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摘要：空气压缩机是工业生产车间最常见的一种动力能源设备之一，传统的空气压缩机内置的驱动电机只有满载和卸载两种运行方式，卸载状态设备仍然消耗 50%的电能但做却是在做无用功，电能浪费很大。采用变频器-PLC 组成的电气控制系统对传统空气压缩机进行技术升级，通过用气量、气压信息自动调节电机输出功率，消除空转浪费实现节能，收益相当可观。
关键词：空气压缩机;变频;PLC;节能
中图分类号：G4 文献标识码：A
一、引言
空气压缩机是煤矿主要的机电设备之一，煤矿中很多机械以及用具都是由压缩空气驱动的 ， 如井下工作面的气动凿岩机、风钻、气动装岩机、风镐 ， 地面上使用的空气锤等。空气压缩机就是提供压缩空气的重要设备。在煤矿井下，空气中含有瓦斯，遇到电火花容易引起瓦斯爆炸，所以使用以压缩空气为动力的设备，更加安全可靠，另外，风镐、风钻及凿岩机要求往复速度高、冲击力强，最适合使用压缩空氣作为动力。
二、空气压缩机变频控制系统节能工作原理
（一）空气压缩机变频控制系统功能
1.1.1 智能控制功能
（1）设置切换功能。一台变频器可以选择控制两台空气压缩机中的任意一台;当一台空气压缩机处于变频控制状态时，另一台空气压缩机则处于工频控制状态;
（2）自动停机功能。系统自动判断生产需求，当单台空气压缩机工作就能满足生产需要时，自动停止工频运行的空气压缩机，只保留变频空气压缩机自动节能控制;
（3）自动无级调整功能。可根据用气需求实现无级自动控制输出功率;
（4）数字化工作模式。人机介面触摸式显示屏，数字压力、频率范围设定，在线压力显示、运行状态显示。
1.1.2 节能功能
可编程控制器 PLC 可跟据生产用气量通过变频器自动调整电机转速，保证气泵输出的每一份功率都成为有用功，实现电能时刻处于有用功的工作状态，达到了最好的节能较果
1.1.3 提高系统稳定性
由于电机不用处于长时间全速工作状态，有效的降低了磨损，延长了空压机的使用寿命。
1.1.4 变频工频转换功能
当变频设备需要维护时可通过转换开关实现变频 / 工频转换，恢复原系统工频控制方式，保证正常生产需要。
图 2 所示为空气压缩机变频控制系统节能工作原理，为实现系统控制，空气压缩机控制系统（PLC）自动监测储罐实际压力（过程反馈），储罐实际压力（过程反馈）与设定压力（目标压力）相比较，当储罐实际压力大于设定压力时，说明此时用户用气量小，PLC经过PID运算后输出一模拟信号指挥变频器降低频率，降低电机转速;当储罐实际压力小于设定压力时，说明此时用户用气量大，PLC经过PID运算后输出一模拟信号指挥变频器提高频率，提高电机转速，从而达到变频调速节能的目的。
（二）系统主电路（强电）接线图
系统采用的变频器使用矢量闭环控制方式。图 3中 PLC 为可编程控制器，VFD 为变频器，M 为空气压缩机电机，人机界面为触摸式显示屏，KM 为接触器，QF为断路器。电源电压经断路器送往变频器。当设置为工频运行时，PLC 通过控制S、M、D的接通/断开使电机实现工频运行;当设置为变频运行时，PLC通过控制KM1、KM2、KM3、KM4 接触器接通/断开使电机实现变频运行。
（三）PLC（弱电）接线图
PLC 与触摸式显示屏连接使用 RS232 模块通讯，与变频器连接使用 RS485 模块通讯。通过模拟量输入接口采集两台空气压缩机各自出气口的气压，同时通过模拟量输出接口控制变频器的转速。X0-X37 为数字量（DI）输入地址，主要用于收集空气机运行状态的反馈;Y0-Y37 为数字量（DO）输出地址，主要用于远程控制空气压缩机的启停和声光报警。接线示意图如图 4 所示。
