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安軍強（1972－）
男，高級程序員，工程師，（河北科技大學，河北 石家莊 050054），研究方向為PLC、變頻器及工業控制。
摘要：本文介紹了變頻器在活塞式空壓機中的應用。
關鍵詞：變頻器；活塞式空壓機
Abstract: This paper introduces the application of inverter in the compressor.
Key words: Inverter;Compressor
1 引言
張家口煤礦機械廠是我國煤炭機械行業中的一類大型骨干企業，其空壓機站由3臺132kW的活塞式空壓機組成，為全廠提供壓縮空氣，其地位非常重要，同時能耗巨大。因此在2005年5月，該廠對原系統的一臺空壓機進行了變頻改造，引入閉環控制和變頻調節，使節電率達到了29%，同時也提高了控制系統精度，并使該空壓機站的控制系統達到先進水平。
2 空壓機運行工況分析
人們通常用的都是活塞式空壓機，活塞在氣缸內作往復運行，從而使氣缸內氣體容積發生變化，并與氣缸內氣閥作相應的開閉動作配合，通過吸氣、壓縮、排氣等動作，將無壓或低壓氣體升壓，輸出到儲壓罐內。壓力控制采用上、下限控制方式，就是當空壓機氣缸內壓力達到設定值上限HH時，空壓機通過本身的油壓關閉進氣閥，電動機卸荷運行，此時不產生壓縮空氣，電機處于空載狀態；當壓力下降到設定值下限HL時，空壓機打開進氣閥，產生壓縮空氣。這種運行方式存在極大的能量浪費：
首先，這種控制方式存在壓力波動，要使壓力波動不影響使用，就得把壓力低限設為用氣設備可正常使用的最低壓力HL，假設在此壓力下空壓機滿負載消耗的功率為PL。試驗證明，當空壓機滿負載運行、排氣壓力在某一范圍內波動時，其輸入功率P與排氣壓力H滿足如下關系：
P = PL ×（H / HL）
即空壓機驅動軸上所需要的軸功率P與排氣壓力H成正比。這樣，在實際運行中，由于用氣量的變化，空壓機排氣壓力始終高于等于HL，導致空壓機在帶載運行時，其消耗功率都高于等于PL。
其次，當空壓機氣缸內壓力達到設定值上限HH時，電機卸荷，轉為空載運行，此時其用電量為滿負載的30%～60%左右，這部分電能被白白的浪費。
也正是由于這種上、下限位式兩點控制，導致當用氣量與額定產氣量相差較大時，空壓機會頻繁的卸載和加載，對電動機、空壓機和電網造成很大的沖擊。
由以上分析可以看出，當用氣量與額定產氣量相差較大時，如果用變頻器控制電機的轉速，把排氣壓力設為HL，使空壓機產氣量隨用氣量的變化而變化，既維持了排氣壓力的穩定，又避開了電機的空載運行，節能潛力非常可觀。
3 空壓機閉環控制方案
筆者采用以空壓機輸出壓力為控制對象的閉環控制方案。經壓力傳感器取出的反饋信號，送至PID調節器，與預置的壓力給定信號相比較，經PID調節后的4～20mA信號接至變頻器的給定端，調節空壓機的工作頻率和轉速。當送氣管網壓力低于壓力給定時，PID輸出控制信號將提高變頻器輸出頻率，否則將降低變頻器輸出頻率，直至送氣管網壓力與設定的壓力給定值相等。其系統框圖如圖1所示。
圖1 空壓機閉環控制系統圖
4 設備選型及電氣實現
空壓機的械特性有些特殊，選擇變頻器應基于以下兩點：
(1) 空壓機的機械特性具有恒轉矩性質，且其飛輪力矩大，需要有較大的起動轉矩，所以選擇變頻器不能選擇一般風機泵類變頻器，必須選擇恒轉矩類變頻器。
(2) 變頻器要有PID調節功能，否則就必須加外置PID調節器，不但會增加投資成本，還會降低系統可靠性。
由此，筆者選擇了ABB ACS800變頻器，該系列變頻器具有以下突出特點：
① 采用了直接轉矩控制技術（DTC），自起動快，起動轉矩大，最大起動轉矩可達到200%的額定轉矩；
②快速的階躍轉矩上升，上升時間小于5ms；
③ 通過磁通優化，可使變頻器和電動機總效率提高1%～10%，同時還可降低電動機噪聲；
④內置PID控制器，且PID參數可自調整，節約了用于閉環控制的附加成本；
⑤方便靈活的軟件組態功能，通過調用預置的應用宏，完成標準變頻器功能的設定。
由ABB ACS800-210變頻器組成的閉環控制系統電氣原理圖如圖2所示。
制作控制柜時，要把變頻器控制盤安裝到控制柜的面板上，既可以方便地設定送氣壓力，又可以觀察變頻器輸出頻率、電流和送氣管網實際壓力等信息。
5 變頻改造中應注意的問題
(1) 電機的散熱問題。電機變頻運行后，轉速降低，裝在電機軸上的散熱風扇轉速同樣降低，電機的散熱效果變差。
(2) 空壓機的潤滑問題。空壓機的轉速越低，潤滑油的耗量也就越小，其潤滑效果越差。
(3) 系統壓力設定問題。由運行工況分析可知，空壓機的排氣壓力越高，所需的電機軸功率越大，電機耗電也就越多，所以在滿足生產工藝的要求下，壓力設定值要盡可能的低一些。
圖2 空壓機閉環控制電氣原理圖
針對以上問題，筆者綜合節能效果和空壓機的機械特性，考慮了多種方案，最后把系統壓力設定為0.6MPa，把變頻器運行頻率下限設定為28Hz，這樣，既能滿足空壓機散熱和潤滑的需要，又能最大限度的降低電能損耗。
6 節能效果及綜合效益分析
改造前，空壓機經常是加載2min，卸載2min，加載運行時電流為230A，卸載運行時電流為110A。改造后，空壓機運行頻率經常在30Hz～40Hz之間，運行電流平均為120A，基本上沒有卸載時間。空壓機平均每天工作16小時，每月工作26天。假定電機功率因數為0.85，空壓機每月用電量W計算如下：
W前＝P×16×26/1000
＝30.5UI×0.85×16×26/1000
＝1.73×380×(230×0.5＋110×0.5)×0.85×16×26/1000
＝37998 kWh
W后＝1.73×380×120×0.85×16×26/1000
＝27895 kWh
每月節省電量＝W前－W后
＝37998-27895
＝10103 kWh
按每度電0.6元計，每月可節省電費＝10103×0.6＝6061.8（元）
整套空壓機系統改造費用10萬元左右，約一年半就能收回設備投資。
空壓機變頻改造后，還具有以下優點：
(1) 電動機軟啟軟停，對電機、空壓機、電網的沖擊大為減小，延長了設備的使用壽命，減少了設備的維修量和維護費用；
(2) 進一步完善了保護功能，如熱保護，過電流、過電壓、欠電壓、短路、缺相保護等功能；
(3) 操作簡單方便，運行平穩，電機、空壓機溫升正常，噪音、振動減小；
(4) 空壓機不再頻繁的加載和卸載，供氣壓力穩定，提高了產品質量。
其他作者：
張剛（1972-），男，講師，研究方向為FCS、自動測控技術等。
參考文獻
[1] 韓安榮. 通用變頻器及應用[M]. 北京: 機械工業出版社.
[2] 宛如意, 等. 空氣壓縮機系統的變頻調速節能改造[J]. 變頻器世界, 2001-4.
[3] ABB. ACS800固件手冊[Z].
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號