對(duì)空壓機(jī)變頻器改造的探討

唐延嵩

【摘 要】空氣壓縮機(jī)是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備。作為基礎(chǔ)工業(yè)裝備，空壓機(jī)在冶金、機(jī)械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用?？諌簷C(jī)占大型工業(yè)設(shè)備（風(fēng)機(jī)、水泵、鍋爐、空壓機(jī)等）耗電量的15%。由于結(jié)構(gòu)原理的原因，大部分空壓機(jī)自身存在著明顯的技術(shù)弱點(diǎn)。采用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣壓縮機(jī)的節(jié)能改造，可使其自動(dòng)化程度高，節(jié)能效果顯著，實(shí)用性好。

【關(guān)鍵詞】空壓機(jī)；變頻器；節(jié)能；改造

1.原系統(tǒng)存在的問題

由于空壓機(jī)不能排除在滿負(fù)荷狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以只能按最大需要來決定電動(dòng)機(jī)的容量，設(shè)計(jì)余量一般偏大。工頻起動(dòng)設(shè)備時(shí)的沖擊大，電機(jī)軸承的磨損大，所以設(shè)備維護(hù)量大。雖然都是降壓?jiǎn)?dòng)，但起動(dòng)時(shí)的電流仍然很大，會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設(shè)備的運(yùn)行安全，而且大多數(shù)是連續(xù)運(yùn)行，由于一般空氣壓縮機(jī)的拖動(dòng)電機(jī)本身不能調(diào)速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動(dòng)來實(shí)現(xiàn)降速調(diào)節(jié)輸出功率的匹配，電機(jī)不允許頻繁啟動(dòng)，導(dǎo)致在用氣量少的時(shí)候電機(jī)仍然要空載運(yùn)行，電能浪費(fèi)巨大。經(jīng)常卸載和加載導(dǎo)致整個(gè)氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命?？諌簷C(jī)的有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門或調(diào)節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)功率下降幅度比較小。

2.變頻空壓機(jī)系統(tǒng)控制方案

根據(jù)普通空壓機(jī)運(yùn)行工況存在的問題并結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，變頻空壓機(jī)后系統(tǒng)能滿足以下要求：

2.1電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)保持儲(chǔ)氣罐出口壓力穩(wěn)定，壓力波動(dòng)范圍控制在±0.02Mpa

在工頻運(yùn)行的方式中，利用空壓機(jī)的容調(diào)控制，以及起跳、回跳壓力控制得到的儲(chǔ)壓罐的壓力仍然是較為粗略的，而且經(jīng)常會(huì)波動(dòng)。這將影響最終用戶的使用。

而使用變頻空壓機(jī)來改變運(yùn)行速度，因?yàn)榭諌簷C(jī)可以平滑的控制其供氣量，壓力波動(dòng)控制更加精確，最終用戶可以得到更加穩(wěn)定的氣壓。

2.2系統(tǒng)具有開環(huán)和閉環(huán)兩套控制回路

變頻空壓機(jī)控制系統(tǒng)，同時(shí)具有兩種控制方式及開環(huán)、閉環(huán)。在正常狀態(tài)下，可以利用閉環(huán)的控制方式，系統(tǒng)將自動(dòng)的根據(jù)儲(chǔ)壓罐內(nèi)壓縮空氣的壓力自動(dòng)的控制變頻運(yùn)行空壓機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，從而控制空壓機(jī)的供氣量。當(dāng)系統(tǒng)故障，或者時(shí)壓力傳感器故障時(shí)，可以切換到開環(huán)運(yùn)行，直接給定空壓機(jī)的運(yùn)行速度，從而可以手動(dòng)控制空壓機(jī)的運(yùn)行狀況以及供氣速度。

