空壓機變頻節(jié)能改造新方法分析

王冠宇

（浙江省諸暨市盾安換熱器有限公司，浙江 諸暨 311800）

作為我國當(dāng)前機械制造及加工行業(yè)中不可或缺的重要設(shè)備，電動機能夠帶動相關(guān)機械設(shè)備工作[1]。由于技術(shù)發(fā)展所限，電動機基本上是以固定的速度進行拖動，在控制精度要求不高的情況下尚可滿足相關(guān)設(shè)備的需要，但近年來隨著工業(yè)智能化及自動化的快速發(fā)展，固定轉(zhuǎn)速拖動的方式以難以適應(yīng)當(dāng)前機械制造加工業(yè)的生產(chǎn)需要，因此，在實際生產(chǎn)就需要利用變頻調(diào)速來提高轉(zhuǎn)速控制的精度，所謂變頻調(diào)速技術(shù)，就是利用變頻器來驅(qū)動電機，即讓電機按照既定的程序或方式進行工作，從而實現(xiàn)速度的可調(diào)性。同時，對電機進行變頻調(diào)速改造還可以調(diào)整供氣量，使電機的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比關(guān)系，達到良好的節(jié)約電能的效果。本文對空壓機進行了變頻節(jié)能改造分析，提出了一種空壓機變頻節(jié)能改造新方法。

1 變頻改造的可行性分析

由流體力學(xué)的相關(guān)知識可知，縮機、風(fēng)機及泵類等設(shè)備都屬于變轉(zhuǎn)矩負載，其壓力、功率和流量滿足如下關(guān)系：流量和轉(zhuǎn)速是正比例關(guān)系，壓力和轉(zhuǎn)速的平方是正比例關(guān)系，軸功率和轉(zhuǎn)速的立方是正比例關(guān)系，因此，若電動機的轉(zhuǎn)速有所下降時，其軸功率將發(fā)生大幅度的下降，例如當(dāng)流量為加載流量的 75%時軸功率將下降到額定功率的 49%[2]。從上述原理中可以得到對空壓機進行變頻控制設(shè)計的思路，即將壓力傳感器安裝在空壓機的出口處，以此來獲得所需要的電流信號。若系統(tǒng)的用氣量減小，則此時將出現(xiàn)空壓機出口壓力升高的現(xiàn)象，壓力傳感器的阻值將降低，通過24V直流的電源就可以將壓力傳感器的阻值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流信號，從而增大了其對變頻器的輸入信號，最后通過與預(yù)先設(shè)定值進行比較后得到偏差來減小變頻器調(diào)節(jié)輸出電源的頻率，此時即可降低電動機和壓縮機的轉(zhuǎn)速，同時減小了排氣量。

當(dāng)系統(tǒng)的用氣量增大時，其整體壓力將逐漸降低，此時變頻器所輸出的電源頻率將逐漸升高，進而使得電動機的轉(zhuǎn)速和排氣量都增大，此時采用變頻器進行調(diào)速即可滿足系統(tǒng)的用氣要求，當(dāng)所調(diào)節(jié)的用氣量和供氣量保持平衡時，變頻器即會在該點穩(wěn)定運行，這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)的恒壓運行，同時能夠保證系統(tǒng)一直運行在最經(jīng)濟的狀態(tài)下。整個控制系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

2 變頻調(diào)速技術(shù)對空壓機改造的應(yīng)用

2.1 空壓機變頻控制改造的需求

通常空壓機所帶的負荷是非常大的，且其起動方式多為星形三角起動，當(dāng)起動完成后要迅速進行負載的裝載，這就使得空壓機的起動電流瞬間達到其額定運行電流的4～7倍，對電源造成嚴重的沖擊，加速設(shè)備的老化的同時影響正常生產(chǎn)，降低了相關(guān)設(shè)備的使用壽命[3]。由于普通的空壓機是無法進行調(diào)速的，因此無法對其使用壓力或流量來實現(xiàn)降速的目的，同時在正常運行的過程中空壓機也是無法進行頻繁起動的，這就使得空壓機需長期保持高損耗運行，造成了資源的嚴重浪費。

由于變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)電效果好，調(diào)速能力和適應(yīng)能力強，且平滑的變速性能和軟起動方式能夠降低起動和變速中對機械的沖擊，減小了設(shè)備的損耗，延長了設(shè)備的使用壽命。同時由于電機運行時頻率可以改變，在氣量較小的時候可以降低電機的速度，這就是實現(xiàn)了在不需要對空壓機進行加載和卸載的條件下完成了對空壓機輸出功率的調(diào)節(jié)，進而大幅提高了電機的運行功率，使氣壓供氣系統(tǒng)保持在一個相對穩(wěn)定的工況下運行，實現(xiàn)了節(jié)能的目標。

