空壓機變頻技術分析

滕勇

摘要：變頻式空壓機以其運行穩定、節能高效的優勢廣泛的使用在電氣工程中，冶金行業作為高能耗的行業，投資成本高，空壓機功率大。因此，本文從空壓機變頻技術原理進行分析，并對空壓機的耗能進行了解析。

關鍵詞：空壓機;變頻技術;分析

引言

由于變頻螺桿空壓機利用了變頻器的無級調速特點，通過控制器或變頻器內部的PID 調節器，能對壓力實現快速調節控制;比工頻運行的上下限開關控制相比，氣壓穩定性成指數級的提高，更節能。盡管螺桿空壓機采取了不同的節能運行模式，但由于變頻器是根據實際用氣量實時調整電動機轉速的，用氣量低的時候還可以讓空壓機自動休眠，這樣就大大減少了能源的損失。需要注意的是，系統控制方式的不同對節能效果有很大影響。起動無沖擊，由于變頻器本身是一個軟起動裝置，起動電流最大在額定電流的兩倍左右，與工頻起動一般在額定電流的6倍以上相比，起動沖擊很小。這種沖擊不僅是對電網的，也有對整個機械系統電氣保護系統的沖擊，也大大減少。噪聲低，由于穩定運行時運行頻率小于工頻，機械噪聲下降，機械磨損小。對儲氣罐容量要求小。

1.技術原理分析

1.1空壓機使用簡介

空壓機主要有螺桿式和往復活塞式兩種。由于結構原理的原因，大部分空壓機都存在明顯的技術弱點。當輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機空轉，嚴重浪費能源;異步電動機頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命，壓機工頻啟動電流大，對電網沖擊大，電機軸承磨損大;自動化程度低，輸出壓力的調節靠人工調節閥的開度來實現，調節速度慢，不穩定，精度低。

1.1.1變頻螺桿空壓機的控制原理

變頻器控制空壓機系統流程圖如圖所示，變頻式空壓機是根據用氣量的大小自動改變主機轉速，及時反映系統壓力的變化，并保持穩定的系統壓力;當系統消耗氣量降低時;此時壓縮機提供的壓縮空氣量會大于系統消耗量，變頻式壓縮機會降低轉速，同時輸出壓縮空氣量，來保持穩定的系統壓力值。若當系統消耗氣量增加時，此時壓縮機提供的壓縮空氣量會小于系統消耗量，變頻式壓縮機轉速會相對增加，同時輸出壓縮空氣量來保持穩定的系統壓力值。 此種運轉方式，可讓變頻式壓縮機直接且快速反映系統壓力變化，并且提供系統消耗所需的風量變化，經由此種運轉模式，變頻式壓縮機可在輸出風量與能源消耗之間維持最佳的運轉效率。可以把管網壓力作為控制對象，壓力變送器 YB 將儲氣罐的壓力 p 轉變為電信號送給 PID 智能調節器，與壓力設定值 p0作比較，并根據差值的大小按既定的 PID 控制模式進行運算，產生控制信號送變頻調速器，通過變頻器控制電動機的工作頻率與轉速，從而使實際壓力p始終接近設定壓力p0。另外，空壓機電動機從靜止到旋轉工作可由變頻器來起動，實現了軟起動，避免了起動沖擊電流和起動給空壓機帶來的機械沖擊。

圖：變頻式控制空壓機系統流程圖

1.2變頻器及其智能控制單元原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。空壓機的基本運行方式是加載、減載。減載時電機空轉，能源白白的浪費，如果利用變頻器通過改變電機頻率來調節轉速，進而控制空壓機單位時間的出風量，從而達到控制管路壓力的目的，具有明顯的節能效果。空壓機變頻節能系統原理如下：通過壓力變送器測得的管網壓力值與壓力的設定值相比較，得到偏差，經PID調節器計算出變頻器作用于異步電動機的頻率值。由變頻器輸出的相應頻率和幅值的交流電，在電動機上得到相應的轉速。那么空壓機輸出對應的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網壓力與給定壓力值相同。

2.空壓機能耗分析

加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在pmin～pmax之間來回變化。pmin是最低壓力值，即能夠保證用戶正常工作的最低壓力。一般情況下，pmax、pmin之間關系可以用下式來表示

pmax=（1+δ）pmin

（ 1）

δ是一個百分數，其數值大致在 10%～25%之間。而若采用變頻調速技術可連續調節供氣量的話，則可將管網壓力始終維持在能滿足供氣的工作壓力上，即pmin附近。

由此可知，在加、卸載供氣控制方式下的空壓機較之變頻系統控制下的空壓機，所浪費的能量主要在兩個部分。

（1）壓縮空氣壓力超過pmin所消耗的能量在壓力達到pmin后，原控制方式決定其壓力會繼續上升（直到pmax）。這一過程中必將會向外界釋放更多的熱量，從而導致能量損失。另一個能耗方面，高于pmin的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過減壓閥減壓至接近pmin，這一過程同樣是耗能過程。

（2）卸載時調節方法不合理所消耗的能量通常情況下，當壓力達到 pmax時，空壓機通過如下方法來降壓卸載：關閉進氣閥使電動機處于空轉狀態，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。關閉進氣閥使電動機空轉雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體做功，但空壓機在空轉中還是要帶動螺桿做回轉運動，換言之，該空壓機10% 的時間處于空載狀態，在做無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下。電動機存在很大的節能空間。

3.結語

通過本文分析，冶金行業能耗大、投資成本高、空壓機功率高，提高空壓機變頻技術的利用和技術完善，可以提升電氣設備的運行效率，同時環保節能，提高對變頻式空壓機的控制，可以延長電氣的使用壽命，減少維修率，工作精確，提高冶金行業的生產力，創造更多的經濟效益。

參考文獻：

[1]張還.空壓機組電氣控制系統的設計[J].自動化儀表，2010（04）

[2]劉溫波.空壓機在線分析系統的應用[J].自動化應用，2010（05）