空压机变频关键技术改造书.doc

利尔化学股份有限公司
空压机节能改造项目
方 案 设 计 书

制作人：廖家平 电话：
8月8日

需方：利尔化学股份有限公司
供方：
供、需双方经和谐协商就绪需方空压站空压机技术规定达到如下合同，本合同生效后即作为空压机设计、制造、交货及验收根据并作为合同附件。
一、 概况：
需方复盛空气压缩机1台，额定功率分别为 220KW一台；额定工作压力≤1.0Mpa。
品牌
型号
额定功率
数量
工作压力
复盛
SA220
220KW
1
0.8-0.98MPa

220KW空压机电气控制柜*1套
ER

▲控制设备：220KW电机，电源380V，额定电流457A；
▲控制方式：工频/变频控制方式.
▲ 变频器面板设立,显示电流、电压，运营、故障、报警批示;
▲ 电柜设立原工频控制及变频控制切换选取；
▲ 节能改造先后机器操作保持不变;

1.2元件明细
序号
产品名称
型号规格
单位
数量
品牌
1
机柜
*800*800 户内式 静电喷塑
台
1
非标订制
2
中间继电器
RXM2LB2P7
1
只
施耐德
3
中间继电器插座
RXZE1M2C
1
只
施耐德
4
批示灯（绿）
XB2BVM3LC
1
只
施耐德
5
批示灯（黄）
XB2BVM4LC
1
只
施耐德
6
转换开关
XB2BD25C
1
只
施耐德
7
变频器
PT200-250G/280P-3
1
台

8
交流接触器
LC1-D620M7C
2
个
施耐德
9
导电铜条
40*5
20
米
优质
10
电扇
200FZY4-D 380V
2
个
优质
11
网罩
200*200
2
个
优质
12
辅材
电线（二次线路用）、波纹管、线槽、导轨、标牌、螺钉、缠绕管、铜鼻子、热缩管、接线柱、标件等
1
套
国优

