變頻器在空壓機(jī)組節(jié)能改造中的應(yīng)用

王小龍

（寧波寶新不銹鋼有限公司設(shè)備部，浙江寧波 315807）

0 引言

現(xiàn)代型大企業(yè)里，空壓機(jī)的使用十分普遍?？諌簷C(jī)屬于大型耗能設(shè)備，如何降低空壓機(jī)的無功耗費(fèi)，降本增效，成為當(dāng)前面臨的課題。工頻空壓機(jī)組的聯(lián)動控制方式由壓縮空氣總出口的壓力帶控制，當(dāng)壓力到達(dá)壓力帶的上沿時，空壓機(jī)滿載運(yùn)行變?yōu)榭蛰d運(yùn)行；當(dāng)壓力到達(dá)壓力帶的下沿時，空壓機(jī)自動起動運(yùn)行。而單臺空壓機(jī)的運(yùn)行一般分為起動運(yùn)行——空載運(yùn)行——滿載運(yùn)行——空載運(yùn)行——停止運(yùn)行，其中空載運(yùn)行時不對外輸送壓縮空氣，浪費(fèi)電能?？諌簷C(jī)主電機(jī)一般容量大，采用星—三角或軟啟動器方式起動，電機(jī)頻繁啟動的啟動電流沖擊大，降低電機(jī)及電氣元器件的使用壽命。

工頻空壓機(jī)組中，在大部分空壓機(jī)采用原控制方式下，通過對小部分空壓機(jī)進(jìn)行變頻器改造，變頻器采用PID（Proportion Integration Differentiation，比例積分微分）數(shù)學(xué)模型控制，取壓縮空氣總出口壓力帶的中間點(diǎn)作為PID模型的控制點(diǎn)，使總壓縮空氣出口壓力穩(wěn)定在控制點(diǎn)附近，壓縮空氣總出口壓力曲線由原來的近似正諧波變?yōu)榻扑街本€，則其他工頻空壓機(jī)從滿載運(yùn)行轉(zhuǎn)換空載運(yùn)行和停止運(yùn)行轉(zhuǎn)為起動運(yùn)行的頻率減少，能達(dá)到整體節(jié)能的效果。

寶新公司空壓站共有9臺空壓機(jī)，都為德國生產(chǎn)的凱撒螺桿式壓縮機(jī)，每臺功率為315 kW，額定電壓380 V，額定電流570 A，出氣量為60 Nm3/h，每臺空壓機(jī)工頻運(yùn)行，啟動方式為星—三角（Y—△）方式。

空壓機(jī)組的運(yùn)行由 MVS（Microprocessor controlled Sequencer，微處理器控制裝置）控制系統(tǒng)集中控制，具體控制模式如下：

空壓機(jī)組的聯(lián)動控制方式為：空壓機(jī)的起停通過站房外送壓縮空氣總管的壓力控制，優(yōu)先啟動運(yùn)行時間累計(jì)最短的空壓機(jī)。

單臺空壓機(jī)采用雙控制（空載運(yùn)行和間歇組合控制）方式：空壓機(jī)通常在滿載、空載或停機(jī)狀況下運(yùn)行，在滿載和空載運(yùn)行之間設(shè)定壓力控制（圖1），當(dāng)空壓機(jī)空載運(yùn)行時間長于預(yù)設(shè)定時間15 min（圖中時間段①～②），則空壓機(jī)完全切斷電源停運(yùn)（圖中時間段②～③）；當(dāng)站房外送壓縮空氣總管的壓力達(dá)到低壓點(diǎn)Pmin=0.63 MPa（圖中時間點(diǎn)③）時，空壓機(jī)會自動起動；當(dāng)站房外送壓縮空氣總管的壓力達(dá)到了高壓點(diǎn)Pmax=0.68 MPa（圖中時間點(diǎn)④），空壓機(jī)由滿載運(yùn)行轉(zhuǎn)為空載運(yùn)行，壓力在短時間內(nèi)（如3 min，小于設(shè)定值15 min），壓力重新降到Pmin=0.63 MPa（如圖中時間點(diǎn)⑤），空壓機(jī)自動地從空載運(yùn)行切換為滿載運(yùn)行。

