深圳市藍海華騰技術有限公司是一家致力于變頻器的研發、設計、生產與銷售的高新技術企業，擁有豐富的行業經驗和雄厚的技術實力。

針對空壓機行業電能浪費嚴重，節能需求迫切的現狀，公司經過深入研究，結合V5-K空壓機專用變頻器，推出了完整的空壓機變頻控制解決方案。

一、行業分析

據中國空壓機網調查：

全國有180億元/年的空壓機市場，有超過400萬臺的空壓機在工作，22KW以上功率等級的空壓機超過100萬臺，22kw以下中小空壓機以活塞式為主。年新增數十萬臺。

空壓機一般按工廠最大負荷加10-20%余量設計，另外工廠實際需求存在季節性及時間性波動，也導致用氣量波動較大，所以空壓機多數時間并非滿載運行，節能空間很大。

空壓機的用電量約占全部工業用電設備的9%，節能降耗利國利民。

國家提供專項資金大力扶持節能降耗，這也進一步推動了空壓機等產業的升級。變頻空壓機也越來越為廣大用戶接受。變頻空壓機已經成為未來的主流發展方向。

二、傳統空壓機的問題傳統空壓機的工作圖：

傳統空壓機的問題：

1、電能浪費嚴重

傳統的加卸載式空壓機，能量主要浪費在：

1）加載時的電能消耗

在壓力達到所需工作壓力后，傳統控制方式決定其壓力會繼續上升直到卸載壓力。在加壓過程中，一定會產生更多的熱量和噪音，從而導致電能損失。另一方面，高壓氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過減壓閥減壓，這一過程同樣耗能。

2）卸載時電能的消耗

當達到卸載壓力時，空壓機自動打開卸載閥，使電機空轉，造成嚴重的能量浪費。空壓機卸載時的功耗約占滿載時的30%～50%，可見傳統空壓機有明顯的節能空間。

2、工頻啟動沖擊電流大

主電機雖然采用Y-△減壓起動，但起動電流仍然很大，對電網沖擊大，易造成電網不穩以及威脅其它用電設備的運行安全。對于自發電工廠，數倍的額定電流沖擊，可能導致其他設備異常。

3、壓力不穩，自動化程度底

傳統空壓機自動化程度低，輸出壓力的調節是靠對加卸載閥、調節閥的控制來實現的，調節速度慢，波動大，精度低，輸出壓力不穩定。

4、設備維護量大

空壓機工頻啟動電流大，高達5~8倍額定電流，工作方式決定了加卸載閥必然反復動作，部件易老化，工頻高速運行，軸承磨損大

設備維護量大。

5、噪音大

持續工頻高速運行，超過所需工作壓力的額外壓力，反復加載、卸載，都直接導致工頻運行噪音大。

三、變頻器空壓機的優點:

節能

節能原理：變頻調速系統以輸出壓力作為控制對象，由變頻器，壓力傳感器、電機組成閉環恒壓控制系統，工作壓力值可由操作面板直接設置，現場壓力由傳感器來檢測，轉換成4~20mA電流信號后反饋到變頻器，變頻器通過內置PID進行比較計算，從而調節其輸出頻率，達到空壓機恒壓供氣和節能的目的。變頻節能表現在：

1、變頻器通過調整電機的轉速來調整氣體流量，使電機的輸出功率與流量需求成正比，保持電機高效率工作，功率因數高，無功損耗小，節電效果明顯；

2、按嚴格的EMS標準設計，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，電機完全停止，最大程度節能。無沖擊啟動及低頻大轉矩特性保證變頻器隨時帶載起停。

節能空間：

灰色：變頻空壓機功耗曲線

綠色：節能部分A，變頻空壓機比普通空壓機節省的能量

淺藍色：節能部分B，變頻空壓機可能節省的能量。B為當變頻空壓機已進入空久停機休眠階段，而普通空壓機沒有進入休眠時，變頻空壓機節省的能量。如果變頻空壓機也沒有進入休眠，則B=0。

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

1、啟動電流小，對電網無沖擊

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

2、輸出壓力穩定

采用變頻控制系統后，可以實時監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，提高生產效率和產品質量；

3、設備維護量小

空壓機變頻啟動電流小，小于2倍額定電流，加卸載閥無須反復動作，變頻空壓機根據用氣量自動調節電機轉速，運行頻率低，轉速慢，軸承磨損小，設備使用壽命延長，維護工作量變小。