二、变频行业简介
此前通用变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺陷诸多，谐波大，对电网和电机均有影响。近年来，随着电力技术发展，变频调速技术日臻完善，发展起来某些新型器件将变化这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成通用变频器，性能优秀，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不但具备谐波小，功率因数也有很大限度提高，已经取代了挡板和阀门调节方式。其稳定安全运营性能、简朴以便操作方式、以及完善功能，将使变频最后达到高效率运营目。 随着变频技术不断成熟，变频器在各个领域得到了广泛应用。变频器应用上巨大节能潜力和优良调速性能，使得它具备强劲发展动力和辽阔市场空间。当前，变频技术已经成为电力传动领域热门话题之一，对于大容量电力传动系统进行变频改造已成为一种趋势，它为使用大功率传动装备公司和行业带来了很大节能效益。
三、空气压缩机简介
1、引言
空压机重要功能在于压缩空气储藏和传送能源以供设备使用，一种空气压缩系统，往往就能为工厂大多数机器提供动力，因而，不需要无数个分散式电力马达。空压机在工业生产中有着广泛应用，种类有诸多，但其供气控制方式大多采用是加、卸载控制方式。该供气控制方式虽然动作原理简朴，但存在电能挥霍大，启动电流大，对电网冲击大，供气压力不稳定，进气阀容易损坏等诸多问题。依照国家节能减排规定，大多数公司都采用最新电力电子技术和自动控制技术来实现设备低耗高效生产运营。
2、空压机工作原理
  空气压缩机是一种运用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩气体具备一定压力设备，重要有吸气、压缩、作功输送和排气四个重要过程。已有几百年应用历史，在机械构造方面也通过了1发展，原理是成熟，在构造上分常用有螺杆式、活塞式和离心式等。
n 螺杆式空压机工作原理
空压机是由一对互相平行啮合阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽之间空气不断地产生周期性容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现空压机吸气、压缩和排气全过程。空压机进气口和出气口分别位于壳体两端，阴转子槽和阳转子齿被主电机驱动而旋转。
n         活塞式空压机工作原理
螺杆式空压机是由电动机带动皮带轮通过联轴器直接驱动曲轴，带动连杆与活塞杆，使活塞在压缩机气缸内作往复运动，完毕吸入、压缩、排出等过程,将无压或低压气体升压，并输出到储压罐内。其中，活塞组件，活塞与汽缸内壁及汽缸盖构成容积可变工作腔，在曲柄连杆带动下，在汽缸内作往复运动以实现汽缸内气体压缩。
n         离心式空压机工作原理
在离心式空压机体中装有适量水作（油等液体）为工作液。当叶轮按顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力作用，水形成了一种决定于空压机腔形状近似于等厚度封闭圆环。水环下某些内表面正好与叶轮轮毂相切，水环上部内表面刚好与叶片顶端接触(事实上叶片在水环内有一定插入深度)。此时叶轮轮毂与水环之间形成一种月牙形空间，而这一空间又被叶轮提成和叶片数目相等若干个小腔。如果以叶轮下部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔容积由小变大，且与端面上吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出空压机外。
3、空压机系统控制
空压机供气系统详细工作流程为：当按下启动按钮，控制系统接通接触器线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处在关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内压力。等降压n秒（由时间继电器控制）后空压机开始加载运营，系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值，即卸载压力，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运营，直到系统压力降到压力开关下限值后，即加载压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运营。
4、空压机系统分析
在管道供气系统中，最基本控制对象是流量，供气系统基本任务就是要满足顾客对流量需求。当前，常用气体流量控制方式有加、卸载供气控制方式和转速控制方式两种。
（1）加、卸载供气控制
加、卸载供气控制方式即为进气阀开关控制方式，即压力达到上限时关阀，压缩机进人轻载运营；压力到达下限时开阀，压缩机进入满载运营。
由于空压机不能排除在满负荷状态下长时间运营也许性，因此只能按最大需要来决定电动机容量，设计余量普通偏大。工频起动设备时冲击大，电机轴承磨损大，因此设备维护量大。虽然都是降压启动，但起动时电流依然很大，会影响电网稳定及其他用电设备运营安全，并且大多数是持续运营，由于普通空气压缩机拖动电机自身不能调速，因而就不能直接使用压力或流量变动来实现降速调节输出功率匹配，电机不容许频繁启动，导致在用气量少时候电机依然要空载运营，电能挥霍巨大。
　　经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定工作压力延长压缩机使用寿命。空压机有些调节方式（如调节阀门或调节卸载等方式）虽然在需要流量较小状况下，由于电机转速不变，电机功率下降幅度比较小。
n         能耗分析： 加、卸载控制方式使得压缩气体压力在Pmin～Pmax之间来回变化。Pmin是最低压力值，即可以保证顾客正常工作最低压力。普通状况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表达:
Pmax＝(1＋δ)Pmin
注：δ是一种百分数，其数值大体在15%～30%之间。
在加、卸载供气控制方式下空压机，所挥霍能量重要在2个某些:
Ø         加载时电能消耗
当压力达到最小值后，原控制方式决定其压力会继续上升直到最大压力值。在加压过程中,一定要向外界释放更多热量，从而导致电能损失。另一方面，高于压力最大值气体在进入气动元件前，其压力需要通过减压阀减压,这一过程同样是一种耗能过程。
Ø         卸载时电能消耗
当压力达到压力最大值时，空压机通过如下办法来降压卸载:关闭进气阀使电机处在空转状态，同步将分离罐中多余压缩气体放空导致很大能量挥霍。据咱们测算，空压机卸载时能耗约占空压机满载运营时10%～25%(压缩空气通过放空阀放空。这种调节办法重要还是在卸载时间所占比例不大状况下)。换言之，该空压机20%时间处在空载状态，在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大节能空间。
n         其他局限性之处
Ø         靠机械方式调节进气阀，使供气量无法持续调节，当用气量不断变化时，供气压力不可避免地产生较大幅度波动。用气精度达不到工艺规定。再加上频繁调节进气阀，会加速进气阀磨损，增长维修量和维修成本。
Ø         频繁采用打开和关闭放气阀，放气阀耐用性得不到保障。　
（2）转速控制 
即通过变化空压机转速来调节流量，而阀门开度保持不变（普通保持最大开度）。当空压机转速变化时，供气系统扬程特性随之变化，而管阻特性不变。在这种控制方式下，通过变频调速技术变化空压机电机转速，空压机供气流量可随着用气流量变化而变化，达到真正供需平衡，在节能同步，也可使整个系统达到最佳工作效率。变频器基于交始终一交电源变换原理，可依照控制对象需要输出频率持续可调交流电压。电动机转速与电源频率成正比，因而，用变频器输出频率可调交流电压作为空压机电动机电源电压，可以便地变化空压机转速。
长期实践证明，在供气系统中接入变频节能系统，运用变频技术变化空压机转速来调节管道中流量，以取代阀门调节方式，能获得明显节能效果，此外，变频器软启动功能及平滑调速特点可实现对流量平稳调节，同步减少启动冲击并延长机组及管组使用寿命；变频器内置直流电抗器也可以减少电动机无功损耗，有效提高电动机功率因素。