圖1 空壓機(jī)的雙控制方式

表1 空壓機(jī)組的空載時間統(tǒng)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，一般運(yùn)行5臺空壓機(jī)，為了解空載情況，曾統(tǒng)計(jì)過1 h內(nèi)空壓站的運(yùn)行情況，當(dāng)時1#～5#空壓機(jī)運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

從表1可以看出，在5臺空壓機(jī)運(yùn)行時，由于機(jī)組壓縮空氣使用量變化，3臺空壓機(jī)一直處于滿載運(yùn)行，2臺空壓機(jī)（1#和4#）經(jīng)常發(fā)生滿載、空載和停機(jī)的切換。故空壓站存在如下問題：①空壓機(jī)空載運(yùn)行時電流為250 A，而不對外輸送壓縮空氣，是一種浪費(fèi)電能；②由于壓縮空氣使用量變化，經(jīng)常起?？諌簷C(jī)，因空壓機(jī)的啟動方式為星—三角方式，啟動電流沖擊大，降低電機(jī)及電氣元器件使用壽命，整個站房電機(jī)燒壞多次。為節(jié)約能源，保證設(shè)備穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，有必要對空壓機(jī)進(jìn)行變頻器改造。

1 總體設(shè)計(jì)

空壓站9臺空壓機(jī)中使8臺保持原狀的情況下，對1臺空壓機(jī)進(jìn)行變頻器改造，運(yùn)行時變頻器空壓機(jī)始終運(yùn)行，用于調(diào)節(jié)出站壓縮空氣壓力，根據(jù)壓縮空氣使用量決定再開幾臺工頻空壓機(jī)，工頻空壓機(jī)使用原來的控制方式控制，通過變頻器空壓機(jī)調(diào)節(jié)出站壓縮空氣壓力，使工頻空壓機(jī)盡量處于滿載運(yùn)行，減少空載運(yùn)行?？傮w設(shè)計(jì)方案見圖2。

變頻器改造的空壓機(jī)取空壓站總出口管道壓力作為控制點(diǎn)，空壓機(jī)電機(jī)頻率控制范圍為（30～50）Hz，壓力控制范圍達(dá)到（0.65±0.01）MPa。其他8臺空壓機(jī)也取空壓站總出口管道壓力作為控制點(diǎn)，以原站房的控制方式控制，變頻器控制原控制方式相互獨(dú)立。

2 硬件設(shè)計(jì)

空壓機(jī)是1個相對獨(dú)立的設(shè)備，本體有許多保護(hù)功能，保護(hù)如下：

（1）主電機(jī)過載保護(hù)。

（2）主電機(jī)溫度保護(hù)。

（3）油氣分離器超溫保護(hù)。

（4）主電機(jī)反轉(zhuǎn)保護(hù)。

（5）濾油器壓差保護(hù)。

（6）油氣分離器壓差保護(hù)。

（7）空氣濾淸器壓差保護(hù)。

（8）風(fēng)機(jī)過載保護(hù)。

（9）冷凍干燥機(jī)故障保護(hù)。

（10）冷卻水故障保護(hù)。

空壓機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3，改造需保持原有保護(hù)功能不變，對空壓機(jī)主電機(jī)進(jìn)行變頻器改造，需要進(jìn)行的硬件改動如下：

（1）空壓站1臺空壓機(jī)主電機(jī)使用變頻器控制。

（2）在空壓站電氣室內(nèi)增加1個變頻器柜。

（3）取空壓站壓縮空氣總出口壓力信號同時控制變頻器和原控制系統(tǒng)，增加1個信號分配器。

（4）取消機(jī)旁電氣柜內(nèi)原來的星—三角啟動控制回路，并進(jìn)行改造。

硬件設(shè)計(jì)中變頻器的選擇最為重要，因變頻器用于控制空壓機(jī)的主電機(jī)，而空壓機(jī)主電機(jī)型號KA4355M-BX01-Z，315 kW，380 V，570 A，1488 r/min ，IP55，F(xiàn) 級，空壓機(jī)正常運(yùn)行時一般處于滿負(fù)荷運(yùn)行，為讓變頻器在運(yùn)行時一定余量，計(jì)劃選用350 kW的SIEMENS變頻器。

