利用變頻器對空氣壓縮機節(jié)能的改造

趙 群

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105）

0 引言

目前空氣壓縮機種類繁多，工作方式多種多樣。但是其控制系統(tǒng)大多都是啟、停控制方式為主。這種控制系統(tǒng)原理簡單，只根據(jù)空壓機輸出壓力上下限控制電機啟動與停止過程。從而其空壓機制作成本低，得到廣泛應(yīng)用。但是在使用過程中啟動電流過大，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊。突然啟動時對機械部件沖擊比較大，磨損嚴(yán)重。工作過程中性能不穩(wěn)定等缺點。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和進(jìn)步，節(jié)能減排技術(shù)日益受到人們的重視。在空壓機節(jié)能領(lǐng)域使用變頻調(diào)速技術(shù)，在節(jié)省電能同時改善空壓機性能成為可能。

1 傳統(tǒng)空壓機工作原理

目前空壓機上基本采用兩點式控制，通過壓力檢測裝置控制電機。一是當(dāng)壓縮氣體氣缸內(nèi)壓力達(dá)到下限壓力時，電機停止工作。二是當(dāng)壓力值達(dá)到上限時再啟動?？諌簷C電機如此重復(fù)工作使空壓機內(nèi)部壓力保持在一定的壓力范圍內(nèi)。在大型空壓機中增加了溫度、油壓等輔助信號檢測與處理控制，保持空壓機正常工作。但基本控制系統(tǒng)仍然采用啟?？刂品绞健?/p>

圖1 傳統(tǒng)空壓機工作圖Fig.1 The traditional air compressor working diagram

為了使空壓機穩(wěn)定工作，空氣壓縮機各點的工作量（主要包括各點溫度、氣壓力、水壓力、油壓等）和整機電氣控制由主控制電路板進(jìn)行控制。當(dāng)空氣壓縮機輸出口壓力達(dá)到上限設(shè)定值時，空氣壓縮機的油壓分路閥控制進(jìn)氣口進(jìn)行關(guān)閉，打開內(nèi)部循環(huán)管路，進(jìn)行自循環(huán)。出氣口續(xù)輸出氣體，直到壓力到達(dá)下線時，循環(huán)管路被關(guān)閉，同時打開空氣進(jìn)口經(jīng)過空氣過濾器后被壓縮到儲氣罐中。如圖1 所示，傳統(tǒng)空壓機工作圖，完整描述了空壓機工作過程及壓力變化。在實際生產(chǎn)使用中包括正常工作時間與非用氣時間（夜間低用氣時間）。在正常工作時通過控制系統(tǒng)，空壓機反復(fù)進(jìn)行充氣與放氣狀態(tài)，在圖中內(nèi)部壓力呈現(xiàn)一個折線，折線上升表示空壓機在工作，下降表示空壓機停止工作。

在這種狀態(tài)下不斷重復(fù)，使得及加載、卸載時不僅對電網(wǎng)供配電設(shè)備及螺桿都會造成較大的沖擊，還會造成電能的嚴(yán)重浪費。如圖1 所示，傳統(tǒng)空壓機工作圖，完整描述了空壓機工作過程及壓力變化。

為了使壓力保持在一定的使用壓力值，可以利用變頻調(diào)速技術(shù)改造。由圖2 所示可見，利用變頻器頻率變化維持壓力不變，在圖中壓力成直線，頻率為曲線。變頻器改造后系統(tǒng)控制下的空壓機，比原來控制系統(tǒng)下的空壓機節(jié)能可由圖3 來分析判斷。

圖2 變頻空壓機工作圖Fig.2 Frequency conversion air compressor working diagram

圖3 變頻節(jié)能空間分析Fig.3 Analysis of frequency conversion energy saving space

原有控制系統(tǒng)啟停調(diào)節(jié)壓力，輸出氣壓是非連續(xù)穩(wěn)定的。但工作時輸出氣壓是變化的，輸出氣體壓力產(chǎn)生波動幅度較大，不能滿足實際使用穩(wěn)定性要求。而且重復(fù)性電機啟停工作，機械磨損嚴(yán)重，提高維護(hù)成本。采用變頻控制后放氣閥無需頻繁開關(guān)，可以降低成本，穩(wěn)定工作性能，提高使用壽命。改造后空壓機具有工頻與變頻切換功能，而且把原來的控制與保護(hù)系統(tǒng)保留。實現(xiàn)了變頻調(diào)速，與啟動時電流對電網(wǎng)的沖擊，減輕了機械沖擊磨損，避免了空程的出現(xiàn)。

2 改造過程

某輪胎廠原有132kW 空壓機5 臺，65kW 空壓機1臺，空壓機壓力變化范圍比較大，空氣壓力也是很穩(wěn)定。在用氣量較大時其中一臺空壓機在空轉(zhuǎn)，浪費電能現(xiàn)象嚴(yán)重。一般工廠生產(chǎn)時間都集中在白天，夜間用氣量較少。造成不必要的浪費。通過技術(shù)研討與論證，對其變頻改造該兩臺132kW 空壓機控制系統(tǒng)。

（1）系統(tǒng)主要參數(shù)?？諌簷C型號：L 型兩級雙缸復(fù)動水冷空氣壓縮機4L-20/8。主電機型號：Y315M2-6；額定功率132kW；額定電壓380V；額定電流250A；額定轉(zhuǎn)速960r／min。采用變頻器：科姆龍無感矢量變頻器KV2000-G1320-4T，額定電流253A。遠(yuǎn)傳壓力表：VTP10-A-G10-B。

