空氣壓縮機(jī)在工礦企業(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)行的狀況直接影響著生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。

一 、空壓機(jī)變頻調(diào)速機(jī)理

空壓機(jī)是一種把空氣壓入儲(chǔ)氣罐中，使其保持一定壓力的機(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_Ln_L/9550

式中，P_L為空壓機(jī)的功率；T_L為空壓機(jī)的轉(zhuǎn)矩；n_L為空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以單就運(yùn)行功率而言，采用變頻調(diào)速控制其節(jié)能效果遠(yuǎn)不如風(fēng)機(jī)泵類二次方負(fù)載顯著，但空壓機(jī)大多處于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，傳統(tǒng)的運(yùn)行方式為進(jìn)氣閥開(kāi)、關(guān)控制方式，即壓力達(dá)到上限時(shí)關(guān)閥，空壓機(jī)進(jìn)入輕載運(yùn)行；壓力達(dá)到下限時(shí)開(kāi)閥，空壓機(jī)進(jìn)入滿載運(yùn)行。這種頻繁地進(jìn)行加減負(fù)荷的過(guò)程，不僅使供氣壓力波動(dòng)，而且使空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)頻繁地變換。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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以只能按照最大需求來(lái)選擇電機(jī)的容量，故選擇的電機(jī)容量一般較大。在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時(shí)間往往所占的比例是非常高的，這就造成了巨大的能源浪費(fèi)。

值得指出的是，供氣壓力的穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響是很大的，通常生產(chǎn)工藝對(duì)供氣壓力有一定的要求，若供氣壓力偏低，則不能滿足工藝要求，就可能出現(xiàn)廢品。所以為了避免氣壓不足，一般供氣壓力要求值要偏高些，但這樣會(huì)使供氣成本高、能耗大，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的不穩(wěn)定因素。

二 、空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問(wèn)題

1、空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式的能量浪費(fèi)

空壓機(jī)加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在設(shè)定值Pmin~Pmax間來(lái)回變化。其中，Pmin為能夠保證用戶正常工作的最低壓力值；Pmax為設(shè)定的最高壓力值。一般情況下，Pmin、Pmax之間的關(guān)系可以用下式表示：

Pmax=（1+t）Pmin

式中，t的數(shù)值大致在10﹪～25﹪之間變化。若采用變頻調(diào)速技術(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，則可將管網(wǎng)壓力始終維持在設(shè)定供氣的工作壓力上，即等于Pmin的數(shù)值。由此可見(jiàn)，加卸載供氣控制方式浪費(fèi)的能量主要在三個(gè)部分：

1）   壓縮空氣壓力超過(guò)Pmin所消耗的能量

當(dāng)儲(chǔ)氣罐中空氣壓力達(dá)到Pmin后，加、卸載供氣控制方式還要使其壓力繼續(xù)上升，直到Pmax。這一過(guò)程中需要電源提供壓縮機(jī)能量，從而導(dǎo)致能量損失。

2）   減壓閥減壓消耗的能量

氣動(dòng)元件的額定氣壓在Pmin左右，高于Pmin的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)元件前，其壓力需要經(jīng)過(guò)減壓閥減壓至接近Pmin。這同樣是一個(gè)耗能過(guò)程。

3）   卸載時(shí)調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量

通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到Pmax時(shí)，空壓機(jī)通過(guò)如下方法來(lái)降壓卸載：關(guān)閉進(jìn)氣閥使空壓機(jī)不需要再壓縮氣體做功，但空壓機(jī)的電動(dòng)機(jī)還是要帶動(dòng)螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，據(jù)測(cè)算，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的10﹪～15﹪，在卸載時(shí)間段內(nèi)，空壓機(jī)在做無(wú)用功，白白地消耗能量。同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過(guò)放空閥放空，這種調(diào)節(jié)方式也要造成很大的能源浪費(fèi)。

2、加、卸載供氣控制方式的其他損失

1）   靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力不可避免地產(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，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，會(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。

2）   頻繁地打開(kāi)和關(guān)閉放氣閥，會(huì)導(dǎo)致放氣閥的壽命大大縮短。

三、空壓機(jī)變頻調(diào)速控制方式的設(shè)計(jì)

1、空壓機(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)控制于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。變頻器可根據(jù)控制對(duì)象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。