通過以上分析我們可以發(fā)現(xiàn)對空氣壓縮機進行變頻改造可以實現(xiàn)節(jié)約能源、降低運行成本，延長設(shè)備的使用壽命，提高控制的精度等特點，能夠從根本上改善空壓機的運行工況和成本。

2.2 空壓機的變頻調(diào)速改造要求

在對空壓機進行變頻改造時，應(yīng)保證儲氣罐出口壓力穩(wěn)定，其波動的范圍在生產(chǎn)要求范圍之內(nèi)，同時系統(tǒng)應(yīng)具備工頻和變頻兩種控制回路，工頻控制作為變頻控制出現(xiàn)故障時的備用控制，根據(jù)空壓機工況和轉(zhuǎn)矩特征進行改造，在變頻器的輸入端可加載一些抗干電磁干擾元件以增強空壓機對外界干擾的抵抗能力，若生產(chǎn)工藝發(fā)生改變，則應(yīng)保證改造后的變頻控制系統(tǒng)利用橫氣壓和變流方式實現(xiàn)對供氣氣壓的調(diào)整。

3 空壓機變頻調(diào)速節(jié)能改造的實例分析

3.1 對空壓站的改造

在對空壓機進行改造時如果其空壓站的設(shè)備型號是統(tǒng)一的，則此時只需配備一臺變頻空壓機，也就是只需對一臺設(shè)備進行改造，其他設(shè)備只需配合即可達到改造的目標。若空壓站所產(chǎn)生的耗氣量小于一臺空壓機的空氣量，則此時可以利用變頻空壓機完成供氣，反之則需要起動普通空壓機來完成補償，使其處在加載狀態(tài)就可以實現(xiàn)與變頻設(shè)備聯(lián)動的工況，此種方式就是利用變頻空壓機來維護供氣系統(tǒng)的平衡而降低能耗。

3.2 具體控制措施

在對空壓機進行起動時，由于其內(nèi)部仍保留著少量氣壓，這就要求變頻器反應(yīng)速度較快，因此，此時多選用LG變頻器。采用閉環(huán)自動的調(diào)節(jié)方式，根據(jù)對壓力傳感器所檢測的空壓機出口信號進行變換來調(diào)節(jié)單臺壓縮機的轉(zhuǎn)速，通過PLC及變頻器的控制來保證電機的最小輸出功率。不但實現(xiàn)了精確的壓力控制，而且通過電機的軟起動延長了相關(guān)設(shè)備的使用壽命，且當(dāng)PLC及變頻器發(fā)生故障時，可將運行方式自動切換到原軟起動柜工頻電源運行，保證了壓縮機能夠正常工作，相關(guān)的改造方案如圖2所示。

圖2 改造方案圖

3.3 經(jīng)濟效益分析

應(yīng)用這種新方法對空壓機變頻節(jié)能進行改造，其經(jīng)濟效益如下：

1）年平均總電量=總功率×實際用電功率比例×每天平均運行時間×每年平均運行天數(shù)=97kW×0.75×20h/天×300 天/年= 436500 kW·h /年；

2）年平均耗電費用=年總用電量×電價=436500 kW·h /年×0.79 元/kW·h= 344835 元/年；

3）節(jié)電設(shè)備年折舊費=節(jié)電設(shè)備總價/10年=90000元/10年=9000元/年；

4）年節(jié)電效益=(年耗電量×電價)×預(yù)期節(jié)電率-節(jié)電設(shè)備年折舊費=436500元/年×15%-9000元/年=65475 元/年-9000 元/年=56475 元/年；

5）投資成本（合計）：90000元；

6）投資回收期=投資成本÷年節(jié)電效益=90000元÷56475元/年= 1.59（約為18個月）預(yù)期總收益=產(chǎn)品有效使用年限×年節(jié)電效益=10年×56475元/年=564750元。

由于該節(jié)電產(chǎn)品使用年限可達10年以上，因此其會帶來非常大的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

通過對電機輸入電流頻率的改變實現(xiàn)了變頻調(diào)速，達到了對電機轉(zhuǎn)矩進行控制的目的。利用該項技術(shù)能夠解決空壓機起動、加載和卸載過程中出現(xiàn)的大量消耗電能的現(xiàn)象，不但降低了工況改變所帶來的能源浪費，而且?guī)砹丝捎^的經(jīng)濟效益。

[1] 李強,屈寶存,葛智強．PLC和變頻器在空壓機節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動化,2006(7).

[2] 許振.交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展[J].微特電機,2005(4).

[3] 胡炫,朱虎,楊志．高壓變頻器在發(fā)電廠引風(fēng)機上的應(yīng)用與節(jié)能分析[J].電機與控制應(yīng)用,2010(2).