英威腾CHE100系列变频器在空压机系统变频改造中的应用
【摘 要】本文主要描述CHE100在空压机系统变频改造中的应用。详细介绍空压机专用控制器的原理、与变频器的交互及应用。
【关键词】变频、Modbus、空压机
Abstract：This paper describes CHE100 in compressor inverter system application. Then the principle of compressor with the special controller, application and interactions with frequency converter are introduced in detail.
Keywords：frequency conversion 、Modbus、compressor
一、引言
空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。空压机占大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)耗电量的15%。由于结构原理的原因，大部分空压机自身存在着明显的技术弱点。当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，严重浪费能源;异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命，压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大;工作条件恶劣，噪音大;自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低。
二 工作原理
2.1 原工作方式
螺杆式空压机工作原理
螺杆式空压机是由一对相互平行啮合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽和阳转子的齿被主电机驱动而旋转。
螺杆式空压机是由一对相互平行啮合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽和阳转子的齿被主电机驱动而旋转。
活塞式空压机工作原理
活塞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，完成吸入、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的工作腔，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的压缩。
活塞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，完成吸入、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的工作腔，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的压缩。
空压机主电机运行方式为星-角降压起动后全压运行，供气系统具体工作流程为：当按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压n秒（由时间继电器控制）后空压机开始加载运行，系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力降到压力开关下限值后，即回跳压力下，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，压缩机满载运行。
卸载和加载易导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力延长压缩机的使用寿命。空压机的有些调节方式（如调节阀门或调节卸载等方式）即使在需要流量较小的情况下，由于电机转速不变，电机功率下降幅度比较小。
能耗分析：
加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。Pmin是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示:
Pmax＝(1＋δ)Pmin
δ是一个百分数，其数值大致在15%～30%之间。
在加、卸载供气控制方式下的空压机，所浪费的能量主要在2个部分:
(1) 加载时的电能消耗
在压力达到最小值后，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的热量，从而导致电能损失。另一方面，高于压力最大值的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压,这一过程同样是一个耗能过程。
(2) 卸载时电能的消耗
当压力达到压力最大值时，空压机通过如下方法来降压卸载: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。这种调节方法要造成很大的能量浪费。据我们测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%～25%(这还是在卸载时间所占比例不大的情况下)。换言之，该空压机20%的时间处于空载状态，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的节能空间。
其它不足之处
(1)靠机械方式调节进气阀，使供气量无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力不可避免地产生较大幅度的波动。用气精度达不到工艺要求。再加上频繁调节进气阀，会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。
(2) 频繁采用打开和关闭放气阀，放气阀的耐用性得不到保障。
2.2 变频工作方式
转速控制，即通过改变空压机的转速来调节流量，而阀门的开度保持不变（一般保持最大开度）。当空压机转速改变时，供气系统的扬程特性随之改变，而管阻特性不变。
在这种控制方式下，通过变频调速技术改变空压机电机的转速，空压机的供气流量可随着用气流量的改变而改变，达到真正的供需平衡，在节能的同时，也可使整个系统达到最佳工作效率。变频器基于交一直一交电源变换原理，可根据控制对象的需要输出频率连续可调的交流电压。电动机转速与电源频率成正比，因此，用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电动机的电源电压，可方便地改变空压机的转速。
2.3恒压供气原理
流量是供气系统的基本控制对象，供气流量需要随时满足用气流量。在供气系统中，储气管中的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系：
若 供气流量 > 用气流量 → 储气管气压上升
若 供气流量 < 用气流量 → 储气管气压下降
若 供气流量 = 用气流量 → 储气管气压不变
所以,保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气能力恰好满足用气需求，这就是恒压供气系统所要达到的目的。
变频调速系统将管网压力作为控制对象，装在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给控制器内部的PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和逆变频率，调整电动机的转速，从而使实际压力始终维持在给定压力。另外，采用该方案后，空气压缩机电动机从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了启动时的大电流和启动给空气压缩机带来的机械冲击。正常情况下，空气压缩机在变频器调速控制方式下工作。变频器一旦出现故障，生产工艺不允许空气压缩机停机，因此，系统设置了工频与变频切换功能，这样当变频器出现故障时，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机照常工作。
整个控制过程如下：
用气需求↑ —— 管路气压↓—— 压力设定值与返馈值的差值↑ —— PID输出↑ —— 变频器输出频率↑ —— 空压机电机转速↑ —— 供气流量↑—— 管路气压趋于稳定。
特别注意，在压力容差范围内，控制器的PID不调节，即保持输出频率不变。
以CHE100-075G/090P-4在上海某公司空压机系统改造应用为例
三 方案配置
根据以往其他工程经验，在空压机变频改造系统中应注意一下几点：
1)空压机是大转动惯量负载，这种启动特点就很容易引起V/F控制方式的变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议选用具有高启动转矩的无速度传感器矢量变频器（CHE100系列），保证即能实现恒压供气连续性，又保证设备可靠稳定的运行；
2)空压机不允许长时间在低频下运行，当空压机的转速过低，一方面将使空压机的工作稳定性变差，另一方面也使缸体的润滑变差，会加快磨损。所以工作的下限频率应不低于20Hz；
3)为了有效滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减小因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减小电机运行噪音和温升，提高电动机的稳定性。
