變頻器在螺桿空壓機節(jié)能改造中的應(yīng)用

1 概述

空壓機是一種利用電能將氣體在壓縮腔內(nèi)進行壓縮并使氣體具有一定壓力的設(shè)備。空壓機作為工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備，在冶金、礦山、紡織、生化等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，它擔(dān)負著為工廠所有氣動部件提供氣源的職責(zé)，但是由于其自身結(jié)構(gòu)的原因存在著明顯的技術(shù)弱點。傳統(tǒng)的空壓機供氣控制方式幾乎全部是采用加載、卸載的控制方式，即當輸出壓力大于設(shè)定壓力時，卸壓閥自動打開卸壓，使電動機空載運行，造成了能源的極大浪費;當輸出壓力低于設(shè)定壓力時，電動機又加載運行，由于電動機在工頻啟動時，啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊比較大，電動機的軸承很容易磨損壞。此外由于頻繁加、減載，空壓機的進氣閥也極易損壞。

隨著變頻器技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，變頻調(diào)速技術(shù)在各種行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。此外PLC 具有強大的工業(yè)控制功能，觸摸屏編程簡單，可以方便的實現(xiàn)人機交互的功能。由變頻器、PLC與觸摸屏組合所構(gòu)成的閉環(huán)控制節(jié)能系統(tǒng)，已成為一種自動控制的發(fā)展趨勢。

2 傳統(tǒng)空壓機供氣系統(tǒng)中存在的缺點

傳統(tǒng)空壓機供氣系統(tǒng)如圖1 所示。

傳統(tǒng)空壓機供氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要有兩種：一種是加載狀態(tài)，另一種是空載狀態(tài)。其電能浪費主要有如下幾個方面。

2.1 加載時的電能消耗

加載狀態(tài)是指在壓力為最小值后，將壓力繼續(xù)上升到最大壓力值的狀態(tài)。在加壓過程中,一定會向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓，這一過程同樣也是一個耗能過程。

2.2 卸載時的電能消耗

在傳統(tǒng)空壓機供氣系統(tǒng)中，為了不頻繁啟動電機，所以在用氣量少時仍然要求電機空載運行，這種狀況當然是在浪費電能。另外，當壓力達到壓力最大值時，空壓機通過關(guān)閉進氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空的方法來降壓卸載，顯然，這種調(diào)節(jié)方法也會造成很大的能量浪費。據(jù)測算，根據(jù)空壓機卸載時占運行時間的比例的不同，卸載損耗約占空壓機滿載運行時的10%耀30%。即在空壓機運行中，很多時間是處于空載狀態(tài)，在作無用功。

2.3 壓力波動的電能消耗

傳統(tǒng)空壓機的供氣系統(tǒng)對壓力的控制采取的是對上限、下限值的控制，即首先根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備所要求的最低壓力，設(shè)定空壓機輸出壓力的下限，也就是空壓機開始加載的壓力;再在最低壓力上加0.1 MPa 左右，作為空壓機輸出壓力的上限，即開始卸載的壓力。這樣，空壓機的輸出工作壓力將在上下限之間波動。由于空壓機的功率消耗和輸出壓力成正比，所以輸出的壓力越高消耗的功率也越大。

3 空壓機變頻調(diào)速恒壓供氣原理

針對傳統(tǒng)空壓機供氣系統(tǒng)存在的缺點，采用PLC 與變頻器調(diào)速相結(jié)合構(gòu)成了自動恒壓供氣系統(tǒng)，如圖2 所示。

此恒壓供氣系統(tǒng)中變頻器采用ABB-ACS550變頻器，根據(jù)PLC 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)空壓機的轉(zhuǎn)速以達到調(diào)整產(chǎn)氣量的目的，從而使供氣量與用氣量平衡實現(xiàn)恒壓供氣，并且還可以將變頻器內(nèi)部的運行參數(shù)反饋到PLC。

PLC 選用西門子S7-200小型PLC。PLC 作為控制單元，是整個系統(tǒng)的控制核心，主要作用是：

1)完成對系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)字量與模擬量的相互轉(zhuǎn)換;

2)完成對整個系統(tǒng)的邏輯控制及PID 調(diào)節(jié)的運算;

3)向觸摸屏提供所采集及處理的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行觸摸屏發(fā)出的各種指令;

4)將PID運算的數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬信號，作為調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率的控制信號。

