淺談變頻器在空壓機改造中的應用

摘要：文章主要介紹空氣壓縮機改造過程中，運用施耐德ATV61系列變頻器使用PID功能，配合PLC、顯示屏及壓力傳感器用恒壓控制方式以達到節能、增效作用。

關鍵詞：變頻器；節能；恒壓

概述

隨著電能的不斷短缺，對節能增效越來越重視，特別是一些企業一直沿用老的工頻控制方式，這樣大量浪費了電能。因此，節能改造變得尤為重要，變頻器就是最常用、最廣泛的節能設備之一，下面就一例螺桿壓縮機節能增效進行介紹。

某大型國有企業，廠區內大部分機器都要使用壓縮空氣，因此，有280千瓦螺桿壓縮機5臺，90千瓦輔助螺桿壓縮機一臺，組成一個壓力管道網。平時工作中要開兩至三臺280千瓦螺桿壓縮機和一臺90千瓦輔助螺桿壓縮機，它們都是采用Y-△方式啟動，如下圖1（虛線方框內的是原電氣圖，左邊是加了變頻器后圖）。簡單而言，就是通過壓力開關對空氣壓縮機的進氣閥門打開和關閉，對管道及貯壓罐的壓力進行控制，壓力開關特性為：實測壓力低于設定低限壓力（7公斤）時，輸出打開信號，檢測到實際壓力大于高限壓力（9公斤）時，輸出關閉信號，空氣不再進入壓縮機，管道壓力不再增大，隨著用氣的機器不斷使用壓縮空氣，管道壓力不斷下降，當低于低限壓力時，又打開閥門，使空氣進入壓縮機，管道壓力回升，這樣管道壓力也在7-9公斤之間不斷變化，由此周而復始。在此過程中電機一旦開啟，就一直以工頻運行的狀態，控制閥門也不斷的打開和關閉。從控制柜上電流表顯示電流，280千瓦螺桿壓縮機電流在450安培左右，90千瓦螺桿壓縮機電流在120安培左右。按經驗計算功率（在本文中只做定性的分析，無功功率、效率等不作分析）：

P≈1.732*U*I*cos?準。P為電機功率；U為三相電壓；I為電機電流； cos?準為電機的功率因數，U是一個不變的量，為380V，cos?準一般也不會變(如取0.8)，由以上公式可見，唯一能改變功率的為電機電流I。電機一直處于工頻狀態，所以耗能大。

為此采用了一臺315千瓦施耐德ATV61變頻器（圖1中的FU），對一臺壓縮機改造，通過PID恒壓控制，在不改變原有控制的方式上加上我們控制系統，使改造變得更簡單、方便。

控制方框流程圖如下：

圖2

在原三相進線端加上施耐德變頻器，工頻/變頻轉換接觸器及PLC和顯示屏、壓力傳感器組成了控制系統，如上方框圖2。PLC在這里起控制變頻器啟動、停止及配合原控制系統，壓力傳感器用于壓力采集作用代替原來的壓力開關，顯示屏用于壓力設定、實際壓力及其它參數的顯示等作用。

恒壓原理：在這里就是通過在屏上設定壓力值與壓力傳感器實際測量值在PLC內部進行信號處理，然后連接到變頻器信號接口，通過PID的運算，把運算結果變成變頻器的頻率輸出，通過頻率大小控制電機轉速的快與慢，從而達到穩定壓力的作用。如圖3，給定值就是設定壓力大小，被控對象就是電機帶動壓縮機產生空氣壓力，經壓力傳感器轉換成壓力信號與給定值比較，模擬調節器就相當于變頻器的比例、積分運算器，對輸出偏差進行調整，運用調幅、反向、斜坡等環節加以修正。以達到設定值與反饋值一致，實現恒壓力的目的。執行器就是電機帶動的壓縮機。從旁邊看到的是變頻器頻率在變化，電機轉速在變快或變慢，而實際體現的是壓力不變，電機電流不斷變化。與工頻控制方式比較電流有明顯的減小。

圖3

就此列中使用變頻器內部的PID功能，把壓力設定為8公斤，開機運行，只需要一臺280千瓦的變頻控制的壓縮機和一臺90千瓦的輔助壓縮機了，發現在使用原相同用氣機器、電流測試表的情況下，變頻控制的壓縮電機電流顯示為300安培左右，比原來的450安培小了150安培左右，不僅如此還可以看到少用了一臺壓縮，由上述功率計算公式：P≈1.732*U*I*cos?準，電流由原來的450安培左右減小到300安培左右，不難看出，功率減小了約1/3，當然能耗就減小了約1/3。為什么有如此大的變化呢？

原因一、原來用的二臺或三臺280千瓦壓縮機，其實際原因是壓不夠時（低于7公斤），必須增補一臺壓縮機來升高壓力，而增加這一臺壓縮機實際使用率很低，大部分時間電磁閥都處于關閉狀態，電機卻一直在以工頻方式運轉，只有當所有壓縮機閥門關閉，且壓力高于設定壓力一段時間后，才有可能自動停止增加的這臺壓縮機（除非人工停止），但使用氣源的機器一直在工作，管道壓力不會突然增加到壓力的高限，即使壓力升高時，也會關閉加載閥門，防止壓力繼續增加，故基本不會停止增加的那臺壓縮機，大部分時間沒有向壓力管道輸送壓縮空氣，產氣量低，壓縮電機卻在運轉，這樣電能白白的浪費掉了。

原因二、使用變頻器的PID控制，配合PLC及屏的壓力采集與設定，使壓力處于恒壓狀態。原來使用壓力開關時，壓力在7-9公斤之間不斷變化，閥門不斷的打開與關閉，而此時設定為8公斤，變頻器頻率一般在45HZ左右，當壓力降低時，變頻器會增加頻率以提升壓力，當高于設定壓力時，會降低變頻器頻率，即上述提到的對偏差進行調整，體現出的就是變頻器頻率的變化。始終使壓力保持在8公斤左右，使電機在一個合理的范圍運轉，而閥門一直處于打開狀態，提高了產氣量，即一直有壓縮空氣供給用氣管道。變頻器頻率降低意味著電機電流減小，由上述公式可知，電流減小意味著電能節約。而不象直接用工頻控制那樣，電機一直處于高速運轉狀態，電能耗能大。除非變頻器運行到最高頻率，并且壓力還不夠時會增加一臺壓縮機，此時變頻器控制的壓縮機會降低頻率，以平衡增加壓縮機所產生的壓力，當變頻器降至低限頻率（此例設為35HZ）時，壓力仍處于高限設定壓力，在PLC里程序設定延時一定時間后，停止運行增加的壓縮機，這樣變頻器所控制壓縮機會增加頻率，以平衡減少壓縮機所減小的壓力，該平衡就是上述的偏差調整，體現的就是頻率不斷變化。在這里只對一臺壓縮機做了節能改造，若對多臺壓縮機進行改造，節能的效果更為明顯。

結束語

使用變頻器改造控制壓縮機實現了如下特點：（1）使用變頻器的PID控制，使壓縮機的壓力處于恒壓狀態。減小了電機電流，提高了產氣量。（2）不改變原來控制系統和控制線路，改造方便。（3）改變了原來電機處于空轉的狀態。（4）減少了壓縮機使用的數量。（5）最主要的是節約了大量的能源，提高了生產效率。

參考文獻

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