由電動(dòng)機(jī)知識(shí)知道，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比：

n=60f(1－s)／p

式中，n為轉(zhuǎn)速；f為輸入交流電源頻率；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電機(jī)磁極對(duì)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氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。空壓機(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3-1所示。                                                                                                                                              

　　圖3-1  系統(tǒng)原理框圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)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)差值的大小按既定的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)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。另外，采用該方案后，空壓機(jī)電機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，避免了起動(dòng)時(shí)的大電流和起動(dòng)給空壓機(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊。 

2、變頻器的選擇

由于空壓機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，故變頻器應(yīng)選用通用型的，如四方E380系列機(jī)型。又因?yàn)榭諌簷C(jī)的轉(zhuǎn)速也不允許超過(guò)額定值，電機(jī)不會(huì)過(guò)載，一般變頻器出廠標(biāo)注的額定容量都有一定的裕量安全系數(shù)，所以選擇變頻器容量與所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)容量相同即可。

3、變頻器的運(yùn)行控制方式選擇

由于空壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不宜太低，對(duì)機(jī)械特性的硬度沒(méi)什么要求，故可采用U／f控制方式。

4、空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖

空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖3-2所示。

圖3-2   空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖

5、控制原理說(shuō)明：

控制器件說(shuō)明：SB1:  停止按鈕                 SB2：  啟動(dòng)按鈕

              SB3:  變頻停機(jī)按鈕             SB4：  變頻啟動(dòng)按鈕

SA：  工變頻三位切換按鈕       KM3:  電網(wǎng)接入接觸器

KM1:  變頻電源接入接觸器       KM2:  變頻器輸出接觸器

操作過(guò)程敘述如下：為便于對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行“變頻運(yùn)行”和“工頻運(yùn)行”的切換，控制電路采用三位開(kāi)關(guān)SA進(jìn)行選擇。當(dāng)SA合至“工頻運(yùn)行”位置時(shí)，按下起動(dòng)按鈕SB2，中間繼電器KA1動(dòng)作并自鎖，進(jìn)而使接觸器KM3動(dòng)作，電機(jī)進(jìn)入工頻運(yùn)行狀。按下停止按鈕SB1，中間繼電器KA1和接觸器KM3均斷電，電機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng)SA合至“變頻運(yùn)行”位置時(shí)，按下起動(dòng)按鈕SB2，中間繼電器KA1動(dòng)作并自鎖，進(jìn)而使接觸器KM2動(dòng)作，將電機(jī)接至變頻器的輸出端。接觸器KM2動(dòng)作后使接觸器KM1也動(dòng)作，將工頻電源接入變頻器的輸入端，并允許電機(jī)起動(dòng)。同時(shí)使連接到接觸器KM3線圈控制電路中的接觸器KM2的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，確保接觸器KM3不能接通。按下SB4，中間繼電器KA2動(dòng)作，電機(jī)開(kāi)始加速，進(jìn)入“變頻運(yùn)行”狀態(tài)。中間繼電器KA2動(dòng)作后，停止按鈕SB1失去作用，以防止直接通過(guò)切斷變頻器電源使電機(jī)停機(jī)。在變頻運(yùn)行過(guò)程中，如果變頻器檢測(cè)到故障，則變頻器的TA、TB觸點(diǎn)斷開(kāi)，接觸器KM1和KM2線圈均斷電，其主觸點(diǎn)切斷了變頻器與電源之間，以及變頻器與電機(jī)之間的連接。同時(shí)TA、TC閉合，接通報(bào)警揚(yáng)聲器HA和報(bào)警燈HL進(jìn)行聲光報(bào)警。同時(shí)，時(shí)間繼電器KT得電，其觸點(diǎn)延時(shí)一段時(shí)間后閉合，使KM3動(dòng)作，電機(jī)進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)。操作人員發(fā)現(xiàn)報(bào)警后，應(yīng)及時(shí)將選擇開(kāi)關(guān)SA旋至“工頻運(yùn)行”位置，這時(shí)，聲光報(bào)警停止，并使時(shí)間繼電器斷電。這時(shí)便可以開(kāi)始對(duì)變頻系統(tǒng)進(jìn)行檢修。

6、壓力變送器選用與連接

根據(jù)用戶要求若其要求的供氣壓力為0．6MPa，我們選擇的壓力變送器量程為0～1MPa，輸出4～20mA的模擬信號(hào)。壓力變送器的連接說(shuō)明如下：