此外，PLC控制系統(tǒng)可以根據(jù)供氣壓力要求，控制空壓機的運行臺數(shù)，如圖3 所示。當1?？諌簷C調(diào)速到50 Hz 運行后仍然不能滿足供氣壓力要求時，即將1#空壓機切換為工頻運行，再變頻啟動2#空壓機，當1#、2#均在50 Hz 運行時壓力仍然不能滿足要求時，將2#空壓機也切換為工頻運行，然后再去控制3# 空壓機變頻運行;反之當用氣量減少供氣壓力將要變高時，便停掉1#空壓機，控制3#空壓機變頻運行，直至到控制最后一臺空壓機運行。空壓機切換順序可以在PLC程序中設(shè)定。

空壓機恒壓供氣系統(tǒng)中的壓力變送器、震蕩傳感器等檢測到的實際參數(shù)值被轉(zhuǎn)變成電信號后都會上傳至PLC。

4 變頻調(diào)速恒壓供氣特點

1)空壓機屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，即轉(zhuǎn)矩在不同速度下保持不變，但所需功率和速度成正比，采用變頻調(diào)速使電機轉(zhuǎn)速降低，因而達到了節(jié)能的目的。

2)自動恒壓供氣系統(tǒng)的壓力設(shè)定可以是一點，即可以將滿足生產(chǎn)設(shè)備要求的最低壓力作為設(shè)定壓力，PLC 將根據(jù)管網(wǎng)壓力上下波動的趨勢，調(diào)節(jié)變頻器輸出的轉(zhuǎn)速快慢，從而消除了空壓機的卸載運行，節(jié)約了電能。

3)由于恒壓供氣使得管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，可以降低甚至消除壓力的波動，從而使系統(tǒng)中所有運行的空壓機都在一個滿足生產(chǎn)要求的較低的壓力下運行，這樣減少了壓力向上波動造成的功率損失。

4)由于壓縮機不能排除在滿負載狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以只能按最大需求來決定電動機的容量，故電動機設(shè)計容量一般偏大，但在實際運行中，輕載運行的時間所占的比例非常高。采用變頻調(diào)速后，大大提高運行時的工作效率，因此節(jié)能潛力很大。

5)單電動機拖動系統(tǒng)大多不能根據(jù)負載的輕重連續(xù)地調(diào)節(jié)。而采用了變頻調(diào)速后，則可以十分方便地進行連續(xù)調(diào)節(jié)，能保持壓力、溫度等參數(shù)的穩(wěn)定，從而大大提高壓縮機的工作性能。

5 改造實例

以曾經(jīng)進行變頻節(jié)能改造的1 臺110 kW 空壓機為例，改造后系統(tǒng)運行曲線如圖4所示，變頻改造前后運行數(shù)據(jù)如表1 所列。

圖中曲線淤為變頻器運行頻率曲線(0 Hz 對應(yīng)0%，50 Hz對應(yīng)100%)，直線于為壓力設(shè)定值0.6 MPa，曲線盂為實際壓力值。從圖中可以看出為了保證實際值和設(shè)定值相等，變頻器運行頻率會隨負荷的變化而變化，運行頻率在35 Hz和40 Hz之間變化。

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)變頻節(jié)能改造后的自動恒壓供氣系統(tǒng)，節(jié)電效果明顯。

6 變頻改造注意事項

1)空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，變頻器在啟動這類負載時易出現(xiàn)跳閘過流保護的情況，建議采用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器，這樣既能保證實現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運行。

2)空壓機電機不允許長時間在低頻下運行，所以工作下限應(yīng)不低于20 Hz。

3)建議選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動時出現(xiàn)變頻器頻繁跳閘的情況。

4)為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，這樣還可以減少電機運行的噪音。

5)設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻器出現(xiàn)異常或保護動作時，將變頻運行方式切換為工頻運行，從而不會影響生產(chǎn)。

7 結(jié)語

空壓機采用PLC控制的變頻調(diào)速自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動恒壓供氣，使用方便，工作可靠，系統(tǒng)壓力恒定，具有較好的控制效果。最主要的是實現(xiàn)了高效節(jié)能，節(jié)能效果可達30%左右，同時由于采用變頻器實現(xiàn)了電機軟起動，所以減少了設(shè)備損耗，延長了空壓機的使用壽命。而觸摸屏的應(yīng)用使用戶能夠簡單直觀地監(jiān)控整個空壓機系統(tǒng)的運行狀況，從而提高了整個被控系統(tǒng)以及企業(yè)的自動化程度和硬件檔次。

作者簡介：

姜洪松，男，工程師，現(xiàn)就職于希杰(聊城)生物科技有限公司，負責(zé)項目的應(yīng)用。