高壓變頻器在活塞式空壓機(jī)上的應(yīng)用

本文主要介紹了空壓機(jī)基本工藝，同時(shí)介紹了空壓機(jī)變頻改造的可行性和高壓變頻對(duì)空壓機(jī)改造的案例及其效果

一、引言

空氣壓縮機(jī)是空氣供給系統(tǒng)的心臟，俗稱(chēng)氣泵，它可以將空氣的壓力從普通的大氣壓提升到預(yù)定的壓力值，以供生產(chǎn)使用，空氣壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于電力、紡織、鋼鐵、食品、制藥等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，種類(lèi)有很多，但其供氣控制方式大多采用的是加、卸載控制方式。該供氣控制方式雖然動(dòng)作原理簡(jiǎn)單，但存在電能浪費(fèi)大，啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，供氣壓力不穩(wěn)定，進(jìn)氣閥容易損壞等諸多問(wèn)題。根據(jù)國(guó)家節(jié)能減排的要求，大多數(shù)企業(yè)都采用最新的電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備低耗高效的生產(chǎn)運(yùn)行。

二、工藝介紹

空壓機(jī)供氣系統(tǒng)具體工作流程為：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動(dòng)器線(xiàn)圈并打開(kāi)斷油閥，空壓機(jī)在卸載模式下啟動(dòng)，這時(shí)進(jìn)氣閥處于關(guān)閉位置，而放氣閥打開(kāi)以排放油氣分離器內(nèi)的壓力。等降壓n秒（由時(shí)間繼電器控制）后空壓機(jī)開(kāi)始加載運(yùn)行，系統(tǒng)壓力開(kāi)始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開(kāi)關(guān)上限值，即起跳壓力，控制器使進(jìn)氣閥關(guān)閉，油氣分離器放氣，壓縮機(jī)空載運(yùn)行，直到系統(tǒng)壓力降到壓力開(kāi)關(guān)下限值后，即回跳壓力下，控制器使進(jìn)氣閥打開(kāi)，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，壓縮機(jī)打開(kāi)，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，壓縮機(jī)滿(mǎn)載運(yùn)行。

在管道供氣系統(tǒng)中，最基本的控制對(duì)象是流量，供氣系統(tǒng)的基本任務(wù)就是滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)流量的需求。目前，常見(jiàn)的氣體流量控制方式有加、卸載供氣控制方式和轉(zhuǎn)速控制方式兩種。

加、卸載供氣控制方式即為進(jìn)氣閥開(kāi)關(guān)控制方式，即壓力達(dá)到上限時(shí)關(guān)閥，壓縮機(jī)進(jìn)入輕載運(yùn)行；壓力抵達(dá)下限時(shí)開(kāi)閥，壓縮機(jī)進(jìn)入滿(mǎn)載運(yùn)行。

經(jīng)常卸載和加載導(dǎo)致整個(gè)氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命?？諌簷C(jī)的有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門(mén)或調(diào)節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)功率下降幅度比較小。

加載時(shí)的電能消耗分析：在壓力達(dá)到最小值后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會(huì)繼續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過(guò)程中,一定要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(jìn)入氣動(dòng)元件前，其壓力需要經(jīng)過(guò)減壓閥減壓,這一過(guò)程同樣是一個(gè)耗能過(guò)程。

卸載時(shí)電能的消耗分析：當(dāng)壓力達(dá)到壓力最大值時(shí)，空壓機(jī)通過(guò)如下方法來(lái)降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)將分離罐中多余的壓縮成很大的能量浪費(fèi)。據(jù)我們測(cè)算，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)的10%～25%(這空氣通過(guò)放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造還是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機(jī)20%的時(shí)間處于空載狀態(tài)，在作無(wú)用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。

靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)。用氣精度達(dá)不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，會(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。頻繁采用打開(kāi)和關(guān)閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。

三、空壓機(jī)節(jié)能計(jì)算理論

1)流量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：

Qth=(丌/2)DLλN

(1)式中：Qth――理論流量，m?/min D――葉輪外徑，m

L――葉輪長(zhǎng)度，m N――葉輪轉(zhuǎn)速r/min

λ――面積利用系數(shù)；表示氣缸空間的有效利用程度（圓弧一漸開(kāi)線(xiàn)型線(xiàn)的面積利用系數(shù)λ＝0.563～0.521）

2)實(shí)際流量Q為：

Q＝Qthη

(2)式中：η――容積效率，一般為0.7～0.9

由（１）和（２）可知，對(duì)每一臺(tái)空壓機(jī)，其氣缸容積利用系數(shù)都是一個(gè)定值，當(dāng)可忽略容積效率的變化時(shí)，空壓機(jī)的流量正比于轉(zhuǎn)速．

3)功率特性

空壓機(jī)的軸功率為：

P =( QthΔH)/6000β

(3)式中： P――軸功率，KW Qth――理論流量，m?/min

ΔH――進(jìn)出口壓差，Pa β――機(jī)械效率，一般為0.9

由式（１）和（３）可知，當(dāng)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，其軸功率與轉(zhuǎn)速成正比

