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BD330系列變頻器在螺桿空壓機(jī)上的應(yīng)用方案

一、引言 

空氣壓縮機(jī)是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備，主要有吸氣、壓縮、作功輸送和排氣四個(gè)主要過程。已有幾百年的應(yīng)用歷史，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面也經(jīng)過了100年的發(fā)展，原理是成熟的，但大容量的空壓機(jī)在工作過程的帶載啟動(dòng)和泄載一直是一個(gè)難題。在結(jié)構(gòu)上分常見有活塞式、螺桿式、離心式和渦旋式空壓機(jī)等。它的用途廣泛，可以用于冶金、機(jī)械制造、礦山、電力、紡織、石油化工等各個(gè)行業(yè)，是各種工廠、筑路、礦山及建筑行業(yè)的必備設(shè)備。空壓機(jī)占大型工業(yè)設(shè)備(風(fēng)機(jī)、水泵、鍋爐、空壓機(jī)等)耗電量的15%。經(jīng)考察，大部分空壓機(jī)自身存在著以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

1．當(dāng)輸出壓力大于一定值時(shí)，自動(dòng)打開泄載閥，使異步電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，屬非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。

2．異步電動(dòng)機(jī)易頻繁的啟動(dòng)、停止，影響電機(jī)的使用壽命。

3．工作條件惡劣，自動(dòng)排空放氣時(shí)噪音極大，造成環(huán)境污染。

4．自動(dòng)化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠人為調(diào)節(jié)閥的開度來實(shí)現(xiàn)的，調(diào)節(jié)速度慢，波動(dòng)大，不穩(wěn)定，精度低。

5．空壓機(jī)工頻啟動(dòng)電流大，對電網(wǎng)沖擊大，電機(jī)軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大。

6．上下限壓力不易調(diào)節(jié)。壓力調(diào)得太小則易造成不斷的起停而燒毀電機(jī)及電磁開關(guān)；調(diào)節(jié)的太大則易造成管路的高壓力、高的傳送損失、漏氣、管路破裂的危險(xiǎn)，而且壓力范圍太大也無法滿足現(xiàn)代化工藝要求。

綜上所述，可用變頻器對現(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。近年來，通過變頻調(diào)速技術(shù)改變空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且空壓機(jī)的供氣流量隨著用氣流量的改變自行調(diào)節(jié)，達(dá)到真正的供需平衡，在節(jié)能的同時(shí)，也可使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳工作效率，變頻空壓機(jī)成為空壓機(jī)市場的發(fā)展趨勢。

二、空氣壓縮機(jī)機(jī)組簡介

1．工藝流程

由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，使曲軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿使活塞產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起氣缸容積變化。由于氣缸內(nèi)壓力的變化，通過進(jìn)氣閥使空氣經(jīng)過空氣濾清器進(jìn)入氣缸，在壓縮行程中，由于氣缸容積的縮小，壓縮空氣經(jīng)過排氣閥的作用，經(jīng)排氣管，單向閥（止回閥）進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，當(dāng)排氣壓力達(dá)到額定壓力時(shí)由壓力開關(guān)控制而自動(dòng)停機(jī)。當(dāng)儲(chǔ)氣罐壓力降至下限壓力時(shí)壓力開關(guān)自動(dòng)聯(lián)接啟動(dòng)，如此反復(fù)工作。

2．系統(tǒng)配置

空壓機(jī)系統(tǒng)主要有動(dòng)力傳輸系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)主機(jī)中轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)），空氣壓縮系統(tǒng)，（空氣從空濾進(jìn)入機(jī)頭經(jīng)壓縮后降溫，除油除水除雜質(zhì)進(jìn)入用氣單位）。冷卻潤滑系統(tǒng)（一般都是潤滑油全程參與氣體壓縮，減少阻力并作為熱力傳導(dǎo)介質(zhì)，后與氣體分離，冷卻后再參與氣體壓縮）。

三、空壓機(jī)變頻改造原理介紹（以螺桿機(jī)為例） 

　　變頻調(diào)速技術(shù)近年來發(fā)展迅速，并在許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。由于許多螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行方式是加載、減載方式。減載時(shí)電機(jī)空轉(zhuǎn),那么能源都被白白的浪費(fèi)了，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自身不能改變，只能通過改變電機(jī)頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。變頻控制即通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制空壓機(jī)單位時(shí)間的出風(fēng)量，從而達(dá)到控制管路的壓力。原理如下:通過壓力變送器測得的管網(wǎng)壓力值與壓力的設(shè)定值相比較，得到偏差，經(jīng)PID調(diào)節(jié)器計(jì)算出變頻器作用于異步電動(dòng)機(jī)的頻率值。由變頻器輸出的相應(yīng)頻率和幅值的交流電，使電動(dòng)機(jī)上得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。那么空壓機(jī)輸出相應(yīng)的壓縮空氣至儲(chǔ)氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同。

