空氣壓縮機的變頻調速及應用

顧佳

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

關鍵詞：空氣壓縮機；變頻調速

1 引言

空氣壓縮機在企業生產中有著廣泛的應用。它擔負著為各種氣動元件和氣動設備提供氣源的重任。因此空氣壓縮機運行的好壞直接影響生產工藝和產品質量。

空氣壓縮機是一種把空氣壓入儲氣罐中，使之保持一定壓力的機械設備，屬于恒轉矩負載，其運行功率與轉速成正比：

P L = T L n L /9550

式中 P L ——空氣壓縮機功率

T L ——空氣壓縮機轉矩

n L ——空氣壓縮機轉速

所以就運行功率而言，采用變頻調速控制的節能效果遠不如風機泵類二次方負載顯著，但空氣壓縮機大都處于長時間連續運行狀態，傳統的工作方式為進氣閥開、關控制方式，即壓力達到上限時關閥，使壓縮機進入輕載運行；壓力達到下限時開閥，使壓縮機進入滿載運行。這種頻繁地加減負荷過程，不僅使供氣壓力波動，而且還會使空氣壓縮機的負荷狀態頻繁地變換。又由于設計時壓縮機不能排除在滿負荷狀態下長時間運行的可能性，所以只能按最大需求來選擇電動機的容量，故選擇的電動機容量一般都較大。而在實際運行中，輕載運行的時間所占的比例卻非常高，這就造成巨大的能源浪費。值得指出的是，供氣壓力的穩定性對產品質量的影響很大，通常生產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，同時也存在著一定的不安全因素。變頻調速是 80 年代初發展起來的新技術，具有易操作、 免維護、 控制精度高等優點。普通電動機采用變頻調速后，在其拖動負載無須任何改動的情況下，便可按照生產工藝要求來調整轉速輸出以滿足工況要求。因此完全可以用變頻器驅動的方案取代加、卸載供氣控制方式的方案，從而電機可根據用氣量的大小來自動調整轉速以保證供氣壓力恒定，使電機低于額定轉速連續運轉，可有效地克服電機頻繁改變運行狀態所帶來的諸多弊端，達到系統高效節能運行的目的。

2 空氣壓縮機加、卸載供氣控制方式存在的問題

（1）靠機械方式調節進氣閥，使供氣量無法連續調節，當用氣量不斷變化時，供氣壓力難免要產生較大幅度的波動，從而使供氣壓力精度達不到工藝要求，這就會影響產品質量甚至造成廢品。再加上頻繁調節進氣閥，還會加速進氣閥的磨損， 增加維修量和維修成本。

（2）頻繁地開/關放氣閥， 使放氣閥壽命大大縮短。

3 空氣壓縮機變頻調速控制方式的設計

3.1 空氣壓縮機變頻調速系統概述

變頻器是基于交-直-交電源變換原理，集電力電子和微計算機控制等技術于一身的綜合性電氣產品。變頻器可根據控制對象的需要輸出頻率連續可調的交流電壓。由電機知識知道，電機轉速與電源頻率有成正比的關系：n = 60 f（1-S）/P

式中 n——轉速

f——輸入交流電頻率

S——電機轉差率

P——電機磁極對數

因此，用變頻器輸出頻率可調的交流電壓作為空壓機電動機的電源電壓，就可以方便地改變空壓機的轉速?？諝鈮嚎s機采用變頻調速技術進行恒壓供氣控制時，系統原理框圖如圖 1所示：

變頻調速系統將管網壓力作為控制對象，壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變為電信號送給變頻器內部的 PID 調節器，與壓力給定值進行比較，并根據差值的大小按預先設定好的 PID 控制模式進行運算， 產生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和頻率，調整電動機的轉速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力上。另外，采用該方案后，空氣壓縮機電機從靜止到穩定轉速可由變頻器實現軟啟動，避免了啟動時大電流對電網的沖擊和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機在變頻調速控制方式下工作。考慮到一旦變頻控制系統出現故障時，生產工藝過程又不允許空氣壓縮機停機，因此系統設置了工頻與變頻系統的切換功能，這樣當變頻控制系統出現故障時，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機仍能正常工作。

3.2 變頻器的選擇

由于空氣壓縮機是恒轉矩負載，故變頻器可選用通用型的。又因為空氣壓縮機的轉速也不允許超過額定值，電動機不會過載， 一般變頻器出廠標注的額定容量都具有一定的余量安全系數，所以選擇變頻器容量與所驅動的電動機容量相同即可。若考慮更大的余量，也可以選擇比電動機容量大一個級別的變頻器，但價格要高出不少。

3.3 變頻器的運行控制方式選擇

由于空氣壓縮機的運轉速度不宜太低， 對機械特性的硬度無任何要求，故可采用 V/F 控制方式。

4 空氣壓縮機變頻調速控制方式的安裝調試

4.1 安裝

為防止電網與變頻器之間的干擾，在變頻器的輸入側最好接一個電抗器。 安裝時控制柜與壓縮機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，接線距離應在 20m 以內。另外控制柜內要裝有換氣扇，變頻器接地端子要可靠接地， 不與動力接地混用。

4.2 調試

在完成變頻器的功能設定及空載運行后，可進行系統聯動調試。 調試的主要步驟：

（1）將變頻器接入系統；

（2）進行工頻控制運行；

（3）進行變頻控制運行，其中包括開環與閉環控制兩部分調試。

開環：此時主要觀察變頻器頻率上升的情況，設備的運行聲音是否正常，空壓機的壓力上升是否穩定，壓力變送器顯示是否正常，設備停機是否正常等。如一切正常，則可進行閉環的調試。

閉環：主要依據變頻器頻率上升與下降的速度和空壓機壓力的升降相匹配，不要產生壓力振蕩， 還要注意觀察機械共振點， 將共振點附近的頻率跳過去。接著對 PID 參數的進行整定，根據空氣壓縮機系統對過渡過程時間無要求，可以采用 PI 調節方式，以減少對變頻器的沖擊。在對 PID 進行參數整定的過程中，首先根據經驗法，將比例帶設定在 70%，積分時間常數設定在 60s；為不影響生產，采取改變給定值的方法使壓力給定值有個突變（相當于一個階躍信號），然后觀察其響應過程（即壓力變化過程）。在調試過程中，將下限頻率調至 40Hz，然后用紅外線測溫儀對空氣壓縮機電機的溫升進行了長時間嚴格的監測，電機溫升約 3～6℃之間，屬正常溫升范圍。所以 40Hz 下限頻率運行對空氣壓縮機機組的工作并無多大的影響。

5 空壓機變頻改造后的效益

5.1 節約能源使運行成本降低

空氣壓縮機的運行成本由三項組成：初始采購成本、 維護成本和能源成本。其中能源成本大約占壓縮機運行成本的 80%。通過變頻技術改造后能源成本降低20%，再加上變頻起動后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。

5.2 提高壓力控制精度

變頻控制系統具有精確的壓力控制能力。使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，所以它可以使管網的系統壓力保持恒定，有效地提高了產品的質量。

5.3 全面改善壓縮機的運行性能

變頻控制能夠減少機組啟動時的電流波動，這一波動電流會影響電網和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將啟動電流的峰值減少到最低程度。根據壓縮機的工況要求，變頻調速改造后，電機運轉速度明顯減慢，從而有效地降了空壓機運行時的噪聲。現場測定表明，噪聲與原系統比較下降約 3～7dB。

6 結語

隨著變頻器應用的普及， 對傳統的空氣壓縮機進行變頻調速改造， 具有顯著的經濟效益和社會效益，值得全面推廣。

（作者單位：靖江特殊鋼有限公司）