项目建议方案

一、项目概况
此SA220空压机，功率220KW，加载时间为42分钟，加载时最低压力0.8Mpa，卸载时间为8分钟，卸载时最高压力为0.98Mpa，加载时电流为430A，卸载时电流为165A。依照实际状况分析我司建议如下方案，采用工变频转换电路，正常生产时采用变频自动控制，当变频器浮现故障时采用工频控制，这样可既能达到节能目又可以减少节能投资成本。
二、方案配备
依照项目实际需求，咱们决定采用恒压供气方案。把管网压力作为控制对象，压力传感器将储气罐压力转变为电信号接入变频器，与变频器中设定目的压力进行PID运算，通过PID指令运算，变频器通过变化频率来变化电机转速，从而达到变化压力气量目。
在寻常生产中，将变频控制柜开关打到节能档变频运营，变频器依照用气量状况动态地调节输出频率，直到达到一种新压力恒定状态，当用气量减小时，变频器在下限频率运营；当变频器故障时可将开关打到市电档工频运营，尽量将影响降到最低。
1、变频器选型
依照现场额定参数，再结合我公司PT200系列矢量通用型变频器在其他工程地应用状况，我公司为其设备配备如下变频器，其配备如下：
序号
设备名称
变频器型号
额定功率
数量
备注
1
螺杆式空压机
PT200-250G/280P-3
250KW
1
放大一档使用
注：若现场设备运营电流不不大于变频器额定电流，请按原选型放大一档或两档。
PT200系列变频器简介
PT200系列矢量通用型变频器采用DSP控制系统,功能更优化,应用更灵活,性能更稳定。可广泛应用于风机、泵类负载及对速度控制精度,转矩响应速度、低频输出特性有较高规定应用场合。PT200系列矢量通用型变频器综合技术特性:
一、输入输出特性
输入电压范畴
380/220V±15%
输入频率范畴
47~63Hz
输出电压范畴
0~额定输入电压
输出频率范畴
0~400Hz
二、外围接口特性
可编程数字输入
6路开关量输入，支持PNP、NPN双极性光耦隔离输入
可编程模仿量输入
AI1/AI2：0～10V或0/4～20mA 输入
可编程开路集电极输出
2路输出（开路集电极输出）
继电器输出
2路输出
模仿量输出
2路输出，分别可选0/4～20mA或0～10V
三、技术性能特性
控制方式
V/F控制、开环矢量控制（SVC）
过载能力
150%额定电流 60s；200%额定电流0.1s
调速比
1:200（SVC）
载波频率
1~15.0kHz
四、功能特性
◆频率设定方式：数字设定、模仿量设定、串行通讯设定、多段速及简易PLC设定、PID设定等，可实现设定组合和方式切换。
◆PID控制功能
◆简易PLC、多段速控制功能：16段速控制
◆摆频控制功能
◆瞬时停电不断机功能
◆转速追踪再起动功能：实现对旋转中电机无冲击平滑起动
◆自动电压调节功能：当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定
◆提供各种故障保护功能：过流、过压、欠压、过温、缺相、过载等保护功能
五、变频改造原理图
1、空压机主回路电路原理图