4)轉(zhuǎn)矩特性

空壓機(jī)的轉(zhuǎn)矩為：

M=9552(P/N)

(4)由于空壓機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速在正比，因此式（４）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩不變，即空壓機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行．

可見(jiàn)空壓機(jī)風(fēng)量Q和電機(jī)的轉(zhuǎn)速n是成正比關(guān)系的，而軸功率P與轉(zhuǎn)速也是成正比關(guān)系。所以當(dāng)需要80％的額定風(fēng)量時(shí)，通過(guò)變頻調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80％，即調(diào)節(jié)頻率到40赫茲即可，這時(shí)所需功率將僅為原來(lái)的80％．

考慮減速后效率下降和調(diào)速裝置的附加損耗，通過(guò)實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)，一般空壓機(jī)通過(guò)變頻調(diào)速控制可節(jié)能10％～40％；詳情見(jiàn)下圖1：

圖 1 節(jié)能示意圖

四、系統(tǒng)方案

通過(guò)改變空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門(mén)的開(kāi)度保持不變（一般保持最大開(kāi)度）。

當(dāng)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，供氣系統(tǒng)的揚(yáng)程特性隨之改變，而管阻特性不變。在這種控制方式下，通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)改變空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，空壓機(jī)的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變，達(dá)到真正的供需平衡。

采用的是深圳市 電氣股份有限公司的CHH100-0630-10高壓變頻器。

4.1一次控制方案

本項(xiàng)目切換控制旁路系統(tǒng)采用一拖一手動(dòng)方案，變頻與工頻能夠手動(dòng)切換，其一次原理圖如下圖2所示：

圖 2 高壓變頻一拖一手動(dòng)切換控制圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶(hù)開(kāi)關(guān)、一拖一手動(dòng)切換旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機(jī)組成。一拖一手動(dòng)切換旁路柜是由三個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2、QS3組成。手動(dòng)旁路柜嚴(yán)格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計(jì)，變頻器輸入輸出高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2和旁路高壓隔離開(kāi)關(guān)QS3機(jī)械閉鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運(yùn)行。

?在變頻運(yùn)行狀況下，QS1、QS2閉合，QS3斷開(kāi)。如需切換至工頻運(yùn)行時(shí)(故障)，系統(tǒng)先停止變頻器輸出，斷開(kāi)用戶(hù)開(kāi)關(guān), 再由機(jī)械操作依次斷開(kāi)QS1、QS2，然后機(jī)械操作閉合QS3,使電機(jī)切換至工頻側(cè)，再合上用戶(hù)開(kāi)關(guān),使電機(jī)工頻運(yùn)行；

?在工頻旁路運(yùn)行狀況下QS3閉合，QS1、QS2斷開(kāi)。如需手動(dòng)切換至變頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)先斷開(kāi)用戶(hù)開(kāi)關(guān)，由機(jī)械操作斷開(kāi)QS3，然后由機(jī)械操作依次閉合QS1、QS2，使電機(jī)切換至變頻側(cè)，再合上用戶(hù)開(kāi)關(guān), 變頻器自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行相位和頻率，在沒(méi)有電流沖擊的情況下，電機(jī)投入變頻運(yùn)行。

該系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，10kV輸入，10kV高壓輸出，屬高－高電壓源型變頻器。

4.2二次控制方案

把管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，通過(guò)裝在出氣口的壓力變送器檢測(cè)管網(wǎng)壓力，將壓力值變換為電信號(hào)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)或變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出電壓和逆變頻率，調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力（如下圖）。特別注意，在壓力容差范圍內(nèi)，變頻器的PID不調(diào)節(jié)，即保持輸出頻率不變。整個(gè)控制過(guò)程如下：

用氣需求↑——管路氣壓↓——壓力設(shè)定值與反饋值的差值↑——PID輸出↑——變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出頻率↑——空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速↑——供氣流量↑——管路氣壓趨于穩(wěn)定

長(zhǎng)期實(shí)踐證明，在供氣系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)管道中的流量，以取代閥門(mén)調(diào)節(jié)方式，能取得明顯的節(jié)能效果，另外，變頻器的軟啟動(dòng)功能及平滑調(diào)速的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，同時(shí)減少啟動(dòng)沖擊并延長(zhǎng)機(jī)組及管組的使用壽命；變頻器有效提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。

五、空壓機(jī)變頻改造優(yōu)點(diǎn)

使用 高壓變頻器的對(duì)現(xiàn)用的空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，以建立恒壓供氣系統(tǒng)，從而達(dá)到節(jié)電、減少噪音、降低設(shè)備磨損、減少電網(wǎng)沖擊、提高功率因數(shù)、起到穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的效果，達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能預(yù)期。

六、結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)同行對(duì)高壓空壓機(jī)的變頻改造案例很少， 高壓變頻成功應(yīng)用在空壓機(jī)改造，標(biāo)志著 高壓變頻技術(shù)已達(dá)到一個(gè)新的臺(tái)階。