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空氣壓縮機在工礦企業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。它擔(dān)負(fù)著為各種氣動元件和氣動設(shè)備提供氣源的重任。因此空氣壓縮機運行的狀況直接影響著生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。
一 、空壓機變頻調(diào)速機理
空壓機是一種把空氣壓入儲氣罐中，使其保持一定壓力的機械設(shè)備，屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其運行功率與轉(zhuǎn)速成正比：
PL=TLnL/9550
式中，PL為空壓機的功率；TL為空壓機的轉(zhuǎn)矩；nL為空壓機的轉(zhuǎn)速。所以單就運行功率而言，采用變頻調(diào)速控制其節(jié)能效果遠(yuǎn)不如風(fēng)機泵類二次方負(fù)載顯著，但空壓機大多處于長時間連續(xù)運行狀態(tài)，傳統(tǒng)的運行方式為進(jìn)氣閥開、關(guān)控制方式，即壓力達(dá)到上限時關(guān)閥，空壓機進(jìn)入輕載運行；壓力達(dá)到下限時開閥，空壓機進(jìn)入滿載運行。這種頻繁地進(jìn)行加減負(fù)荷的過程，不僅使供氣壓力波動，而且使空氣壓縮機的負(fù)荷狀態(tài)頻繁地變換。由于設(shè)計時壓縮機不能排除在滿負(fù)荷狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以只能按照最大需求來選擇電機的容量，故選擇的電機容量一般較大。在實際運行中，輕載運行的時間往往所占的比例是非常高的，這就造成了巨大的能源浪費。
值得指出的是，供氣壓力的穩(wěn)定性對產(chǎn)品質(zhì)量的影響是很大的，通常生產(chǎn)工藝對供氣壓力有一定的要求，若供氣壓力偏低，則不能滿足工藝要求，就可能出現(xiàn)廢品。所以為了避免氣壓不足，一般供氣壓力要求值要偏高些，但這樣會使供氣成本高、能耗大，同時也會產(chǎn)生一定的不穩(wěn)定因素。
二 、空壓機加、卸載供氣控制方式存在的問題
1、空壓機加、卸載供氣控制方式的能量浪費
空壓機加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在設(shè)定值Pmin~Pmax間來回變化。其中，Pmin為能夠保證用戶正常工作的最低壓力值；Pmax為設(shè)定的最高壓力值。一般情況下，Pmin、Pmax之間的關(guān)系可以用下式表示：
Pmax=（1+t）Pmin
式中，t的數(shù)值大致在10﹪～25﹪之間變化。若采用變頻調(diào)速技術(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，則可將管網(wǎng)壓力始終維持在設(shè)定供氣的工作壓力上，即等于Pmin的數(shù)值。由此可見，加卸載供氣控制方式浪費的能量主要在三個部分：
1） 壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量
當(dāng)儲氣罐中空氣壓力達(dá)到Pmin后，加、卸載供氣控制方式還要使其壓力繼續(xù)上升，直到Pmax。這一過程中需要電源提供壓縮機能量，從而導(dǎo)致能量損失。
2） 減壓閥減壓消耗的能量
氣動元件的額定氣壓在Pmin左右，高于Pmin的氣體在進(jìn)入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓至接近Pmin。這同樣是一個耗能過程。
3） 卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量
通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到Pmax時，空壓機通過如下方法來降壓卸載：關(guān)閉進(jìn)氣閥使空壓機不需要再壓縮氣體做功，但空壓機的電動機還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運動，據(jù)測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10﹪～15﹪，在卸載時間段內(nèi)，空壓機在做無用功，白白地消耗能量。同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空，這種調(diào)節(jié)方式也要造成很大的能源浪費。
2、加、卸載供氣控制方式的其他損失
1） 靠機械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動，從而使供氣壓力精度達(dá)不到工藝要求，就會影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至造成廢品。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，會加速進(jìn)氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。