（2）原系統(tǒng)存在的問題。由于空壓機白天要正常滿足長時間生產(chǎn)需要，電動機容量要按照最大的需要來解決，原始設(shè)計余量過剩。原系統(tǒng)啟動時機械沖擊較大，機械磨損大，維修量增加。雖然原系統(tǒng)采用了降壓啟動，但是啟動時沖擊電流還是比較容易沖擊電網(wǎng)。并且空壓機是連續(xù)實用的，空壓機本身電機不具備調(diào)速能力，所以不能根據(jù)使用時空氣壓力或使用量來實現(xiàn)降速調(diào)節(jié)使輸出與需要功率相匹配。而電機不能頻繁啟停運行，使得電機出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，電能過多浪費。而空壓機內(nèi)部壓力不斷變化，使得輸出氣壓不穩(wěn)，影響生產(chǎn)工作過程。同時縮短了空壓機使用壽命。綜上所述，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造，當(dāng)用氣量減少時，可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，減小電動機的輸出功率，節(jié)省電能。

（3）系統(tǒng)改造要求。根據(jù)實際生產(chǎn)要求，針對上訴問題進(jìn)行改造。①保障原有系統(tǒng)正常工作，可實現(xiàn)原系統(tǒng)與改造系統(tǒng)相互切換，確保改造電路出現(xiàn)實際問題時保證空壓機正常工作滿足實際生產(chǎn)需要；②改造后系統(tǒng)運行時保持輸出氣體壓力穩(wěn)定，壓力波動范圍?。虎郛?dāng)生產(chǎn)需求用氣量小時，改造后系統(tǒng)應(yīng)保障電機繞組溫度和電機噪聲在允許范圍內(nèi)，保障電機安全。

（4）改造注意事項：①為保證于空壓機不受慣性負(fù)載影響，必須采用具有高啟動轉(zhuǎn)矩?zé)o速度傳感器矢量變頻器；②空壓機在低頻下運行時間不能過長，低頻工作時空壓機的工作穩(wěn)定性比較差，空壓機內(nèi)部潤滑變差，磨損加劇，工作頻率應(yīng)一般不要低于20Hz；③建議使用輸出電流電抗器，有效濾除輸出電流中高次諧波，減輕高次諧波引起電磁干擾，降低電機運行噪聲和溫升，提高電動機穩(wěn)定性。

（5）系統(tǒng)工作原理。如圖4 所示，利用選擇開關(guān)和交流接觸器配合，實現(xiàn)原系統(tǒng)控制與變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可以隨時切換。利用輸出管網(wǎng)的壓力信號作為控制參數(shù)，實際輸出壓力值由變送器SP 來檢測，通過PID 反饋到變頻器，通過變頻器計算調(diào)節(jié)其輸出頻率，從而控制空壓機恒壓輸氣。

KV2000 系列變頻器具有無感矢量（Sensor-Less vector）控制技術(shù)，在低頻輸出同時提供更大的轉(zhuǎn)矩，可對電機轉(zhuǎn)速變動時進(jìn)行自動補償負(fù)載，動態(tài)特性良好。同時過載能力強，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場合。KV2000 無感矢量變頻器控制可以獲得接近閉環(huán)控制的性能，并且不需要速度傳感器，維護(hù)成本低。比傳統(tǒng)的U/f 控制低速運行特性好，負(fù)載變化是時速度調(diào)節(jié)能力強，啟動轉(zhuǎn)矩大，重復(fù)性摩擦與慣性負(fù)載啟動中有明顯優(yōu)勢。鑒于這些驅(qū)動特性，該種控制技術(shù)多應(yīng)用于轉(zhuǎn)矩驅(qū)動。

圖4 變頻控制系統(tǒng)原理框圖Fig.4 The frequency conversion control system principle

（6）空壓機變頻運行。由于進(jìn)行變頻器啟動改造，可以對啟動時間進(jìn)行調(diào)整，啟動過程中對壓縮機電器部件和機械部件所造成的沖擊，可靠性增強，使用壽命延長。減小了電流對電網(wǎng)和其他設(shè)備頻率的影響。

3 改造效果

（1）改造后原有控制方式被保留，并可以實現(xiàn)原有控制系統(tǒng)與變頻調(diào)速系統(tǒng)相互切換，保證在改造系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以正常維持生產(chǎn)過程。并保證兩套系統(tǒng)不相互影響，提高系統(tǒng)改造后的穩(wěn)定性。

（2）由于利用變頻器進(jìn)行啟動與調(diào)速，電流對電網(wǎng)沖擊減小，避免對其他設(shè)備的影響。電機工作時機械沖擊也相應(yīng)減小，從而減低了設(shè)備使用時的噪聲，使得工作環(huán)境更為舒適。減低了設(shè)備的維修與維護(hù)成本。

（3）在變頻調(diào)速改造后，原有各種輔助信號全有變頻器協(xié)調(diào)控制，提高了原有控制系統(tǒng)下信號參數(shù)的準(zhǔn)確性，使得整個系統(tǒng)更加安全。

（4）通過變頻器調(diào)節(jié)電機，減低了電能使用量，在短時間內(nèi)便可以收回成本，減小了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)束語

目前，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)普遍使用，傳統(tǒng)的節(jié)能方式也在逐漸改變。我國正處在社會轉(zhuǎn)型階段，社會發(fā)展趨勢下節(jié)能減排是企業(yè)面對社會轉(zhuǎn)型的又一次改革機遇。而其中利用變頻器進(jìn)行節(jié)能改造逐漸被企業(yè)重視。通過本文結(jié)果可以看出，在利用變頻器改造后空壓機達(dá)到了預(yù)期目的，滿足生產(chǎn)實際需要，并且節(jié)能效果明顯。

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