钻井现场使用的空气压缩机的变频与调速
摘要： 随着现代工业的发展和环保节能理念的不断提出，并且由于能源供应价格的不断上涨，使人们对工业生产节能降耗、降低生产成本的要求越来越严格。本文正是针对这种要求而对钻井队日常生产中使用最为频繁的压风机进行改造，使之达到既能满足生产工艺的要求，又能节能增效，延长设备使用寿命的要求。
关键词： 空气压缩机；变频器；节能增效
中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）22-0043-031 空气压缩机的主要特点
1.1 空气压缩机拖动系统的特点 ①机械特性具有恒转矩性质M=C，故电动机的轴功率P与转速n成正比例。②大多数处于长期连续运行状态，但负载大小不稳定，为连续变动性负载。③启动次数少，对升、降速时间无过高要求。④对气体压缩机有压力调节阀实现自动卸载与装载的自动控制装置，当卸载或装载时，负载将突变。
1.2 空气压缩机的控制方式 空气压缩机的主要控制对象是空气的压力，目前空气压缩机上都采用两点式的上、下限控制或启停式控制，也就是说空气压缩机在压缩气体气缸内压力达到设定值上限时利用本身气压或油压关闭进气阀使得小型空气压缩机停机，而当压力下降到设定值下限时，则打开进气阀，启动小型空气压缩机。采取手动调节输入或输出的方式进行控制空气压缩机；用机械方式进行自动装卸控制；以改变叶片的角度去调节压力或流量等。传统的控制方式对电网和空气压缩机本身有一定程度上的损害，尤其气量频繁波动特别显著。
处在工作常态下，空气被压缩到储气罐。单板机作为主控制，控制整个控制系统和空气压缩机各点的检测。
当空气压缩机出口压力为预定值上限，采用油压分路阀关闭进气口并打开内循环管路，使其自循环运行；当压力下降到下限时，油压分路阀关闭循环管路并打开空气进口使空气被过滤器经压缩回储气罐。在静态，原起动方式（Y-△），及加载、卸载时对电网供配电设备及镙杆都会造成极大的冲击。尤其是能源的严重浪费。主电机转速下降，轴功率将下降很多。
2 空气压缩机的变频调速改造
2.1 技术原理 当今世界，许多先进国家都在大范围地应用变频技术，它们生产的交流接触器本身就具有变频能力。低压电动机从0.75KW～800KW都能应用变频技术，从而达到合理控制电动机的负荷输出，达到节能的目的。空气压缩机变频调速技术目前主要应用于螺杆式空气压缩机中，单螺杆空气压缩机是各种空气压缩机中比较先进的产品；变频器控制在低速启动，系统正常运行时，变频器通过检测安装在系统中的压力传感器信号反馈变频器恒压调节，在与变频器内的设定压力值比较之后算出变频器所需频率信号，从而调节电机转速。当系统检测点的压力没有达到设定压力时，空气压缩机电机转速达到最高。当变频器控制电机转速达到最低，但是系统压力任然高于预定值时，空气压缩机电机转速开始下降。通常在安装变频控制器后，系统原有的各项保护功能仍起作用，以使得工频和变频运行的切换。空气压缩机异于离心式风机、水泵，是属于恒转矩，其功率与转速是近似一次方的关系。
2.2 技术特点 每个压缩空气系统的负荷都是不断变化的，其每个压缩空气系统中至少有一台空气压缩机处于调节状态，螺杆式空气压缩机的卸载功率通常为其加载功率的30%-40%。把目前处于部分负载状态的空气压缩机进行变频控制可以节省空气压缩机的空载功耗，与此同时保持系统供气压力的稳定性，提高系统供气可靠性。
2.3 调节原理 变频器采用PID功能调节，输出频率Fx始终处于动态调整状态，设目标信号为Xt，通过变频器面板键盘设定，Xf为压力传感器反馈信号，变频器输出频率Fx大小由Kp（Xt—Xf）决定，储气罐压力P超过目标值，则（Xt—Xf）<0→频率Fx↓→电动机转速n↓→P↓→直至（Xt≈Xf）为止，若P低于目标值，则此过程相反。
2.4 系统接线图 空气压缩机的变频调速系统一般情况下通过控制输出压力，如图1所示，从压力变送器中取出的相关的反馈信号，再和变频器的反馈端相连，内部具有PID调节器，与预置压力给定信号相比较，差值经过变频器内部的PID控制器输出后，从而按压力的变动量决定电动机的工作频率和转速的大小，实现之的调节。
根据现场实际情况，用一台变频器来控制两台空气压缩机，而这两台空气压缩机的变频的相互转换可以使用电气控制；
两台当空气压缩机协助工作，当一台出现故障时，可以转换到另一台上运行，从而保证生产的顺利进行。如此一来，在减少生产设备的投资成本的同时还能满足生产工艺的需要。