三、空气压缩机变频节能的改造
（一）空气压缩机变频技术的应用
螺杆式空气压缩机运行方式是加载和减载方式交替进行，加载时向管网内打风，减载时电机空载运行，所以在减载的时候电量都被浪费了。电动机的转速本身是不能改变的，只有通过改变电动机的频率来调节运行转速。变频控制就是通过改变电动机输入电源的频率来改变电动机的转速，控制空气压缩机单位时间的出风量，达到控制管路的压力的目的。某煤矿首先引进了变频技术，压缩机组的供气量与系统所需风量动态匹配，根据系统用气量来调节压缩机电机转速，避免了电动机空载运行以及频繁的加卸载所带来的能量损耗和对电网的冲击，使电机的输入功率大大降低。
（二）空气压缩机变频节能的原理
近几年来变频调速技术迅速发展，并在许多领域中都发挥了重要的作用。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
空气压缩机的变频节能原理是通过测量装置测得的管网压力值与设定的压力（即给定值）相比较，得到偏差，经 PID 调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出相应频率和幅值的交流电，以此来调节电动机的转速，使空气压缩机输出至储罐的压缩空气的气量随之变化，这样就会使管网内的压力产生变化，直到管网压力与给定压力值相同。空气压缩机变频节能系统原理如图5所示。
结语
空气压缩机变频节能控制系统具有良好的可靠性和智能化，节能效果十分显著。经测量数据分析，高产期单产能耗可以下降 30%，低产期单产能耗甚至可以下降 50%;故障率明显下降，未出现烧损元器件的情况。该系统可以根据用户的实际需要进行扩展，灵活使用。随着技术的日臻成熟和制造成本的逐步下降，变频控制系统将会是空气压缩机生产制造的标准配置。
参考文献
[1]张宇. 空气压缩机变频节能的研究与应用[J]. 矿业装备，2021（01）：142-143.
[2]张杰. 变频节能技术在煤矿机电设备中的应用[J]. 当代化工研究，2021（11）：133-134.
关键词：空气压缩机;变频;PLC;节能
中图分类号：G4 文献标识码：A
一、引言
空气压缩机是煤矿主要的机电设备之一，煤矿中很多机械以及用具都是由压缩空气驱动的 ， 如井下工作面的气动凿岩机、风钻、气动装岩机、风镐 ， 地面上使用的空气锤等。空气压缩机就是提供压缩空气的重要设备。在煤矿井下，空气中含有瓦斯，遇到电火花容易引起瓦斯爆炸，所以使用以压缩空气为动力的设备，更加安全可靠，另外，风镐、风钻及凿岩机要求往复速度高、冲击力强，最适合使用压缩空氣作为动力。
二、空气压缩机变频控制系统节能工作原理
（一）空气压缩机变频控制系统功能
1.1.1 智能控制功能
（1）设置切换功能。一台变频器可以选择控制两台空气压缩机中的任意一台;当一台空气压缩机处于变频控制状态时，另一台空气压缩机则处于工频控制状态;
（2）自动停机功能。系统自动判断生产需求，当单台空气压缩机工作就能满足生产需要时，自动停止工频运行的空气压缩机，只保留变频空气压缩机自动节能控制;
（3）自动无级调整功能。可根据用气需求实现无级自动控制输出功率;
（4）数字化工作模式。人机介面触摸式显示屏，数字压力、频率范围设定，在线压力显示、运行状态显示。
1.1.2 节能功能
可编程控制器 PLC 可跟据生产用气量通过变频器自动调整电机转速，保证气泵输出的每一份功率都成为有用功，实现电能时刻处于有用功的工作状态，达到了最好的节能较果
1.1.3 提高系统稳定性
由于电机不用处于长时间全速工作状态，有效的降低了磨损，延长了空压机的使用寿命。
1.1.4 变频工频转换功能