2） 頻繁地打開和關(guān)閉放氣閥，會導(dǎo)致放氣閥的壽命大大縮短。
三、空壓機變頻調(diào)速控制方式的設(shè)計
1、空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)概述
變頻器是基于交－直－交電源變換原理，集電力電子和微計算機控制于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。變頻器可根據(jù)控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。
由電動機知識知道，電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比：
n=60f(1－s)／p
式中，n為轉(zhuǎn)速；f為輸入交流電源頻率；s為電機轉(zhuǎn)差率；p為電機磁極對數(shù)。因此，用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空壓機電動機的電源電壓，就可以方便地改變空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速�？諌簷C采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時，系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。
圖3-1 系統(tǒng)原理框圖
變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和頻率，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟起動，避免了起動時的大電流和起動給空壓機帶來的機械沖擊。
2、變頻器的選擇
由于空壓機是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，故變頻器應(yīng)選用通用型的，如四方E380系列機型。又因為空壓機的轉(zhuǎn)速也不允許超過額定值，電機不會過載，一般變頻器出廠標(biāo)注的額定容量都有一定的裕量安全系數(shù)，所以選擇變頻器容量與所驅(qū)動的電機容量相同即可。
3、變頻器的運行控制方式選擇
由于空壓機的運轉(zhuǎn)速度不宜太低，對機械特性的硬度沒什么要求，故可采用U／f控制方式。
4、空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖
空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖3-2所示。
圖3-2 空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖
5、控制原理說明：
控制器件說明：SB1: 停止按鈕 SB2： 啟動按鈕
SB3: 變頻停機按鈕 SB4： 變頻啟動按鈕
SA： 工變頻三位切換按鈕 KM3: 電網(wǎng)接入接觸器
KM1: 變頻電源接入接觸器 KM2: 變頻器輸出接觸器
操作過程敘述如下：為便于對空壓機進(jìn)行“變頻運行”和“工頻運行”的切換，控制電路采用三位開關(guān)SA進(jìn)行選擇。當(dāng)SA合至“工頻運行”位置時，按下起動按鈕SB2，中間繼電器KA1動作并自鎖，進(jìn)而使接觸器KM3動作，電機進(jìn)入工頻運行狀。按下停止按鈕SB1，中間繼電器KA1和接觸器KM3均斷電，電機停止運行。當(dāng)SA合至“變頻運行”位置時，按下起動按鈕SB2，中間繼電器KA1動作并自鎖，進(jìn)而使接觸器KM2動作，將電機接至變頻器的輸出端。接觸器KM2動作后使接觸器KM1也動作，將工頻電源接入變頻器的輸入端，并允許電機起動。同時使連接到接觸器KM3線圈控制電路中的接觸器KM2的常閉觸點斷開，確保接觸器KM3不能接通。按下SB4，中間繼電器KA2動作，電機開始加速，進(jìn)入“變頻運行”狀態(tài)。中間繼電器KA2動作后，停止按鈕SB1失去作用，以防止直接通過切斷變頻器電源使電機停機。在變頻運行過程中，如果變頻器檢測到故障，則變頻器的TA、TB觸點斷開，接觸器KM1和KM2線圈均斷電，其主觸點切斷了變頻器與電源之間，以及變頻器與電機之間的連接。同時TA、TC閉合，接通報警揚聲器HA和報警燈HL進(jìn)行聲光報警。同時，時間繼電器KT得電，其觸點延時一段時間后閉合，使KM3動作，電機進(jìn)入工頻運行狀態(tài)。操作人員發(fā)現(xiàn)報警后，應(yīng)及時將選擇開關(guān)SA旋至“工頻運行”位置，這時，聲光報警停止，并使時間繼電器斷電。這時便可以開始對變頻系統(tǒng)進(jìn)行檢修。
6、壓力變送器選用與連接
根據(jù)用戶要求若其要求的供氣壓力為0．6MPa，我們選擇的壓力變送器量程為0～1MPa，輸出4～20mA的模擬信號。壓力變送器的連接說明如下：
1） VS端與GND端為壓力變送器提供電源10VDC。（VS跳線在下兩個針腳）
2） 壓力反饋信號從CC端輸入。
PID給定值的計算：
先通過壓力變送器的量程及其對應(yīng)的電流計算出當(dāng)供氣壓力為0．6MPa時變送器的輸出電流
0．6／（I－4）＝1／（20－4）得I＝13．6mA