如图2所示，为了在系统改造时顺利的互锁切换工频/变频，应该在继续保留原工频系统的同时，增加变频系统。采取外部控制电路，可以使得空气压缩机的启停操作步骤保持以前一样，操作简单易行，安全可靠。本系统采用闭环调节方式，在原来的压力罐上加装一个压力传感器，将压力信号转换电信号，送到变频器内部的PID调节器，调节器的信号与压力设定值进行比较运算后输出控制信号，变频器根据该信号输出频率，改变电动机转速，调节供气压力，保持压力的恒定，使空气压缩机始终处于节电运行状态。
2.5 工频与变频的切换 切换电路如图3所示，下面分析控制原理。
2.5.1 工频运行 当SA合至“工频”方式时，按下启动按钮SB2，接触器KM3动作并自锁，电动机进入“工频运行”状态。按下停止按钮SB1，接触器KM3断电，电动机停止运行。
2.5.2 变频运行 当SA合至“变频”方式时，接触器KM2动作，将电动机接至变频器输出端。KM2动作后，KM1也动作，将工频电源接到变频器的输入端，并允许电动机启动。按下启动按钮SB4，中间继电器KA1动作并自锁，启动变频器，电动机开始加速，进入“变频运行”状态。按下停止按钮SB3，中间继电器KA1断电，电动机停止运行。在变频过程中，如果变频器因故障跳闸，则“B—C”闭合（通过设置变频器继电器输出参数P0478=1），中间继电器KA2动作，接触器KM2和KM1均断电，变频器和电源之间及电动机和变频器之间都被切断。另一方面，由蜂鸣器HA和指示灯HL进行声光报警。同时，时间继电器KT得电，其触电延时闭合，使KM3动作，电动机进入工频运行状态。
操作人员发现后，应将选择开关SA旋至“工频”位。这时报警停止，并使时间继电器KT断电。
2.6 变频器的功能预置
①控制方式。以选用U/F控制为宜，理由如下：1）压缩机对参数的控制精度要求不高，一般不大于1%就可以，故不需采用矢量控制，能节省设备的投资。2）轻载时提高电动机的效率，以降速降压的方法来实现节能，只有在U/F控制下有效果。3）选用通用变频器，不要选用风机、水泵的2次方减转矩的变频器。
②频率范围。上限频率：一般不要超过额定频率即工频50Hz；下限频率：一般不宜低于额定频率的80%即40Hz；原因是过低转速时，转速的稳定性变差，易造成压力的波动；对生产率有较大的影响，不一定能满足需要的气量或流量；同时，转速过低，影响润滑，易造成缸体过热，加速磨损。
③转矩补偿：由于工作频率不会很低，所以补偿转矩不必太大，只要满足启动、加速等的要求即可。
④升降时间：由于压缩机不经常启动，所以升降速时间可适当延长一点，以免“过电流”或“过电压”的跳闸。
⑤升降方式：可以用直线方式，若有半S形最适宜。
⑥节能运行一定要选用U/F控制线特性的运行方式。
3 使用变频器控制空气压缩机的优点
3.1 气压波动小：因为变频器具备无级调速的特点，变频螺杆空气压缩机可以通过控制器或变频器内部的PID调节器快速有效的调控压力；把它与工频运行的上下限开关控制相对比可以看出，它的气压稳定性成指数级比较高。
3.2 节省能源，降低成本：各厂家采取了不同的节能运行模式的螺杆空气压缩机，但由于变频器是根据实际用气量实时调整电机转速的，用气量低的时候还可以让空气压缩机自动休眠，节省了能源。
3.3 启动无冲击：变频器本身是一个软启动装置，启动电流最大在额定电流的两倍左右，与工频启动相比，启动冲击很小。这种冲击使得电网和整个机械系统的冲击大大减少。
3.4 噪音低：稳定运行时，运行频率小于工频，机械噪音下降，机械磨损小。
3.5 降低机械转速，减少机械冲击与磨损，延长设备寿命，减少设备维护工作量及开支。
3.6 变频器的保护功能。保护功能可分为以下两类：
①检知异常状态后自动地进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。
②检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号，使电机自动停车。
4 结束语
使用变频器改造空气压缩机，达到了生产装置所需的供风量和供风压力，基本取消了因机械引起的加减载工作，减少了岗位工人的劳动强度，并节约了一定的能源，技术成熟，优点较多，实现了空气压缩机设备的有效利用，同时也降低了设备的维修费用。因此说变频调速技术是具有广阔发展前景的现代技术。
参考文献：
[1]朱国孙.南玻电子空气压缩机变频器改造方案[J].电气自动化，2007，6.
[2]陶权,吴尚庆.变频器应用技术[M]．华南理工大学出版社，2007，8.
[3]汪晓光.变频器的维护[M]．机械工业出版社，2001.