2)空压机不允许长时间在低频下运行，当空压机的转速过低，一方面将使空压机的工作稳定性变差，另一方面也使缸体的润滑变差，会加快磨损。所以工作的下限频率应不低于20Hz；
3)为了有效滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减小因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减小电机运行噪音和温升，提高电动机的稳定性。
该空压系统中空压机电机为55KW。根据现场的工况为其配置“工/变兼容带专用控制器驱动方案”。
变频器选用具有高启动转矩的CHE100系列矢量变频器，具体型号为CHE100-075G/090P-4。风机由CHF100通用型变频器驱动即可。
此方案适用于对控制系统精度及可靠性要求较高的应用场合。主机及主机风机均采用工变频兼容双冗余回路。正常工作模式下均为变频运行，检修及变频回路故障时，切换为工频运行，同时控制模式改变。
专用控制器内置多种控制逻辑，可驱动不同开关状态组合，用户可根据需要选择开关组合以驱动不同控制模式。且控制逻辑组态化，一键即改。
（1）主机变频驱动：控制器PID运算调节部分对压力传感器反馈信号进行采样，与设定压力值进行PID运算输出调节信号调节主变频器的输出频率。切换为工频驱动方式后，控制器将通过开启或关闭进气阀来进行排气压力的调节。
（2）风机的驱动也可选择变频方式或工频方式
若风机采用变频控制方式，则控制器采样机头温度传感器反馈信号，并与设定温度值进行PID运算输出调节信号调节风机变频器输出频率连续无级调节风机转速，以使压缩机头的温度能够准确的维持在设定的温度点，让空压机的润滑油保持最佳效果。
若设置为风机开关方式控制，则控制器根据采样的排气温度值，确定相关开关状态开启或关闭风扇电机，使排气温度保持在设定的温度范围以内。
四 专用控制器概述
空压机专用控制器针对空压机应用专门研制，具备多种灵活控制模式，可实时监控多种空压机运行数据，提供保护预警功能，提供维护保养提醒功能。端子功能定义如下：
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标号
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定义
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备注
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PT1+,PT1-
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主电机
温度传感器输入
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实时检测主机温度，作为风机的PID调节信号，同时为主机温度保护提供反馈数据。
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I1+
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主机R相电流传感器输入
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I1+需与V1+短接，输入侧加装相电流互感器。
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I2+
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主机T相电流传感器输入
|
I2+需与V2+短接，输入侧加装相电流互感器。
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|
V3+,V34-
|
ST相电压传感器输入
|
输入侧加装相电压互感器。
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V4+,V34-
|
压力传感器输入
|
主机压力PID调节输入
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P24V
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——
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24V辅助电源
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X0
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压力开关输入
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常开
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X1
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空滤信号输入
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常开
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X2
|
油滤信号输入
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常开
|
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X3
|
油细信号输入
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常开
|
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X4
|
急停信号
|
常闭
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COM
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公共端
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——
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|
Y0
|
KM1辅助触点
|
常开
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|
Y1
|
KM2辅助触点
|
常开
|
|
Y2
|
KM3辅助触点
|
常开
|
|
Y3
|
KM4辅助触点
|
常开
|
|
Y4
|
KM5辅助触点
|
常开
|
|
Y5
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KM6辅助触点
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常开
|
|
Y6
|
KM7辅助触点
|
常开
|
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COM0
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公共端0
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Y0~Y1的公共端
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|
COM1
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公共端1
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Y2~Y4的公共端
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|
COM2
|
公共端2
|
Y5~Y7的公共端
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RS485
(+ \-)
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485接线端子
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通讯用RS485端子，支持Modbus通讯协议
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空压机控制器按照螺杆式空压机的控制工艺要求进行设计，配备了中英文显示的液晶屏，用户界面直观易懂，实现螺杆式空压机的所需的各项功能：
●具有交流电源的电压与相序检测功能，防止电机反转，可设置欠压保护功能；
●PID恒压控制，输出压力稳定；
●内置多种变频驱动与工频驱动的组合控制方案，用户可根据现场需要求配置变频与否、工/变切换与否，通过外部设置开关即可切换驱动模式，提高了空压机系统的工作可靠性；
●过温预警、过温停机保护功能；
●具有交流电源的电压与相序检测功能，防止电机反转，可设置欠压保护功能；
●PID恒压控制，输出压力稳定；