1）   VS端與GND端為壓力變送器提供電源10VDC。（VS跳線在下兩個(gè)針腳）

2）   壓力反饋信號(hào)從CC端輸入。

PID給定值的計(jì)算：

先通過(guò)壓力變送器的量程及其對(duì)應(yīng)的電流計(jì)算出當(dāng)供氣壓力為0．6MPa時(shí)變送器的輸出電流

0．6／（I－4）＝1／（20－4）得I＝13．6mA

再根據(jù)最小、最大給定量對(duì)應(yīng)的反饋量計(jì)算出當(dāng)反饋電流為13．6 mA時(shí)的給定量V

    （13．6－4）／V＝（20－4）／10得V＝6。

7、四方變頻器的功能預(yù)置

使用前對(duì)變頻器做以下功能預(yù)置：

1）上限頻率   由于空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速一般不允許超過(guò)額定值，故

fH≤fN

式中，fH為設(shè)置上限頻率，（F2．9） fN為額定頻率。

2）下限頻率   空壓機(jī)采用變頻調(diào)速后，其下限頻率的預(yù)置要視壓縮機(jī)的機(jī)種的工況而定，一般來(lái)說(shuō)，其范圍為

25Hz≤fL≤35Hz

3）加、減速時(shí)間  空壓機(jī)有時(shí)需要在儲(chǔ)氣罐已經(jīng)有一定壓力的情況下起動(dòng)，這時(shí)通常要求快一點(diǎn)的加速，故加速時(shí)間盡可能縮短（以起動(dòng)過(guò)程不因過(guò)流跳閘為原則）；減速時(shí)間可參照加速時(shí)間進(jìn)行預(yù)置（以制動(dòng)過(guò)程不因過(guò)電壓而跳閘為原則）。

4）升、降速方式  空壓機(jī)對(duì)升降速方式無(wú)特殊要求，可設(shè)置為線性方式。

5）調(diào)試過(guò)程中需要注意的問(wèn)題:

空壓機(jī)電機(jī)經(jīng)過(guò)變頻器改造后，轉(zhuǎn)速降低，其風(fēng)扇的散熱效果也降低，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，潤(rùn)滑油的耗量也就越小。在滿足生產(chǎn)工藝的要求下，壓力設(shè)定越低，電機(jī)耗電就越少，故綜合節(jié)能效果和空壓機(jī)的機(jī)械特性，把系統(tǒng)壓力設(shè)為0．6MPa運(yùn)行，頻率上限為46Hz，把變頻器運(yùn)行頻率下限定為27Hz，這樣既能滿足空壓機(jī)散熱和潤(rùn)滑的需要，又能降低電能損耗。此外改造時(shí)注意使變頻后電機(jī)運(yùn)行方向與原空壓機(jī)電機(jī)運(yùn)行方向一致。詳細(xì)參數(shù)預(yù)置如下：

四、空壓機(jī)變頻調(diào)速后的效益

1、節(jié)約能源使運(yùn)行成本降低

空壓機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成：初始采購(gòu)成本、維護(hù)成本和能源成本。其中能源成本大約占空壓機(jī)運(yùn)行成本的80%。通過(guò)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(duì)設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也跟著降低，所以運(yùn)行成本將大大降低。通過(guò)測(cè)算，使用變頻器前空壓機(jī)用電為55度／小時(shí)，使用變頻器后加載電流為107A，卸載電流為45A，因采用PID控制，頻率在27～46Hz，工作壓力在0．6MPa左右，空壓機(jī)用電量為38度／小時(shí)，每小時(shí)節(jié)電17度。按以下計(jì)算：每月節(jié)電量=17度×24小時(shí)×30天=12240度，若每度電按0．6元計(jì)算，則：每月節(jié)約電費(fèi)=12240×0．6元／度=7344元。可見(jiàn)投資回報(bào)高，半年左右節(jié)約的電費(fèi)就可以收回改造的投資。

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，能使空壓機(jī)的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量匹配。變頻控制空壓機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制使電機(jī)的轉(zhuǎn)速精度提高，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)品質(zhì)量。

3、改善空壓機(jī)的運(yùn)行性能

變頻器從0Hz起動(dòng)空壓機(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)空壓機(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，使空壓機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)的電流波動(dòng)（這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其他設(shè)備的用電，變頻起動(dòng)能有效地將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度）。根據(jù)空壓機(jī)的工作狀況要求，變頻調(diào)速改造后，電機(jī)轉(zhuǎn)速明顯減慢，因此有效地降低了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約3～7dB。