SIEMENS的變頻器產(chǎn)品中，與315 kW容量接近的變頻器有：6SE7036-0EK60 315 kW和6SE7037-0EK60 400 kW兩種型號，為使變頻器在運(yùn)行具有一定余量，所以選用6SE7037-0EK60 400 kW的變頻器。

圖2 空壓機(jī)組總體設(shè)計(jì)方案

圖3 空壓機(jī)結(jié)構(gòu)

3 電路設(shè)計(jì)

圖4 空壓機(jī)變頻器控制電路

空壓機(jī)把1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣壓縮到0.65 MPa左右壓力的過程在壓縮機(jī)主機(jī)（圖3）內(nèi)進(jìn)行，壓縮機(jī)主機(jī)由空壓機(jī)主電機(jī)拖動，空壓機(jī)的變頻器改造就是主電機(jī)的變頻器控制，即空壓機(jī)主電機(jī)是變頻器的直接負(fù)載?？諌簷C(jī)主電機(jī)是315 kW的普通三相異步電動機(jī)，改造的內(nèi)容主要是電氣控制部分，電路圖由原主電機(jī)是星—三角起動方式，現(xiàn)在直接使用變頻器控制（如圖4），原控制空壓機(jī)加載和卸載是通過進(jìn)氣控制閥（如圖3）的動作控制，現(xiàn)在空壓機(jī)運(yùn)行時進(jìn)氣控制閥常開，靠變頻器的輸出頻率控制空壓機(jī)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，既而控制壓縮機(jī)主機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制輸出壓縮空氣壓力的目的，最終達(dá)到控制輸出壓縮空氣的供應(yīng)量。

4 軟件設(shè)計(jì)

原空壓站控制系統(tǒng)控制范圍為（0.63～0.68）MPa，因公司壓縮空氣使用量相對穩(wěn)定，變頻器軟件采用PID模塊控制，設(shè)定壓力控制點(diǎn)為0.65 MPa，可以使空壓站壓縮空氣出站壓力控制在0.65 MPa左右，既達(dá)不到原控制系統(tǒng)出站壓力低于Pmin=0.63 MPa的空壓機(jī)自動啟動壓力，又達(dá)不到出站壓力高于Pmax=0.68 MPa的使空壓機(jī)從滿載轉(zhuǎn)為空載的壓力，這樣減少工頻空壓機(jī)的空載運(yùn)行時間。

因空壓機(jī)主電機(jī)是三相異步電動機(jī)，不能低頻率長時間運(yùn)行，所以要求對空壓機(jī)主電機(jī)的頻率控制范圍在（30～50）Hz之間，避免低頻率時電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重而損壞，壓縮機(jī)主機(jī)也不允許低速運(yùn)轉(zhuǎn)。

對于單臺變頻器空壓機(jī)，根據(jù)壓縮空氣出站壓力變化調(diào)節(jié)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速，單臺空壓機(jī)的節(jié)能效果并不明顯，但對整個空壓站，由于變頻器空壓機(jī)的控制，使出站壓縮空氣壓力比較平穩(wěn)，空壓站的工頻空壓機(jī)的啟動與停運(yùn)頻率大大降低，即空壓機(jī)空載時間大大減少，節(jié)約可觀的電能。

下面建立變頻器空壓機(jī)的控制模型。

變頻空壓機(jī)的壓力控制點(diǎn)由外部設(shè)定，由變頻器控制出站壓縮空氣壓力穩(wěn)定。但實(shí)際生產(chǎn)過程中，壓縮空氣的使用量經(jīng)常變化，會引起空壓站出站壓縮空氣壓力變化。為達(dá)到出站壓縮空氣壓力穩(wěn)定的要求，特建立具有自動調(diào)節(jié)功能的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖5。圖中R（S）為壓縮空氣壓力設(shè)定值，N（S）為壓縮空氣使用量變化，C（S）為出站壓縮空氣壓力，G1（S）為壓力轉(zhuǎn)換為控制空壓機(jī)主電機(jī)運(yùn)行的頻率信號，G2（S）為壓縮空氣使用量變化引起出站壓縮空氣壓力變化信號，H（S）為反饋中間環(huán)節(jié)。

