用寿命。特别是在空压机控制系统中，如果采用高质量的变频器，既提高了设备的调节精度，改善了空压机的生产工艺，又实现了节电节能，降低了维修维护成本，减少了工人的劳动强度，已经愈来愈受到工矿企业的技术人员和管理人员的重视。

一.空压机改造前的运行状况

　　某企业原有2台132KW空压机，设备改造之前，两台空压机一用一备，总是工作在工频状态，起动方式为自耦变压器降压起动，压力控制采用上下限的两点式控制方式，即空压机气缸内压力达到设定上限时，空压机通过本身的油压关闭气阀;当压力下降到设定下限时，空压机打开进气阀。由于生产过程中用气量的变化，空压机也频繁地加载和卸载。空气压力的变化范围比较大，压力也不稳定。这是因为空气压缩机的电机本身不能调速，所以不能直接通过压力的变化来调节电动机的转速，以达到所需要的空气流量。

　　另外，由于自耦变压器起动时间过长，电机不允许频繁工频起动，造成在用气量少的时候，甚至是在一定时间内不用气的时候，电机仍然要长时间的空载运行，造成了电能上的巨大浪费，给企业增加了成本。因此，该公司经过认真的技术研讨，决定对该厂的空压站进行变频节能改造。

二.原空压机系统存在的问题分析：

　　1.主电机虽然以自耦变压器降压起动，但起动时的电流仍然很大，对空压机、电动机和电网都有很大的冲击，会影响电网的稳定及其用电设备的运行安全。

　　2.采用自耦变压器降压起动时，存在起动时间过长，不能频繁地起动，且故障率较高，因此自耦变压器的维修和维护成本比较大。

　　3.空压机长时间连续运行，在空载过程中不产生压缩空气，所以电动机处在空载状态时，会给企业造成巨大的电能浪费。

　　4.当压力达到最大极限值时，空压机关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种加载的调节方法要造成很大的能量浪费。

　　5.气压稳定性差和由于频繁加、卸载导致执行元件（进气阀、放气阀）的频繁动作而加速了阀门的磨损，会增加维修工作量和维修费用。

　　6.主电机在工频运行状态下使空压机运行时噪音很大。

三.空压机变频改造实施方案

　　系统参数：

　　额定功率 132 kW

　　额定电压 380V

　　额定电流 250A

　　额定转速 l485 rpm

　　变频器 西班牙PE电气公司的SD700系列变频器，型号是SD7025052

　　本系统采用压力闭环调节方式，通过变频器的控制面板设定空气压力定值，在储气装置上安装一个压力传感器。将空气压力信号转换为4～20mA的电流信号，反馈到变频器内部的PID调节器，调节器将该电流值与压力定值进行比较运算，然后输出控制信号，变频器再根据此信号输出频率，调节电动机的转速，使空气压力保持稳定;在用气量小的时候，变频器将减少频率输出，直至电机停止运行，这样空压机始终保持在节电运行状态。 另外，采用该方案后，空压机电机从静止到旋转工作可由变频器来起动，实现了软起动，避免了在频繁起动时，起动电流对空压机，电动机和电网带来的冲击。同时，该方案可保留原有的控制系统，增加工频与变频切换功能，做到工频/变频互锁切换，当变频器发生故障时，利用原工频系统运行。变频器的接线图参考如下：

四.变频器节能改造后的效益分析

　　1.延长压缩机的使用寿命

　　变频器从低频起动压缩机，由于起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的机械部件所造成的冲击，增强了系统的可靠性，延长了压缩机的使用寿命，减少了维修量。

　　2.减小对电网的冲击

　　变频控制能够减少起动时电流波动，适合较为频繁地起动，可以将起动时对电网和其它设备造成的影响减少到最小。

　　3.降低了空压机的噪音

　　空压机改造工程安装完毕后，运行稳定，空压机振动和噪声大减低。

　　5.提高压力控制精度

　　变频控制系统具有精确的压力控制能力，使压缩机的空气压力输出与用户生产所需的用气量相匹配，压力波动很小，改善了生产工艺，确保了供气量的稳定。

　　6.节约电能

　　根据用气量需求来调节电动机的运行速度，且在不用气的生产间歇，停止压缩机电机运行，使得压缩机始终处于最经济的运行状态，避免了改造前压缩机频繁加载，卸载以及长期空转造成的电能浪费，节约了企业的生产成本。实际运行后的节电分析如下：