2.3一臺(tái)變頻空壓機(jī)能控制多臺(tái)空壓機(jī)組，可用轉(zhuǎn)換開關(guān)切換

該系統(tǒng)中僅僅只需配置一臺(tái)變頻空壓機(jī)，但是可以選擇拖動(dòng)的空壓機(jī)。也就是說，可以一套變頻系統(tǒng)多臺(tái)空壓機(jī)使用。這樣當(dāng)其中一臺(tái)空壓機(jī)需要進(jìn)行維修，或者是更換時(shí)，可以方便的切換到另外一臺(tái)空壓機(jī)變頻運(yùn)行。

2.4為保證空壓機(jī)的節(jié)能效果，盡可能的避開容調(diào)控制

因?yàn)槿菡{(diào)控制是非常耗能的，因此采用變頻運(yùn)行的空壓機(jī)組必須很好的避開容調(diào)控制功能，才能盡可能的節(jié)省電能。首先當(dāng)空壓機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，通過電磁閥防止空壓機(jī)進(jìn)入容調(diào)功能；若一臺(tái)空壓機(jī)工頻運(yùn)行，另外一臺(tái)空壓機(jī)變頻運(yùn)行，則將工頻運(yùn)行的空壓機(jī)的容調(diào)設(shè)置壓力提高，避免容調(diào)運(yùn)行。

2.5可靠的切換

變頻系統(tǒng)同時(shí)控制多臺(tái)空壓機(jī)的變頻和工頻運(yùn)行，因此必須根據(jù)壓力（外界壓縮空氣的使用量），自動(dòng)起動(dòng)或停止工頻使用的空壓機(jī)。為了保證可靠的判斷和切換空壓機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)回差控制，保證切換的可靠，防止反復(fù)切換的故障發(fā)生。當(dāng)外界的用氣量增加，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的升高頻率，當(dāng)頻率達(dá)到最大，壓力仍然不能滿足時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)的延時(shí)啟動(dòng)另外一臺(tái)工頻空壓機(jī)，同時(shí)仍然恒壓運(yùn)行。當(dāng)外界的用氣量下降，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的降低頻率，當(dāng)頻率達(dá)到最小時(shí)，壓力仍然過高，系統(tǒng)將延時(shí)停止工頻運(yùn)行空壓機(jī)，變頻運(yùn)行的空壓機(jī)仍然恒壓運(yùn)行。

3.變頻空壓機(jī)系統(tǒng)功能特點(diǎn)

3.1該系統(tǒng)采用電源端的工頻/變頻互鎖的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用的是在電機(jī)的輸入電源端直接工頻和變頻連鎖，這樣非常好的保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行；保證系統(tǒng)的可靠。

3.2系統(tǒng)采用大慣量PID控制算法，實(shí)現(xiàn)壓力無靜差控制

空壓機(jī)系統(tǒng)輸出的壓縮空氣首先進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐可以儲(chǔ)存氣壓的能量，使得壓力變化平穩(wěn)。但儲(chǔ)氣罐的存在將導(dǎo)致系統(tǒng)反饋的慣量大大增加，使得該系統(tǒng)成為了大慣量控制系統(tǒng)。大慣量控制系統(tǒng)使用普通的PID控制將很可能導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)嚴(yán)重、振蕩幅度大、系統(tǒng)不穩(wěn)定等一系列弊病。因此在該方案里采用了專門的大慣量PID控制系統(tǒng)，大幅度降低了系統(tǒng)超調(diào)的產(chǎn)生，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3系統(tǒng)采用智能控制，可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)段壓力控制

系統(tǒng)的壓力設(shè)定不再是一個(gè)單純的設(shè)定值，而是一條根據(jù)貴廠一天用氣量而設(shè)定的壓力曲線，一旦壓力曲線確定下來后系統(tǒng)將根據(jù)內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，按照預(yù)先設(shè)定的壓力曲線自動(dòng)運(yùn)行。