再根據(jù)最小、最大給定量對應(yīng)的反饋量計算出當(dāng)反饋電流為13．6 mA時的給定量V
（13．6－4）／V＝（20－4）／10得V＝6。
7、四方變頻器的功能預(yù)置
使用前對變頻器做以下功能預(yù)置：
1）上限頻率 由于空壓機的轉(zhuǎn)速一般不允許超過額定值，故
fH≤fN
式中，fH為設(shè)置上限頻率，（F2．9） fN為額定頻率。
2）下限頻率 空壓機采用變頻調(diào)速后，其下限頻率的預(yù)置要視壓縮機的機種的工況而定，一般來說，其范圍為
25Hz≤fL≤35Hz
3）加、減速時間 空壓機有時需要在儲氣罐已經(jīng)有一定壓力的情況下起動，這時通常要求快一點的加速，故加速時間盡可能縮短（以起動過程不因過流跳閘為原則）；減速時間可參照加速時間進(jìn)行預(yù)置（以制動過程不因過電壓而跳閘為原則）。
4）升、降速方式 空壓機對升降速方式無特殊要求，可設(shè)置為線性方式。
5）調(diào)試過程中需要注意的問題:
空壓機電機經(jīng)過變頻器改造后，轉(zhuǎn)速降低，其風(fēng)扇的散熱效果也降低，空壓機的轉(zhuǎn)速越低，潤滑油的耗量也就越小。在滿足生產(chǎn)工藝的要求下，壓力設(shè)定越低，電機耗電就越少，故綜合節(jié)能效果和空壓機的機械特性，把系統(tǒng)壓力設(shè)為0．6MPa運行，頻率上限為46Hz，把變頻器運行頻率下限定為27Hz，這樣既能滿足空壓機散熱和潤滑的需要，又能降低電能損耗。此外改造時注意使變頻后電機運行方向與原空壓機電機運行方向一致。詳細(xì)參數(shù)預(yù)置如下：
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F0．1=0 |
F0．4=0001 |
F0．5=0 |
F0．7=27 |
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F0．8=46 |
F0．10=25 |
F0．11=20 |
F0．15=0 |
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F1．0=0 |
F8．0=0021 |
F8．1=0200 |
F8．2=6 |
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F8．7=3 |
F8．8=20 |
F8．9=1 |
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四、空壓機變頻調(diào)速后的效益
1、節(jié)約能源使運行成本降低
空壓機的運行成本由三項組成：初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本大約占空壓機運行成本的80%。通過變頻技術(shù)改造后能源成本降低20%，再加上變頻起動后對設(shè)備的沖擊減少，維護和維修量也跟著降低，所以運行成本將大大降低。通過測算，使用變頻器前空壓機用電為55度／小時，使用變頻器后加載電流為107A，卸載電流為45A，因采用PID控制，頻率在27～46Hz，工作壓力在0．6MPa左右，空壓機用電量為38度／小時，每小時節(jié)電17度。按以下計算：每月節(jié)電量=17度×24小時×30天=12240度，若每度電按0．6元計算，則：每月節(jié)約電費=12240×0．6元／度=7344元。可見投資回報高，半年左右節(jié)約的電費就可以收回改造的投資。
2、提高壓力控制精度
變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力，能使空壓機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量匹配。變頻控制空壓機的輸出氣量隨著電機轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制使電機的轉(zhuǎn)速精度提高，所以它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力保持恒定，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
3、改善空壓機的運行性能
變頻器從0Hz起動空壓機，它的起動加速時間可以調(diào)整，從而減少起動時對空壓機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統(tǒng)的可靠性，使空壓機的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機組起動時的電流波動（這一波動電流會影響電網(wǎng)和其他設(shè)備的用電，變頻起動能有效地將起動電流的峰值減少到最低程度）。根據(jù)空壓機的工作狀況要求，變頻調(diào)速改造后，電機轉(zhuǎn)速明顯減慢，因此有效地降低了空壓機運行時的噪音�，F(xiàn)場測定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約3～7dB。
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