　　改造前，空压机加载运行时的电流245A，卸载时运行电流105A。全天实际生产时间累计达14小时，生产间歇和换班时间累计大约10小时;改造后，生产状态下，空压机频率基本上在35～42Hz，运行电流平均125A;在生产间歇和换班情况下，空压机可以停止运行，基本上无空转运行情况。

　　用电量分析：全年按300天计算，

　　改造前:

　　加载运行时W1=1.732xIxUxT1/1000 =1.732x245x380x14/1000 =2257 kWh

　　卸载运行时W2=1.732xIxUxT2/1000 =1.732x105x380x10/1000 =691 kWh

　　全天耗电W=W1+W2=2948 kWh

　　改造后：

　　压力可调节时W=1.732xIxUxT/1000 =1.732x125x380x14/1000 =1152 kWh

　　因此，每天可以节电△W=2948-1152=1796 kWh，每度电按0.5元来计算，全天节省电费898元，全年按300天生产计算，全年可以节电269400元。整个系统的全部改造费用是15万元，预计7个月即可以收回成本;而在接下来的每一年里，可以直接给企业创造经济效益将近26万元左右。

五.SD700变频器的特点

　　1. 全面的谐波抑制

　　为了有效降低电网中高次谐波分量，减小高次谐波和电磁干扰对其他设备（比如现场的仪器仪表）的影响，所使用的大功率变频器必须满足工业场合下EMC电磁兼容性的要求，即将电磁干扰和谐波控制在一定范围内，确保整个系统的安全可靠的运行。

　　PE公司的SD700系列变频器采用了内置的交流进线电抗器，内置的EMC滤波器，内置的dv/dt输出滤波器，全面有效地抑制了谐波和电磁干扰的影响，变频器柜体采用带绝缘层的2mm厚的镀锌钢板，完全符合EMC工业场合应用的标准。下图所示为PE公司380V，132KW变频器的内部拓扑结构：

　　2.高过载能力

　　空压机是大惯量负载，这种负载特点很容易引起变频器起动时出现过流自保护的情况，这样有必要选择大一级变频器，并在允许的条件下调节加减时间来满足生产要求。SD700系列变频器的过载能力达到额定值的150%，持续时间达到60秒，可以充分满足大惯量的重载场合的应用。

　　2. 全面的保护功能

　　SD700具有全面的电机和变频器的保护功能，对电机过载，电机三相不平衡，过电流，过电压，温度过热等故障可以起到全面的保护作用，并且具有故障预防控制功能，避免和减少不必要的故障停机，确保设备的正常生产。

　　3. 适合恶劣环境

　　SD700全系列变频器的线路板均采用了绝缘涂层，包括线路板上每一个元器件的管脚和焊盘都带有绝缘涂层，完全可以适应潮湿和导电粉尘等恶劣的环境要求。

　　5.50°C高温运行不降容

　　采用了高效的散热片，即使在50°C高温环境下重载满负荷地运行，也不会降低变频器的驱动能力。

　　6.适应较大的电压波动

　　输入电压波动范围可达-20% 至+10%，欠压持续时间可达60秒，适应一定范围和一定时间内电源电压的波动。

　　7.维护快速简单

　　PE公司SD700系列变频器全功率段采用的都是同一种控制板，电源板和IGBT驱动板;独特的“同平面存取”的结构设计，能够实现快速简单的维护与更换工作，加上PE公司SD700系列变频器的三年质保，完全可以实现维护简单，稳定可靠的运行要求。

六.结束语

　　采用了SD700系列变频器改造后的节能控制系统，在空气压缩机上得到了良好的应用，它一方面实现了节电节能，降低了维修维护成本，另一方面提高了设备的压力调节精度，改善了空压机的生产工艺，企业的经济效益和生产效率得到显著地提高。因此，变频节能控制方式在空压机的应用得到了企业技术人员和管理人员的广泛认可。