图1
2、工变频控制柜原理图

图2
3、传感器接线图

图3（远传压力表接线图）

图4（压力变送器接线图）
4、参数设立
功能代码
参数设定
功能含义
P01.01
1
端子控制运营
P01.03
5
PID调节运营频率
P01.09
25Hz
运营频率下限
P01.11
35s
加速时间
P01.12
15s
减速时间
P02.05
1
自由停车
P05.01
1%
转矩提高量
P06.00
1
DI1正转
P08.03
3
继电器故障输出
P10.01
40%
PID给定值（设定恒定气压）
P10.08
8%
PID控制偏差

5、改造注意事项
图1为普通螺杆空压机主回路控制电路原理图，图2为工变频转换电路原理图，图3和图4是不同类型压力传感器接线图。改造时只需将图1中红色虚线框某些线去掉，将图2变频器工变频转换电路串进图1电路里面去就可以，详细为：去掉图1中端子排到主接触器连接线，将图1中R、S、T接到图2中R、S、T，再将图2中U、V、W接至图1中U、V、W；变频器运营信号取自图1中KM3辅助常开触点。压力传感器按实际类型依照图3和图4相应接线即可。
变频改造节电原理及分析

一、负载特性阐明
负载特性是指电力拖动负载转矩与转速之间关系，也叫负载转矩特性。电动机节电，特别是调速节电，与负载特性关系极为密切，除要理解电动机运营特性之外，还要掌握被拖动工作机械负载转矩随转速变化特性。
典型负载特性有恒转矩负载特性、恒功率负载特性、风机泵类负载特性三种，见如下表。
电力拖动典型负载特性表
转矩特性
恒转矩特性
恒功率特性
风机泵类特性
负载特性
M=恒定值
P∝n·M
P∝n
P=恒定值
M∝1/n
M∝n2
P∝n3
轴功率与转速关系
轴功率与转速成正比
轴功率与转速无关
轴功率与转速三次方成正比
典型负载
起重机，压廷机，机床平移刀架等
金属切削机床,恒张力卷取机等
电扇,风机,液泵,油泵
二、空气压缩机变频调速节能原理
１、空气压缩机理论流量与转子转速关系式为：Qth=(丌/2)DLλN　　　(1)
式中：Qth――理论流量，m³/min
D――叶轮外径，m
L――叶轮长度，m
N――叶轮转速r/min
λ--面积运用系数;表征气缸空间有效运用限度(圆弧-渐开线型线面积运用系数λ＝0.563～0.521)
2、空气压缩机实际流量Q，为：Q＝Qthη　　　　　　　　　　　 (2)
式中：η――容积效率，普通为0.7～0.9
由（１）和（２）可知，对每一台空气压缩机，其转子齿槽外径长度和面积运用系数都是一种定值，当可忽视容积效率变化时，空气压缩机流量正比于转速．
３、功率特性
空气压缩机轴功率为：P =( QthΔH)/6000β (3)
式中：P――轴功率，KW
Qth――理论流量，m³/min
ΔH――进出口压差，Pa
β――机械效率，普通为0.9
由式（１）和（３）可知，当空气压缩机转速变化时，其轴功率与转速成正比，
４、转矩特性
空气压缩机转矩为：M=9552(P/N) (4)
由于空气压缩机轴功率与转速在正比，因而式可知，当转速变化时，转矩不变，即空气压缩机属于恒转矩运营．
可见空气压缩机风量Q和电机转速n是成正比关系，而轴功率P与转速也是成正比关系。因此当需要80％额定风量时，通过变频调节电机转速至额定转速80％，即调节频率到40赫兹即可，这时所需功率将仅为本来80％．
三．变频改造节能预测计算公式：
1、预测改造前工频运营功率计算公式
四、节电数据考核计算