●内置多种变频驱动与工频驱动的组合控制方案，用户可根据现场需要求配置变频与否、工/变切换与否，通过外部设置开关即可切换驱动模式，提高了空压机系统的工作可靠性；
●过温预警、过温停机保护功能；
●过（气）压保护，保证用户输气管网设备的安全；
●轻载启动，散热后停机的智能控制，紧急停机时立即关闭所有控制输出；
●温度与压力传感器故障检测，及时保护和告警；
●可检测显示主电机、风机的工作电流，可分别设置电机过载、断相保护；
●可检测多种堵塞信号，并预报警；
●温度与压力传感器故障检测，及时保护和告警；
●可检测显示主电机、风机的工作电流，可分别设置电机过载、断相保护；
●可检测多种堵塞信号，并预报警；
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故障情况
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状态显示
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空压机状态
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空滤堵塞
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空气滤清器堵塞
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报警不停机
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空滤使用时间到
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空滤器剩余使用时间
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报警不停机
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油滤堵塞
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油过滤器堵塞
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报警不停机
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油滤使用时间到
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油过滤器剩余使用时间
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报警不停机
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油细堵塞
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油细分离器堵塞
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报警不停机
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|
油细使用时间到
|
油细分离器剩余使用时间
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报警不停机
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润滑脂使用时间到
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电机轴承需注油
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报警不停机
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排气温度高于报警值
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排气高温报警
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报警不停机
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排气温度高于停机值
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排气高温停机
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报警并停机
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排气温度低于极限值
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温度过低
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报警并停机
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排气压力高于极限值
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压力过高停机
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报警并停机
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温度传感器断线
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温度传感器断线
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报警并停机
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压力传感器断线
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压力传感器断线
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报警并停机
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电机过载
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主电机过载停机
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报警停机
开机需要延时
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风机过载
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风机过载停机
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报警并停机
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相序错误,缺相
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相序错误停机
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报警并停机
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●提供两种联控方式；联控机组顺序启动、卸载、轮换时间可调。
●显示界面结构简洁易懂，菜单分级显示，操作简单，无需特别学习和记忆；
●通过提供后台监控后台软件，可实现上位PC机的远程监控；
●耗气少的条件下具有自动休眠功能，有利于节能，降低设备磨损；
●提供了内置中/英文双语言显示功能，并可在线切换；
●空压机运行参数和状态的直观浏览；
●具有实时万年历功能；
●通过提供后台监控后台软件，可实现上位PC机的远程监控；
●耗气少的条件下具有自动休眠功能，有利于节能，降低设备磨损；
●提供了内置中/英文双语言显示功能，并可在线切换；
●空压机运行参数和状态的直观浏览；
●具有实时万年历功能；
●可根据各项保养计划，提前100小时开始相应的保养提醒；
●故障记录可查询并具有时间标识；
●故障记录可查询并具有时间标识；
●与CHE变频器的无缝连接，无需人工设置变频器的功能参数；
●提供了多级密码保护功能，参数设置按显示页面分级设定，防止非授权的操作，并提供备用万能密码。
●提供了多级密码保护功能，参数设置按显示页面分级设定，防止非授权的操作，并提供备用万能密码。
结束语
经过变频改造，该空压机系统运行稳定，系统整体节能率为31.8%。总之，变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，其应用已经渗透到各行业的各个技术部门。在空压机行业应用中可能会出现了许多问题，这些都待于进步解决。所以只有充分考虑实际工况需求，不断优化解决方案，才能促进变频技术在空压机设备中的应用。
参考文献
[1] 深圳英威腾电气股份有限公司.《INVT应用案例第二辑》.[M],2009
[2] 深圳英威腾电气股份有限公司.《CHE100矢量变频器说明书》.[M], 2009