圖5 功能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以壓縮空氣壓力設(shè)定值和壓縮空氣使用量變化分別導(dǎo)出控制數(shù)學(xué)表達(dá)式。

（1）r（t）作用下系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的拉普拉斯變換式：

（2）n（t）作用下系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的拉普拉斯變換式：

根據(jù)線性系統(tǒng)的迭加原理，系統(tǒng)的總輸出應(yīng)為各外作用引起的輸出的總和，因而將式①與②相加即得總輸出量的變換式。

因變頻器控制軟件采用PID控制，即比例微分積分控制，其控制公式為：

控制公式參數(shù)說明：

（1）比例調(diào)節(jié)。Kp：比例調(diào)節(jié)參數(shù)，比例調(diào)節(jié)作用是按比例反應(yīng)空壓站壓縮空氣實(shí)際壓力與壓力設(shè)定值0.65 MPa的偏差，偏差一旦出現(xiàn)，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用來減少偏差。比例調(diào)節(jié)參數(shù)越大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在PID曲線圖中比例調(diào)節(jié)參數(shù)的大小與超調(diào)量（△δ）成正比（見圖6）。

（2）積分調(diào)節(jié)。Ki：積分調(diào)節(jié)參數(shù)，積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就將進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時間常數(shù)，其值越小，積分作用就越強(qiáng)。反之其值越大則積分作用弱，加大積分調(diào)節(jié)參數(shù)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。在PID曲線圖中積分調(diào)節(jié)參數(shù)的大小與調(diào)節(jié)時間（T2）成反比（見圖 6）。

（3）微分調(diào)節(jié)。Kd：微分調(diào)節(jié)參數(shù)，微分調(diào)節(jié)作用是微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)量，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。

空壓站除1臺空壓機(jī)變頻器運(yùn)行外，其它空壓機(jī)工頻運(yùn)行，以原來的控制系統(tǒng)控制，工作的壓力帶為（0.63～0.68）MPa。在工頻空壓機(jī)和變頻器空壓機(jī)共同作用下，站房出站壓縮空氣壓力的PID曲線見圖6。

圖6 壓縮空氣壓力PID曲線圖

從曲線可以看出，當(dāng)空壓站運(yùn)行時，其出站壓縮空氣壓力控制在0.65 MPa左右，趨于1條水平直線。根據(jù)控制要求，SIEMENS變頻器的PID功能塊圖設(shè)計(jì)見圖7。圖中參數(shù)說明：U352為壓縮空氣控制設(shè)定值，U355為壓縮空氣實(shí)測值，U364為比例增益基準(zhǔn)，U366為積分常數(shù)，U367為微分常數(shù)，U370為對輸出工藝控制參數(shù)進(jìn)行限幅。

要求空壓站的出站壓縮空氣壓力控制在0.65 MPa左右，所以U352設(shè)定為65.7，U352與出站壓縮空氣壓力實(shí)測值相減（負(fù)反饋），相減值首先進(jìn)行微分處理（U367），再進(jìn)入比例積分模塊。在KP值為45%，Tn為8 s的賦值下進(jìn)行比例積分處理，輸出控制空壓機(jī)主電機(jī)運(yùn)行的頻率值（n372）控制電機(jī)，在控制電機(jī)前頻率值還要受到（30～50）Hz范圍的限制。

因9臺空壓機(jī)只改造1臺變頻器，對出站壓縮空氣壓力的調(diào)節(jié)有一定局限性，當(dāng)壓縮空氣的使用量出現(xiàn)較大的變化，超過變頻器空壓機(jī)的調(diào)節(jié)能力，但與原控制系統(tǒng)相配合，也能達(dá)到調(diào)節(jié)出站壓縮空氣壓力穩(wěn)定的效果，有以下兩種情況：

（1）當(dāng)壓縮空氣的使用量增加許多，變頻器空壓機(jī)長時間運(yùn)行在50 Hz的頻率，還不能保持0.65 MPa的壓力，出站壓縮空氣的壓力一直往下低到0.63 MPa，工頻空壓機(jī)會自動啟動1臺，使壓縮空氣的壓力保持在0.65 MPa。