系統(tǒng)可以將一天24小時(shí)自動(dòng)分為多段（最多為5段），每段的起始時(shí)間和終止時(shí)間可以人為進(jìn)行設(shè)定；每段都可以設(shè)定一個(gè)壓力設(shè)定值，這樣當(dāng)時(shí)域性的用氣低峰期，可以在較低的壓力下運(yùn)行；相反時(shí)域性的用氣高峰期，可以在較高的壓力下運(yùn)行，最大可能的進(jìn)行節(jié)能。

3.4零用氣量自動(dòng)停機(jī)功能

系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶的要求實(shí)現(xiàn)零用氣量自動(dòng)停機(jī)功能（即空壓機(jī)出口閥門是自動(dòng)逆止閥，當(dāng)用氣量相當(dāng)小而儲(chǔ)氣管內(nèi)壓力非常大時(shí)，可以自動(dòng)關(guān)機(jī)）。當(dāng)用氣量比較大的時(shí)候再恢復(fù)開機(jī)。這樣在節(jié)假及雙休日等非正常工作日或是深夜時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)停機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)最大節(jié)能。注：空壓機(jī)在使用變頻改造后，因?yàn)橄到y(tǒng)的沖擊將為0，因此可以頻繁啟動(dòng)空壓機(jī)。

3.5上位機(jī)界面圖形化界面，設(shè)定更簡(jiǎn)單，監(jiān)控更加直觀

該系統(tǒng)采用上位機(jī)，其功能完善，質(zhì)量可靠，而且在設(shè)計(jì)中基本采用圖形的方式進(jìn)行顯示和監(jiān)控，使設(shè)定和監(jiān)控更加簡(jiǎn)單和直觀。

3.6報(bào)警信號(hào)采用中文顯示

報(bào)警信號(hào)采用全中文顯示，方便直觀?？梢栽诘谝粫r(shí)間內(nèi)判斷故障的所在，進(jìn)行故障排除。另外在報(bào)警控制的同時(shí)，還配備一定的聲光報(bào)警信號(hào)，以及在上位機(jī)界面上配備故障排除的幫助界面，加快了系統(tǒng)故障的響應(yīng)速度。

3.7上位機(jī)界面中含有關(guān)鍵參數(shù)自動(dòng)記錄功能

在上位機(jī)界面中，集成了類似于無紙記錄儀的參數(shù)歷史曲線記錄功能，可以對(duì)近10000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄，在人機(jī)界面內(nèi)部自動(dòng)形成歷史曲線，并可以對(duì)該曲線實(shí)時(shí)的進(jìn)行瀏覽。

3.8關(guān)鍵參數(shù)在上位機(jī)界面中直接設(shè)定

若采用分時(shí)段壓力控制，系統(tǒng)將以圖形的方式顯示曲線，可以在曲線上直接進(jìn)行設(shè)定。關(guān)鍵參數(shù)可以受3級(jí)密碼進(jìn)行修改權(quán)限的劃分，保證參數(shù)設(shè)定的安全。

4.空壓機(jī)變頻改造后的效益

4.1節(jié)約能源

變頻器控制壓縮機(jī)與傳統(tǒng)控制的壓縮機(jī)比較，能源節(jié)約是最有實(shí)際意義的，根據(jù)空氣量需求來供給的壓縮機(jī)工況是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀。

4.2運(yùn)行成本降低

通過能源成本降低44.3%，再加上變頻起動(dòng)后對(duì)設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也跟隨降低，所以運(yùn)行成本將大大降低。

4.3提高壓力控制精度

由于變頻控制電機(jī)速度的精度提高，所以它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力變化保持在3pisg變化范圍，也就是0.2bar范圍內(nèi)，有效地提高了工況的質(zhì)量。

4.4延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命

變頻器從0HZ起動(dòng)壓縮機(jī)，它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整，從而減少起動(dòng)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)。

4.5降低了空壓機(jī)的噪音

根據(jù)壓縮機(jī)的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯減慢，因此有效地降低空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約3至7分貝。

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