唐延嵩

【摘 要】空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內(nèi)進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備。作為基礎工業(yè)裝備，空壓機在冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應用。空壓機占大型工業(yè)設備（風機、水泵、鍋爐、空壓機等）耗電量的15%。由于結(jié)構(gòu)原理的原因，大部分空壓機自身存在著明顯的技術(shù)弱點。采用PLC和變頻器實現(xiàn)對空氣壓縮機的節(jié)能改造，可使其自動化程度高，節(jié)能效果顯著，實用性好。

【關(guān)鍵詞】空壓機；變頻器；節(jié)能；改造

1.原系統(tǒng)存在的問題

由于空壓機不能排除在滿負荷狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以只能按最大需要來決定電動機的容量，設計余量一般偏大。工頻起動設備時的沖擊大，電機軸承的磨損大，所以設備維護量大。雖然都是降壓啟動，但起動時的電流仍然很大，會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設備的運行安全，而且大多數(shù)是連續(xù)運行，由于一般空氣壓縮機的拖動電機本身不能調(diào)速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現(xiàn)降速調(diào)節(jié)輸出功率的匹配，電機不允許頻繁啟動，導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，電能浪費巨大。經(jīng)常卸載和加載導致整個氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命?？諌簷C的有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門或調(diào)節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉(zhuǎn)速不變，電機功率下降幅度比較小。

2.變頻空壓機系統(tǒng)控制方案

根據(jù)普通空壓機運行工況存在的問題并結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，變頻空壓機后系統(tǒng)能滿足以下要求：

2.1電機變頻運行狀態(tài)保持儲氣罐出口壓力穩(wěn)定，壓力波動范圍控制在±0.02Mpa

在工頻運行的方式中，利用空壓機的容調(diào)控制，以及起跳、回跳壓力控制得到的儲壓罐的壓力仍然是較為粗略的，而且經(jīng)常會波動。這將影響最終用戶的使用。

而使用變頻空壓機來改變運行速度，因為空壓機可以平滑的控制其供氣量，壓力波動控制更加精確，最終用戶可以得到更加穩(wěn)定的氣壓。

2.2系統(tǒng)具有開環(huán)和閉環(huán)兩套控制回路

變頻空壓機控制系統(tǒng)，同時具有兩種控制方式及開環(huán)、閉環(huán)。在正常狀態(tài)下，可以利用閉環(huán)的控制方式，系統(tǒng)將自動的根據(jù)儲壓罐內(nèi)壓縮空氣的壓力自動的控制變頻運行空壓機的運行轉(zhuǎn)速，從而控制空壓機的供氣量。當系統(tǒng)故障，或者時壓力傳感器故障時，可以切換到開環(huán)運行，直接給定空壓機的運行速度，從而可以手動控制空壓機的運行狀況以及供氣速度。

2.3一臺變頻空壓機能控制多臺空壓機組，可用轉(zhuǎn)換開關(guān)切換

該系統(tǒng)中僅僅只需配置一臺變頻空壓機，但是可以選擇拖動的空壓機。也就是說，可以一套變頻系統(tǒng)多臺空壓機使用。這樣當其中一臺空壓機需要進行維修，或者是更換時，可以方便的切換到另外一臺空壓機變頻運行。

2.4為保證空壓機的節(jié)能效果，盡可能的避開容調(diào)控制

因為容調(diào)控制是非常耗能的，因此采用變頻運行的空壓機組必須很好的避開容調(diào)控制功能，才能盡可能的節(jié)省電能。首先當空壓機變頻運行時，通過電磁閥防止空壓機進入容調(diào)功能；若一臺空壓機工頻運行，另外一臺空壓機變頻運行，則將工頻運行的空壓機的容調(diào)設置壓力提高，避免容調(diào)運行。

2.5可靠的切換

變頻系統(tǒng)同時控制多臺空壓機的變頻和工頻運行，因此必須根據(jù)壓力（外界壓縮空氣的使用量），自動起動或停止工頻使用的空壓機。為了保證可靠的判斷和切換空壓機運行，系統(tǒng)設置了三個回差控制，保證切換的可靠，防止反復切換的故障發(fā)生。當外界的用氣量增加，系統(tǒng)會自動的升高頻率，當頻率達到最大，壓力仍然不能滿足時，系統(tǒng)將自動的延時啟動另外一臺工頻空壓機，同時仍然恒壓運行。當外界的用氣量下降，系統(tǒng)會自動的降低頻率，當頻率達到最小時，壓力仍然過高，系統(tǒng)將延時停止工頻運行空壓機，變頻運行的空壓機仍然恒壓運行。

3.變頻空壓機系統(tǒng)功能特點

3.1該系統(tǒng)采用電源端的工頻/變頻互鎖的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用的是在電機的輸入電源端直接工頻和變頻連鎖，這樣非常好的保證系統(tǒng)的安全運行；保證系統(tǒng)的可靠。

