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空氣壓縮機在工礦企業(yè)生產中有著廣泛的應用。它擔負著為各種氣動元件和氣動設備提供氣源的重任。因此空氣壓縮機運行的狀況直接影響著生產工藝和產品質量。
一 、空壓機變頻調速機理
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備，屬于恒轉矩負載，其運行功率與轉速成正比：
PL=TLnL/9550
式中，PL為空壓機的功率；TL為空壓機的轉矩；nL為空壓機的轉速。所以單就運行功率而言，采用變頻調速控制其節(jié)能效果遠不如風機泵類二次方負載顯著，但空壓機大多處于長時間連續(xù)運行狀態(tài)，傳統(tǒng)的運行方式為進氣閥開、關控制方式，即壓力達到上限時關閥，空壓機進入輕載運行；壓力達到下限時開閥，空壓機進入滿載運行。這種頻繁地進行加減負荷的過程，不僅使供氣壓力波動，而且使空氣壓縮機的負荷狀態(tài)頻繁地變換。由于設計時壓縮機不能排除在滿負荷狀態(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)定性對產品質量的影響是很大的，通常生產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為設定的最高壓力值。一般情況下，Pmin、Pmax之間的關系可以用下式表示：
Pmax=（1+t）Pmin
式中，t的數(shù)值大致在10﹪～25﹪之間變化。若采用變頻調速技術連續(xù)調節(jié)供氣量，則可將管網壓力始終維持在設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
當儲氣罐中空氣壓力達到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的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過減壓閥減壓至接近Pmin。這同樣是一個耗能過程。
3） 卸載時調節(jié)方法不合理所消耗的能量
通常情況下，當壓力達到Pmax時，空壓機通過如下方法來降壓卸載：關閉進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運動，據測算，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，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） 靠機械方式調節(jié)進氣閥，使供氣量無法連續(xù)調節(jié)，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動，從而使供氣壓力精度達不到工藝要求，就會影響產品質量甚至造成廢品。再加上頻繁調節(jié)進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。
2） 頻繁地打開和關閉放氣閥，會導致放氣閥的壽命大大縮短。
三、空壓機變頻調速控制方式的設計
1、空壓機變頻調速系統(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品。變頻器可根據控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調的交流電壓。
由電動機知識知道，電動機轉速與電源頻率成正比：
n=60f(1－s)／p
式中，n為轉速；f為輸入交流電源頻率；s為電機轉差率；p為電機磁極對數(shù)。因此，用變頻器輸出頻率可調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速�？諌簷C采用變頻調速技術進行恒壓供氣控制時，系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。
圖3-1 系統(tǒng)原理框圖
變頻調速系統(tǒng)將管網壓力作為控制對象，壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內部的PID調節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和頻率，調整電機轉速，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
由于空壓機是恒轉矩負載，故變頻器應選用通用型的，如四方E380系列機型。又因為空壓機的轉速也不允許超過額定值，電機不會過載，一般變頻器出廠標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、空壓機變頻調速系統(tǒng)電路原理圖
空壓機變頻調速系統(tǒng)電路原理圖如圖3-2所示。
圖3-2 空壓機變頻調速系統(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：為便于對空壓機進行“變頻運行”和“工頻運行”的切換，控制電路采用三位開關SA進行選擇。當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，進而使接觸器KM3動作，電機進入工頻運行狀。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，電機進入工頻運行狀態(tài)。操作人員發(fā)現(xiàn)報警后，應及時將選擇開關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)進行檢修。
6、壓力變送器選用與連接
根據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的電流計算出當供氣壓力為0．6MPa時變送器的輸出電流
0．6／（I－4）＝1／（20－4）得I＝13．6mA
再根據最小、最大給定量對應的反饋量計算出當反饋電流為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置
使用前對變頻器做以下功能預置：
1）上限頻率 由于空壓機的轉速一般不允許超過額定值，故
fH≤fN
式中，fH為設置上限頻率，（F2．9） fN為額定頻率。
2）下限頻率 空壓機采用變頻調速后，其下限頻率的預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行預置（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，可設置為線性方式。
5）調試過程中需要注意的問題:
空壓機電機經過變頻器改造后，轉速降低，其風扇的散熱效果也降低，空壓機的轉速越低，潤滑油的耗量也就越小。在滿足生產工藝的要求下，壓力設定越低，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。詳細參數(shù)預置如下：
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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%。通過變頻技術改造后能源成本降低20%，再加上變頻起動后對設備的沖擊減少，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�？梢娡顿Y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速的改變而改變。由于變頻控制使電機的轉速精度提高，所以它可以使管網的系統(tǒng)壓力保持恒定，有效地提高了產品質量。
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和其他設備的用電，變頻起動能有效地將起動電流的峰值減少到最低程度）。根據空壓機的工作狀況要求，變頻調速改造后，電機轉速明顯減慢，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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