空氣壓縮機(jī)的變頻調(diào)速及應(yīng)用

顧佳

摘要：針對空氣壓縮機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問題，論述了變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制方式的安裝調(diào)試及空壓機(jī)變頻改造后增加了效益。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機(jī)；變頻調(diào)速

1 引言

空氣壓縮機(jī)在企業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。它擔(dān)負(fù)著為各種氣動(dòng)元件和氣動(dòng)設(shè)備提供氣源的重任。因此空氣壓縮機(jī)運(yùn)行的好壞直接影響生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。

空氣壓縮機(jī)是一種把空氣壓入儲(chǔ)氣罐中，使之保持一定壓力的機(jī)械設(shè)備，屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其運(yùn)行功率與轉(zhuǎn)速成正比：

P L = T L n L /9550

式中 P L ——空氣壓縮機(jī)功率

T L ——空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩

n L ——空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

所以就運(yùn)行功率而言，采用變頻調(diào)速控制的節(jié)能效果遠(yuǎn)不如風(fēng)機(jī)泵類二次方負(fù)載顯著，但空氣壓縮機(jī)大都處于長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，傳統(tǒng)的工作方式為進(jìn)氣閥開、關(guān)控制方式，即壓力達(dá)到上限時(shí)關(guān)閥，使壓縮機(jī)進(jìn)入輕載運(yùn)行；壓力達(dá)到下限時(shí)開閥，使壓縮機(jī)進(jìn)入滿載運(yùn)行。這種頻繁地加減負(fù)荷過程，不僅使供氣壓力波動(dòng)，而且還會(huì)使空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)頻繁地變換。又由于設(shè)計(jì)時(shí)壓縮機(jī)不能排除在滿負(fù)荷狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以只能按最大需求來選擇電動(dòng)機(jī)的容量，故選擇的電動(dòng)機(jī)容量一般都較大。而在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時(shí)間所占的比例卻非常高，這就造成巨大的能源浪費(fèi)。值得指出的是，供氣壓力的穩(wěn)定性對產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大，通常生產(chǎn)工藝對供氣壓力有一定要求，若供氣壓力偏低，就不能滿足工藝要求，而且可能出現(xiàn)廢品，所以為了避免氣壓不足，一般供氣壓力較要求值要高些，從而造成供氣成本高，能耗大，同時(shí)也存在著一定的不安全因素。變頻調(diào)速是 80 年代初發(fā)展起來的新技術(shù)，具有易操作、 免維護(hù)、 控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。普通電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速后，在其拖動(dòng)負(fù)載無須任何改動(dòng)的情況下，便可按照生產(chǎn)工藝要求來調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出以滿足工況要求。因此完全可以用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案取代加、卸載供氣控制方式的方案，從而電機(jī)可根據(jù)用氣量的大小來自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速以保證供氣壓力恒定，使電機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可有效地克服電機(jī)頻繁改變運(yùn)行狀態(tài)所帶來的諸多弊端，達(dá)到系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行的目的。

2 空氣壓縮機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問題

（1）靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力難免要產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)，從而使供氣壓力精度達(dá)不到工藝要求，這就會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至造成廢品。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，還會(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損， 增加維修量和維修成本。

（2）頻繁地開/關(guān)放氣閥， 使放氣閥壽命大大縮短。

3 空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速控制方式的設(shè)計(jì)

3.1 空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)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(jì)算機(jī)控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。變頻器可根據(jù)控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。由電機(jī)知識(shí)知道，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率有成正比的關(guān)系：n = 60 f（1-S）/P

式中 n——轉(zhuǎn)速

f——輸入交流電頻率

S——電機(jī)轉(zhuǎn)差率

P——電機(jī)磁極對數(shù)

因此，用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)的電源電壓，就可以方便地改變空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速?？諝鈮嚎s機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí)，系統(tǒng)原理框圖如圖 1所示：

變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給變頻器內(nèi)部的 PID 調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小按預(yù)先設(shè)定好的 PID 控制模式進(jìn)行運(yùn)算， 產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器的輸出電壓和頻率，調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力上。另外，采用該方案后，空氣壓縮機(jī)電機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)時(shí)大電流對電網(wǎng)的沖擊和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機(jī)在變頻調(diào)速控制方式下工作?？紤]到一旦變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，生產(chǎn)工藝過程又不允許空氣壓縮機(jī)停機(jī)，因此系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻系統(tǒng)的切換功能，這樣當(dāng)變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機(jī)仍能正常工作。