4、噪音低

變頻根據用氣需要提供能量，沒有太多的能量損耗，電機運轉頻率低，機械轉動噪音因此變小，由于變頻以調節電機轉速的方式，不用反復加載、卸載，頻繁加卸載的噪音也沒有了，持續加壓，氣壓不穩產生的噪音也消失了。總之，采用變頻恒壓控制系統后，不但可節約一筆數目可觀的電力費用，延長壓縮機的使用壽命，還可實現恒壓供氣的目的，提高生產效率和產品質量。

四、V5-K空壓機專用矢量變頻器的優點

針對空壓機的特殊控制需求，藍海華騰提出的產品策略是：一體化的專用變頻器+用戶可選的操作界面，對比一般采用標準變頻器+專用控制器的方式。有更多優點：

1、變頻器與空壓機的運行特性緊密的結合，這是普通專用控制器無法做到的，不能專門針對空壓機工況：滿壓啟動、高環境溫度設計、電壓波動能力等方面進行設計。未來向高端發展，如：網絡化控制，遠程智能管理上，普通控制器也很難做到。

2、專用控制器的成本相對較高。

3、維護不便，出現問題時需要多家供應商一起維護，定位問題過程復雜。

為了將變頻器更好地融入到空壓機控制系統當中，我們推出了V5-K空壓機專用變頻器。采用一體化的結構設計，更緊密貼近空壓機行業需求，實現了更加優異的控制性能：

1、內置的控制器完成空壓機的所有控制功能。

控制器與變頻器完美地結合成了一個有機整體，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維護操作。

2、與變頻器快速的交換數據，較傳統方式快5-10倍。

V5-K變頻器能根據壓力傳感器反饋的壓力信號，經過處理后直接調整電機的輸出頻率，而不需要像傳統方式那樣，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，同時通過485通訊，數據能以更快速更準確的方式進行交換。

3、更有效的壓力控制精度和響應時間

V5-K變頻器的頻率給定可以精確到0.01Hz，開環矢量控制穩速精度可達±0.2%，甚至可以一轉一轉地控制電機轉速，并且能自動補償高負載時馬達的轉速變動。這就大大提高了系統的壓力控制精度，快速精確地響應實際壓力的變化。

4、高效的性能，支持空壓機滿壓啟動。

V5-K變頻器是全新一代的空壓機行業專用變頻器，采用國際同步的無速度傳感器矢量控制技術，為電機在低速運轉時提供更大的轉矩。較高的啟動轉矩，完全支持空壓機滿壓啟動，良好的動態特性，同時具備超強的過載能力，以滿足空壓機的控制需求；

5、全方位的整機保護功能

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

五、變頻改造方案設計

針對不同品牌空壓機的內部結構、安裝位置等存在著差異性，我們準備了兩套解決方案，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，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立的變頻控制柜，內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。空壓機改造時，只需要將用戶原來的空壓機系統的主電路和控制電路信號，接到對應的控制柜接線端子上，即可完成對空壓機的變頻改造工程。該過程不需要對原先的空壓機內部構造做任何的改動，改造方便、快捷，同時也便于日后的保養和維修。

其結構示意圖如下：

2、內置式一體化解決方案

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

用戶首先根據實際需要，選配合適的V5-K空壓機專用變頻器，并配置相應的交流接觸器、壓力傳感器等器件。然后根據變頻器和操作面板等器件的安裝尺寸，對原空壓機箱體進行結構件改造，使各個部件能完美地融合到空壓機整體當中去。最后進行控制電路的連接，使空壓機實現變頻控制。

其結構示意圖如下：

由于空壓機工作時柜內環境溫度較高，一般都可達到45℃以上，不利于變頻器發揮其最大工作效率。雖然V5-K變頻器對環境溫度具有良好的適應性，但是當環境溫度高于45℃時，則要求變頻器降額使用。因此，我們推薦用戶對空壓機現有的冷卻系統進行改進，例如設計獨立風道對變頻器進行隔離冷卻等等。如果用戶無法改善現有的散熱系統，保證變頻器的正常工作環境溫度的話，我們要求用戶在變頻器選型時需要加大一檔功率，以提高高溫環境下變頻器的帶載能力，滿足用戶的實際應用需求。