（2）當(dāng)壓縮空氣的使用量減少許多，變頻器空壓機(jī)長時間運(yùn)行在30 Hz的頻率，還不能穩(wěn)住0.65 MPa的壓力，出站壓縮空氣的壓力一直往上高到0.68 MPa，工頻空壓機(jī)會自動停運(yùn)1臺，以使壓縮空氣的壓力保持在0.65 MPa。

圖7 PID功能塊圖設(shè)計(jì)圖

5 調(diào)試

空壓機(jī)改造硬件安裝完成，電氣線路根據(jù)設(shè)計(jì)改造，變頻器的軟件輸入后，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，對改造后的空壓機(jī)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試內(nèi)容如表2：

表2 變頻空壓機(jī)調(diào)試內(nèi)容表

6 功能考核

6.1 空壓站出站壓縮空氣壓力波形圖

空壓站1臺空壓機(jī)變頻器改造后，在4臺工頻空壓機(jī)和1臺變頻空壓機(jī)運(yùn)行的情況下，空壓站出站壓縮空氣壓力穩(wěn)定在0.65 MPa左右,壓力曲線呈近似水平狀（圖8）。說明：12:20:30之前為空壓站整個站房工頻控制，12:20:30之后投入1臺變頻空壓機(jī)運(yùn)行。

6.2 空壓站節(jié)能效果

在空壓站有變頻空壓機(jī)參與運(yùn)行情況下，從改造后1月23日到2月23日對空壓站1個月的耗電量和壓縮空氣產(chǎn)氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其數(shù)據(jù)記錄如表3：

根據(jù)計(jì)算公式：單位壓縮空氣耗電量＝空壓站用電量 /空壓站壓縮空氣產(chǎn)量，計(jì)算出1個月單位壓縮空氣耗電量為0.1327 kW·h。

圖8 站房壓縮空氣壓力曲線圖

表3 站房壓縮空氣產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)

表4 變頻空壓機(jī)關(guān)鍵部位運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄表

根據(jù)改造前1年公司單位壓縮空氣耗電量為0.1400，本次改造降低0.1400－0.1327=0.0073，以改造前1 a空壓站每月平均壓縮空氣使用量為5 500 000 Nm3計(jì)算，改造后每月節(jié)約電量40 150 kW·h。

6.3 變頻改造后對空壓機(jī)本體的影響

空壓機(jī)經(jīng)變頻器改造后，因空壓機(jī)主電機(jī)為普通三相異步電動機(jī)，經(jīng)常在（30～50）Hz運(yùn)行，當(dāng)長期運(yùn)行在30 Hz時是否對電機(jī)有影響，空壓機(jī)低速運(yùn)行是否對壓縮機(jī)主機(jī)有影響，我們記錄了變頻空壓機(jī)長期運(yùn)行過程中連續(xù)5 h內(nèi)的各關(guān)鍵部位參數(shù)（表4）。

7 結(jié)語

通過對空壓機(jī)進(jìn)行變頻器改造，對空壓機(jī)本體和壓縮空氣的檢測達(dá)到以下結(jié)論：

（1）空壓站出站壓縮空氣壓力穩(wěn)定在0.65 MPa左右，壓力曲線呈近似水平狀，提高出站壓縮空氣壓力的穩(wěn)定性。

（2）因出站壓縮空氣壓力穩(wěn)定在0.65 MPa左右，其他由原控制系統(tǒng)控制的空壓機(jī)大大減少從滿載轉(zhuǎn)為空載和啟動的次數(shù)，空壓機(jī)的空載率降低90%，減少電能的浪費(fèi)。

（3）空壓機(jī)啟動次數(shù)大大減少，減少啟動電流對電機(jī)的沖擊次數(shù)，降低空壓機(jī)主電機(jī)損壞的幾率。

（4）空壓機(jī)變頻器改造后壓縮機(jī)主機(jī)沒有影響。

（5）空壓機(jī)變頻器改造后對壓縮空氣質(zhì)量沒有影響。

在工頻空壓機(jī)組中，通過對一部分空壓機(jī)進(jìn)行變頻器改造，在不進(jìn)行大量資金投資的情況下，能達(dá)到整體節(jié)能的效果，并能很快收回投資成本，具有現(xiàn)實(shí)的推廣意義。