摘  要：本文主要介紹了空壓機基本工藝，同時介紹了空壓機變頻改造的可行性和英威騰高壓變頻對空壓機改造的案例及其效果。

　　關(guān)鍵詞：高壓變頻器  活塞式空壓機

一、引言

　　空氣壓縮機是空氣供給系統(tǒng)的心臟，俗稱氣泵，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，空氣壓縮機被廣泛應(yīng)用于電力、紡織、鋼鐵、食品、制藥等工業(yè)現(xiàn)場?？諌簷C在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，種類有很多，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作原理簡單，但存在電能浪費大，啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊大，供氣壓力不穩(wěn)定，進氣閥容易損壞等諸多問題。根據(jù)國家節(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)和自動控制技術(shù)來實現(xiàn)設(shè)備低耗高效的生產(chǎn)運行。

二、工藝介紹

　　空壓機供氣系統(tǒng)具體工作流程為：當(dāng)按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動器線圈并打開斷油閥，空壓機在卸載模式下啟動，這時進氣閥處于關(guān)閉位置，而放氣閥打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力。等降壓n秒（由時間繼電器控制）后空壓機開始加載運行，系統(tǒng)壓力開始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開關(guān)上限值，即起跳壓力，控制器使進氣閥關(guān)閉，油氣分離器放氣，壓縮機空載運行，直到系統(tǒng)壓力降到壓力開關(guān)下限值后，即回跳壓力下，控制器使進氣閥打開，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，壓縮機打開，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，壓縮機滿載運行。

　　在管道供氣系統(tǒng)中，最基本的控制對象是流量，供氣系統(tǒng)的基本任務(wù)就是滿足用戶對流量的需求。目前，常見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氣閥開關(guān)控制方式，即壓力達到上限時關(guān)閥，壓縮機進入輕載運行；壓力抵達下限時開閥，壓縮機進入滿載運行。

　　經(jīng)常卸載和加載導(dǎo)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。

　　加載時的電能消耗分析：在壓力達到最小值后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過程中,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入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓,這一過程同樣是一個耗能過程。

　　卸載時電能的消耗分析：當(dāng)壓力達到壓力最大值時，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮成很大的能量浪費。據(jù)我們測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%～25%(這空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機20%的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節(jié)能空間。

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

三、空壓機節(jié)能計算理論

　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，m³/min                  D――葉輪外徑，m

　　L――葉輪長度，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（圓弧一漸開線型線的面積利用系數(shù)λ＝0.563～0.521）

　2) 實際流量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，對每一臺空壓機，其氣缸容積利用系數(shù)都是一個定值，當(dāng)可忽略容積效率的變化時，空壓機的流量正比于轉(zhuǎn)速．

　3) 功率特性

　　空壓機的軸功率為：

　　            P =( QthΔH)/6000β                   (3)

　　式中：  P――軸功率，KW                Qth――理論流量，m³/min

　　ΔH――進出口壓差，Pa             β――機械效率，一般為0.9

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

　4) 轉(zhuǎn)矩特性

　　空壓機的轉(zhuǎn)矩為：

　　M=9552(P/N)                            (4)

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

　　可見空壓機風(fēng)量Q和電機的轉(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，通過變頻調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80％，即調(diào)節(jié)頻率到40赫茲即可，這時所需功率將僅為原來的80％．

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

　　

　　圖 1 節(jié)能示意圖

四、系統(tǒng)方案

　　通過改變空壓機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門的開度保持不變（一般保持最大開度）。

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

　　采用的是深圳市英威騰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

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

　　

　　圖 2 CHH100系列高壓變頻一拖一手動切換控制圖

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關(guān)、一拖一手動切換旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機組成。一拖一手動切換旁路柜是由三個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2、QS3組成。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計，變頻器輸入輸出高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和旁路高壓隔離開關(guān)QS3機械閉鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運行。

　　? 在變頻運行狀況下，QS1、QS2閉合，QS3斷開。如需切換至工頻運行時(故障)，系統(tǒng)先停止變頻器輸出，斷開用戶開關(guān), 再由機械操作依次斷開QS1、QS2，然后機械操作閉合QS3,使電機切換至工頻側(cè)，再合上用戶開關(guān),使電機工頻運行；

　　? 在工頻旁路運行狀況下QS3閉合，QS1、QS2斷開。如需手動切換至變頻運行時，系統(tǒng)先斷開用戶開關(guān)，由機械操作斷開QS3，然后由機械操作依次閉合QS1、QS2，使電機切換至變頻側(cè)，再合上用戶開關(guān), 變頻器自動檢測電機運行相位和頻率，在沒有電流沖擊的情況下，電機投入變頻運行。

　　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)壓力作為控制對象，通過裝在出氣口的壓力變送器檢測管網(wǎng)壓力，將壓力值變換為電信號傳輸給遠程監(jiān)控系統(tǒng)或變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出電壓和逆變頻率，調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，從而使實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。整個控制過程如下：

　　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↑——空壓機電機轉(zhuǎn)速↑——供氣流量↑——管路氣壓趨于穩(wěn)定

　　長期實踐證明，在供氣系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變空壓機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道中的流量，以取代閥門調(diào)節(jié)方式，能取得明顯的節(jié)能效果，另外，變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點可實現(xiàn)對流量的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，同時減少啟動沖擊并延長機組及管組的使用壽命；變頻器有效提高電動機的功率因數(shù)。

五、空壓機變頻改造優(yōu)點

　　使用英威騰高壓變頻器的對現(xiàn)用的空壓機系統(tǒng)進行改造，以建立恒壓供氣系統(tǒng)，從而達到節(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，達到了預(yù)期效果，實現(xiàn)了節(jié)能預(yù)期。

六、結(jié)束語

　　目前國內(nèi)同行對高壓空壓機的變頻改造案例很少，英威騰高壓變頻成功應(yīng)用在空壓機改造，標志著英威騰高壓變頻技術(shù)已達到一個新的臺階。

　參考文獻：

　　[1] 《CHH100系列高壓變頻器產(chǎn)品說明書》深圳市英威騰電氣股份有限公司

　　[2]  仲明振  趙相賓  《高壓變頻器應(yīng)用手冊》機械工業(yè)出版社  2010-09出版