当变频设备需要维护时可通过转换开关实现变频 / 工频转换，恢复原系统工频控制方式，保证正常生产需要。
图 2 所示为空气压缩机变频控制系统节能工作原理，为实现系统控制，空气压缩机控制系统（PLC）自动监测储罐实际压力（过程反馈），储罐实际压力（过程反馈）与设定压力（目标压力）相比较，当储罐实际压力大于设定压力时，说明此时用户用气量小，PLC经过PID运算后输出一模拟信号指挥变频器降低频率，降低电机转速;当储罐实际压力小于设定压力时，说明此时用户用气量大，PLC经过PID运算后输出一模拟信号指挥变频器提高频率，提高电机转速，从而达到变频调速节能的目的。
（二）系统主电路（强电）接线图
系统采用的变频器使用矢量闭环控制方式。图 3中 PLC 为可编程控制器，VFD 为变频器，M 为空气压缩机电机，人机界面为触摸式显示屏，KM 为接触器，QF为断路器。电源电压经断路器送往变频器。当设置为工频运行时，PLC 通过控制S、M、D的接通/断开使电机实现工频运行;当设置为变频运行时，PLC通过控制KM1、KM2、KM3、KM4 接触器接通/断开使电机实现变频运行。
（三）PLC（弱电）接线图
PLC 与触摸式显示屏连接使用 RS232 模块通讯，与变频器连接使用 RS485 模块通讯。通过模拟量输入接口采集两台空气压缩机各自出气口的气压，同时通过模拟量输出接口控制变频器的转速。X0-X37 为数字量（DI）输入地址，主要用于收集空气机运行状态的反馈;Y0-Y37 为数字量（DO）输出地址，主要用于远程控制空气压缩机的启停和声光报警。接线示意图如图 4 所示。
三、空气压缩机变频节能的改造
（一）空气压缩机变频技术的应用
螺杆式空气压缩机运行方式是加载和减载方式交替进行，加载时向管网内打风，减载时电机空载运行，所以在减载的时候电量都被浪费了。电动机的转速本身是不能改变的，只有通过改变电动机的频率来调节运行转速。变频控制就是通过改变电动机输入电源的频率来改变电动机的转速，控制空气压缩机单位时间的出风量，达到控制管路的压力的目的。某煤矿首先引进了变频技术，压缩机组的供气量与系统所需风量动态匹配，根据系统用气量来调节压缩机电机转速，避免了电动机空载运行以及频繁的加卸载所带来的能量损耗和对电网的冲击，使电机的输入功率大大降低。
（二）空气压缩机变频节能的原理
近几年来变频调速技术迅速发展，并在许多领域中都发挥了重要的作用。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
空气压缩机的变频节能原理是通过测量装置测得的管网压力值与设定的压力（即给定值）相比较，得到偏差，经 PID 调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出相应频率和幅值的交流电，以此来调节电动机的转速，使空气压缩机输出至储罐的压缩空气的气量随之变化，这样就会使管网内的压力产生变化，直到管网压力与给定压力值相同。空气压缩机变频节能系统原理如图5所示。
结语
空气压缩机变频节能控制系统具有良好的可靠性和智能化，节能效果十分显著。经测量数据分析，高产期单产能耗可以下降 30%，低产期单产能耗甚至可以下降 50%;故障率明显下降，未出现烧损元器件的情况。该系统可以根据用户的实际需要进行扩展，灵活使用。随着技术的日臻成熟和制造成本的逐步下降，变频控制系统将会是空气压缩机生产制造的标准配置。
参考文献
[1]张宇. 空气压缩机变频节能的研究与应用[J]. 矿业装备，2021（01）：142-143.
[2]张杰. 变频节能技术在煤矿机电设备中的应用[J]. 当代化工研究，2021（11）：133-134.