在空压机节能改造先后，通过空压机控制器上面获取空压机总运营时间、加载时间，空载电流，加载电流。然后按空压机每月工作30天，每天工作16个小时计算。（预测安装变频器后加载电流在350左右）

咱们依照三相异步电机电功率计算式子：
P= √3×U×I×COSφ              
= 1.732×U×I×COSφ  
P为三相电机功率，单位瓦
U为线电压，即380伏
I为线电流，即钳式电流表实测电流，单位安
cosφ为功率因数，

月总消耗电功=月加载运营电功+月空载运营电功
安装变频器前月加载运营电功= 1.732×U×I（加载电流）×COSφ   ×30天×14小时×加载时间/总运营时间/1000=101034度
月卸载载运营电功= 1.732×U×I（空载电流）×COSφ   ×30天×2小时×(总运营时间-加载时间)/总运营时间/1000
月卸载运营电功= 1.732×380×150/1000（加载电流）×0.85   ×30天×2=5034度（一小时卸载8分钟，16小时大概有两小时卸载状态）
安装后=1.732×380×350（加载电流）×0.85  ×30天×14小时×加载时间/总运营时间/1000=82237度
安装变频器先后加载节电度数=101034-82237=18797度
节电率为=总节电度数/总耗电度数=23%
此空压机变频器节电改造节电率保守预测在23%-30%之间。

三、其他
1、设备改造后，为了保证空压机正常运营必要有原设备控制及变频控制切换选取。
2、除改造增长控制柜内部布线外，所有电源主线由需方提供。
3、在改造时，为了保证需方生产需要，必要在规定期间内改造完毕。
4、依照需方现场实际状况，原则上所有工作均由供方完毕，需方予以积极配合。
四、质量、工程及售后服务
1、质保期：设备安装调试完毕并验收合格移送后壹年，在质保期内免费承担电柜自身故障维修义务。
2、交货期：保证项目在需方指定期间段内20个工作日内完毕。
3、技术征询：客户可随时在需要状况下，对于工作中遇到技术难题向我公司致电征询。
4、紧急维修时间安排：市区内在接报告知后24小时即可到达现场，可以对于顾客提出紧急服务规定可以作出迅速反映。

客户案例

一、 空压机节能改造后长处
1. 气压稳定：由于变频螺杆空压运用变频器无级调速特点，通过控制器或变频器内部PID调节，能对压力实现迅速调节控制，比工频运营上下限开关控制相比，气压稳定性能成指数级提高。

2. 节能：由于变频器是依照实际用气量实时调节电机转速，用气量低时可以自动让空压机进入休眠，大大减少了能源损失。

3. 启动冲击小：由于变频器自身是一种软启动装置，启动电流最大是电机额定电流两倍左右， 与工频启动4~7倍相比，启动冲击很小。这种冲击不但对电网，对整个机械构造冲击也大大减少。
4. 噪音低：由于稳定运营时运营频率不大于工频，机械噪音下降，机械磨损小。
5. 具备休眠和休眠唤醒功能，具备低频启动力矩大功能，调节范畴广。
6. 采用工变频双控系统，可以在工频模式和变频模式之间自由切换，也可在变频浮现故障时，直接改为工频运营，不影响客户使用。
7. 由于变频器是高科技产品，因而保护功能强大、敏捷，对浮现各种故障能及时予以保护，避免更大损失。
二、 投资成本：
序号
产品名称
单价(元/套)
数量（套）
共计（元）
备注
2

.00
1
.00
工/变频、独立系统
3
上门安装调试费用
台
1
.00

注：1、以上价格为工/变频，独立电柜；
2、以上价格含税（17%增值税），含物流费用；
3、以上产品整体保修一年；
4、以上产品货期：订金到后40天内交货；
5、以上价格付款方式：预付30%作为订金，款总到90%发货，
剩余10%安装调试后10天内付清.
其他未尽事宜，供需双方协商解决。

需方:利尔化学股份有限公司 供方

需方代表： 供方代表：

日期： 年 月 日 日期： 年 月 日