3、詳細改造方案

不管采用上述哪一種方案，空壓機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系統的基礎上，加裝交流接觸器KM2和KM4,以實現工變頻控制的切換。采用壓力傳感器替換原來的壓力開關，將排氣壓力轉換成4~20mA電流信號，反饋回變頻器端子，實現恒壓閉環控制。在變頻器輸入電源側加裝交流接觸器KM7，保證按下急停按鈕后立刻切斷變頻器電源，實現對空壓機及人身安全的保護。

由于空壓機采用變頻控制方式運行時，系統能根據用戶設定壓力和壓力反饋，自動調節電機轉速，實現恒壓控制，所以當用戶的用氣量較小的時候，空壓機主電機可能將長時間處于低速加載狀態，不利于電機自冷風扇的散熱，從而導致電機溫升過高甚至燒毀電機線圈。

解決該問題有以下4種對策，可根據情況選擇：

i.合理設置V5-K空壓機專用變頻器的電機過載保護時間，變頻器將根據電機電流累積效應保護電機。

ii.設置電機傳感器保護閾值，采用電機溫度傳感器方式保護電機。

iii.設置較短的空壓機空久停機（休眠）時間及較短的啟動時間，進入休眠后，電機停止運轉。

iv.在空壓機內安裝主電機冷卻風扇，并通過交流接觸器KM6進行控制，保證空壓機電機正常運轉。

2）變頻控制方式

純變頻控制方式，是對傳統工頻控制方式的完全改進。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，只需將電機直接接到變頻器輸出端，即可實現變頻改造。空壓機主電機繞組采用△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停控制和風機冷卻風扇控制，提高空壓機系統的安全性和可靠性。

改造電氣原理圖如下：

許多空壓機用戶已經適應了傳統的工頻控制方式，對純變頻控制方式多少存在著些懷疑，因此在進行空壓機變頻器改造時，希望仍保留傳統的工頻控制方式，以保證當變頻控制出現故障的時候，空壓機仍然可以切換到工頻方式繼續運行。其實，隨著工控領域的不斷發展，變頻控制技術的日益完善，變頻器的穩定性和可靠性已經達到了很高的要求。變頻器已經廣泛應用于機械、紡織、風機、水泵等各個場合，并且實現了相當穩定的控制效果。因此，變頻器也能完美地適用于空壓機的控制需要。每一臺藍海華騰VectorqueTM系列變頻器，在其出廠之前，都經過嚴格的測試，保證產品的質量和可靠性。

詳細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、設備清單

所需的改造設備清單：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、導線若干、控制柜1個

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

2、直接經濟效益

采用傳統工頻控制方式的空壓機，在低于設定壓力時加載運行，高于設定壓力時空載運行。但不管是加載還是卸載，電機始終保持高速運轉，空載損耗非常大。

1）工頻控制下的空載損耗

已知空壓機的總運行時間為_______小時X，加載運行時間為_______小時Y，

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

假設電源電壓為Ue，取380V；空載電流為I0；功率因數為COSφ，取_____；空壓機年總運行時間取小時，則年空載損耗W：

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

工業用電電費為____元/度，則年空載損耗費用F為：

F=W×____元/度=______×____=__________元

2）變頻控制下的節能分析

采用變頻控制方式，當空壓機空載時，主電機降到20Hz運行。

電機20Hz空載運行和50Hz空載運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行頻率成正比關系，即U=Ue×（f設/f工）=152V。

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

W1=W×(f設/f工)=W×(20/50)=___________

變頻控制方式下年空載損耗費用F1

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

通過以上計算，當空壓機由工頻控制改為變頻控制時，僅空載損耗一項，每年即可節省費用F-F1=_________元。空壓機采用變頻控制方式時，系統能根據用戶設定工作壓力和當前壓力反饋信號，自動進行閉環調節，實現恒壓控制。這樣當用戶用氣量減小的時候，空壓機自動降低輸出功率，而不必像傳統控制方式那樣全負荷加載運行，從而也大大降低了空壓機的能耗成本，并提高了供氣質量。

綜上所述，將空壓機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的電能損耗，帶來的直接經濟效益是相當客觀的。對于大多數的用戶，一般在進行了空壓機變頻節能改造后一年內，即可將投資成本全部收回，實現良好的節能效果。

3、間接經濟效益

通過節能改造，不僅節約電能，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，整個用電系統溫升大幅度降低，設備故障率直線下降，設備和開關觸點的使用壽命成倍提高，維修費用和設備更新成本相應減少；

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

3）設備具有軟啟動功能，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的沖擊。

附圖1

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