3.2 變頻器的選擇

由于空氣壓縮機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，故變頻器可選用通用型的。又因?yàn)榭諝鈮嚎s機(jī)的轉(zhuǎn)速也不允許超過額定值，電動(dòng)機(jī)不會(huì)過載， 一般變頻器出廠標(biāo)注的額定容量都具有一定的余量安全系數(shù)，所以選擇變頻器容量與所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量相同即可。若考慮更大的余量，也可以選擇比電動(dòng)機(jī)容量大一個(gè)級別的變頻器，但價(jià)格要高出不少。

3.3 變頻器的運(yùn)行控制方式選擇

由于空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不宜太低， 對機(jī)械特性的硬度無任何要求，故可采用 V/F 控制方式。

4 空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速控制方式的安裝調(diào)試

4.1 安裝

為防止電網(wǎng)與變頻器之間的干擾，在變頻器的輸入側(cè)最好接一個(gè)電抗器。 安裝時(shí)控制柜與壓縮機(jī)之間的主配線不要超過 30m，主配線與控制線要分開走線，且保持一定距離?？刂苹芈返呐渚€采用屏蔽雙絞線，接線距離應(yīng)在 20m 以內(nèi)。另外控制柜內(nèi)要裝有換氣扇，變頻器接地端子要可靠接地， 不與動(dòng)力接地混用。

4.2 調(diào)試

在完成變頻器的功能設(shè)定及空載運(yùn)行后，可進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)調(diào)試。 調(diào)試的主要步驟：

（1）將變頻器接入系統(tǒng)；

（2）進(jìn)行工頻控制運(yùn)行；

（3）進(jìn)行變頻控制運(yùn)行，其中包括開環(huán)與閉環(huán)控制兩部分調(diào)試。

開環(huán)：此時(shí)主要觀察變頻器頻率上升的情況，設(shè)備的運(yùn)行聲音是否正常，空壓機(jī)的壓力上升是否穩(wěn)定，壓力變送器顯示是否正常，設(shè)備停機(jī)是否正常等。如一切正常，則可進(jìn)行閉環(huán)的調(diào)試。

閉環(huán)：主要依據(jù)變頻器頻率上升與下降的速度和空壓機(jī)壓力的升降相匹配，不要產(chǎn)生壓力振蕩， 還要注意觀察機(jī)械共振點(diǎn)， 將共振點(diǎn)附近的頻率跳過去。接著對 PID 參數(shù)的進(jìn)行整定，根據(jù)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)對過渡過程時(shí)間無要求，可以采用 PI 調(diào)節(jié)方式，以減少對變頻器的沖擊。在對 PID 進(jìn)行參數(shù)整定的過程中，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法，將比例帶設(shè)定在 70%，積分時(shí)間常數(shù)設(shè)定在 60s；為不影響生產(chǎn)，采取改變給定值的方法使壓力給定值有個(gè)突變（相當(dāng)于一個(gè)階躍信號(hào)），然后觀察其響應(yīng)過程（即壓力變化過程）。在調(diào)試過程中，將下限頻率調(diào)至 40Hz，然后用紅外線測溫儀對空氣壓縮機(jī)電機(jī)的溫升進(jìn)行了長時(shí)間嚴(yán)格的監(jiān)測，電機(jī)溫升約 3～6℃之間，屬正常溫升范圍。所以 40Hz 下限頻率運(yùn)行對空氣壓縮機(jī)機(jī)組的工作并無多大的影響。

5 空壓機(jī)變頻改造后的效益

5.1 節(jié)約能源使運(yùn)行成本降低

空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成：初始采購成本、 維護(hù)成本和能源成本。其中能源成本大約占壓縮機(jī)運(yùn)行成本的 80%。通過變頻技術(shù)改造后能源成本降低20%，再加上變頻起動(dòng)后對設(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。

5.2 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。使壓縮機(jī)的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。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)壓力保持恒定，有效地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

5.3 全面改善壓縮機(jī)的運(yùn)行性能

變頻控制能夠減少機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的電流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將啟動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。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，從而有效地降了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲。現(xiàn)場測定表明，噪聲與原系統(tǒng)比較下降約 3～7dB。

6 結(jié)語

隨著變頻器應(yīng)用的普及， 對傳統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造， 具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得全面推廣。

（作者單位：靖江特殊鋼有限公司）