3.2系統(tǒng)采用大慣量PID控制算法，實現(xiàn)壓力無靜差控制

空壓機系統(tǒng)輸出的壓縮空氣首先進入儲氣罐，儲氣罐可以儲存氣壓的能量，使得壓力變化平穩(wěn)。但儲氣罐的存在將導致系統(tǒng)反饋的慣量大大增加，使得該系統(tǒng)成為了大慣量控制系統(tǒng)。大慣量控制系統(tǒng)使用普通的PID控制將很可能導致系統(tǒng)超調(diào)嚴重、振蕩幅度大、系統(tǒng)不穩(wěn)定等一系列弊病。因此在該方案里采用了專門的大慣量PID控制系統(tǒng)，大幅度降低了系統(tǒng)超調(diào)的產(chǎn)生，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3系統(tǒng)采用智能控制，可以實現(xiàn)分時段壓力控制

系統(tǒng)的壓力設定不再是一個單純的設定值，而是一條根據(jù)貴廠一天用氣量而設定的壓力曲線，一旦壓力曲線確定下來后系統(tǒng)將根據(jù)內(nèi)部的實時時鐘，按照預先設定的壓力曲線自動運行。

系統(tǒng)可以將一天24小時自動分為多段（最多為5段），每段的起始時間和終止時間可以人為進行設定；每段都可以設定一個壓力設定值，這樣當時域性的用氣低峰期，可以在較低的壓力下運行；相反時域性的用氣高峰期，可以在較高的壓力下運行，最大可能的進行節(jié)能。

3.4零用氣量自動停機功能

系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶的要求實現(xiàn)零用氣量自動停機功能（即空壓機出口閥門是自動逆止閥，當用氣量相當小而儲氣管內(nèi)壓力非常大時，可以自動關(guān)機）。當用氣量比較大的時候再恢復開機。這樣在節(jié)假及雙休日等非正常工作日或是深夜時，系統(tǒng)將自動停機，從而實現(xiàn)最大節(jié)能。注：空壓機在使用變頻改造后，因為系統(tǒng)的沖擊將為0，因此可以頻繁啟動空壓機。

3.5上位機界面圖形化界面，設定更簡單，監(jiān)控更加直觀

該系統(tǒng)采用上位機，其功能完善，質(zhì)量可靠，而且在設計中基本采用圖形的方式進行顯示和監(jiān)控，使設定和監(jiān)控更加簡單和直觀。

3.6報警信號采用中文顯示

報警信號采用全中文顯示，方便直觀?？梢栽诘谝粫r間內(nèi)判斷故障的所在，進行故障排除。另外在報警控制的同時，還配備一定的聲光報警信號，以及在上位機界面上配備故障排除的幫助界面，加快了系統(tǒng)故障的響應速度。

3.7上位機界面中含有關(guān)鍵參數(shù)自動記錄功能

在上位機界面中，集成了類似于無紙記錄儀的參數(shù)歷史曲線記錄功能，可以對近10000個數(shù)據(jù)進行采集和記錄，在人機界面內(nèi)部自動形成歷史曲線，并可以對該曲線實時的進行瀏覽。

3.8關(guān)鍵參數(shù)在上位機界面中直接設定

若采用分時段壓力控制，系統(tǒng)將以圖形的方式顯示曲線，可以在曲線上直接進行設定。關(guān)鍵參數(shù)可以受3級密碼進行修改權(quán)限的劃分，保證參數(shù)設定的安全。

4.空壓機變頻改造后的效益

4.1節(jié)約能源

變頻器控制壓縮機與傳統(tǒng)控制的壓縮機比較，能源節(jié)約是最有實際意義的，根據(jù)空氣量需求來供給的壓縮機工況是經(jīng)濟的運行狀。

4.2運行成本降低

通過能源成本降低44.3%，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。

4.3提高壓力控制精度

由于變頻控制電機速度的精度提高，所以它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力變化保持在3pisg變化范圍，也就是0.2bar范圍內(nèi)，有效地提高了工況的質(zhì)量。

4.4延長壓縮機的使用壽命

變頻器從0HZ起動壓縮機，它的起動加速時間可以調(diào)整，從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。

4.5降低了空壓機的噪音

根據(jù)壓縮機的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機運轉(zhuǎn)速度明顯減慢，因此有效地降低空壓機運行時的噪音?，F(xiàn)場測定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約3至7分貝。

【參考文獻】

[1]方璇峰.電機原理及拖動基礎[M].中國礦業(yè)大學出版社，2010.

[2]余發(fā)山.自動控制系統(tǒng)[M].中國礦業(yè)大學出版社，2005.

[3]王玉中.常用低壓電器原理及其控制技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2006.