四、空壓機(jī)變頻改造方案

1．系統(tǒng)方案實(shí)例

空壓機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)具有恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)，電動(dòng)機(jī)的軸功率PL與轉(zhuǎn)速n 成正比。大多處于長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，但負(fù)載大小常有變動(dòng)，為連續(xù)變動(dòng)負(fù)載。飛輪力矩大，故要求有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)次數(shù)少，對升、降速時(shí)間無特殊要求。大多有自動(dòng)卸載與裝載裝置，在自動(dòng)卸載或裝載時(shí)，負(fù)載將突變。

由于空壓機(jī)不排除在滿負(fù)荷狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以，選型時(shí)要按照最大需求來確定變頻器功率，變頻器要留一些余量。傳統(tǒng)空壓機(jī)大多是采用星三角降壓啟動(dòng)，但工頻啟動(dòng)時(shí)電流仍然能達(dá)到額定電流的2～3倍，沖擊大，會(huì)影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性。且大多數(shù)空壓機(jī)是連續(xù)運(yùn)行，由于一般空壓機(jī)的電機(jī)本身不能根據(jù)壓力需求的變動(dòng)來實(shí)現(xiàn)降速，使電機(jī)輸出功率與現(xiàn)場實(shí)際壓力需求量相匹配，導(dǎo)致在用氣量少的時(shí)候仍然要空載運(yùn)行，采用富凌空壓機(jī)專用變頻器改造后，可以根據(jù)壓力信號(hào)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，平穩(wěn)的調(diào)整儲(chǔ)氣罐壓力，減小對電網(wǎng)的沖擊，達(dá)到節(jié)能的目的。

以某機(jī)械廠使用的一臺(tái)英格索蘭EP100螺桿式油冷型空壓機(jī)為實(shí)例，電動(dòng)機(jī)的功率為75KW，最大的空氣壓力為0.86MPa。設(shè)備改造前空壓機(jī)工作在工頻狀態(tài)，壓力采用兩點(diǎn)控制（上、下限控制），即當(dāng)空壓機(jī)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值上限時(shí)，空壓機(jī)通過本身的油壓關(guān)閉進(jìn)氣閥；當(dāng)壓力下限降到設(shè)定值下限時(shí)，空壓機(jī)打開進(jìn)氣閥，調(diào)節(jié)壓力為0.6MPa，超過設(shè)定壓力則空壓機(jī)卸載。由用氣車間生產(chǎn)的工作狀況決定了用氣量的時(shí)常變化，這樣就導(dǎo)致了空壓機(jī)頻繁的加載和卸載。加載時(shí)電機(jī)電流為120A，卸載時(shí)電機(jī)電流為60A，對電動(dòng)機(jī)、空壓機(jī)和電網(wǎng)沖擊較大。另外卸載運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生壓縮空氣，電動(dòng)機(jī)呈空載狀態(tài)，其用電量為滿負(fù)荷的60%，浪費(fèi)較大。

在保留原工頻系統(tǒng)情況下，增加變頻系統(tǒng)，做到了工頻∕變頻互鎖切換。通過外部控制電路，使空壓機(jī)啟停操作步驟如前，原有監(jiān)控儀表的油溫、油壓等儀表仍然保留使用。本系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)控制，在原來的壓力儲(chǔ)氣罐上加裝一個(gè)壓力傳感器，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào)送到變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器將信號(hào)與壓力設(shè)定目標(biāo)值進(jìn)行比較運(yùn)算后輸出控制信號(hào)。變頻器依據(jù)該信號(hào)輸出頻率，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)供氣壓力，保持壓力的恒定，使空壓機(jī)始終處于節(jié)電經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

2．空壓機(jī)系統(tǒng)圖示

3．改造基本原理圖

4．參數(shù)設(shè)定

控制接線圖：

       變頻改造接線圖                                 改造前空壓機(jī)控制電路

5．注意問題

電動(dòng)機(jī)經(jīng)過變頻器變頻運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速降低，其電機(jī)風(fēng)扇的散熱效果也降低。空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，潤滑油的耗量也就越小，其潤滑效果越差。在滿足生產(chǎn)工藝的要求下，壓力設(shè)定越低，電動(dòng)機(jī)耗電就越小。故綜合節(jié)能效果和空壓機(jī)的機(jī)械特性，把系統(tǒng)壓力設(shè)定在為0.6MPa運(yùn)行。既滿足空壓機(jī)散熱和潤滑的需要，又能降低電能損耗。

6．節(jié)能效果

使用變頻器前空壓機(jī)用電為58度/小時(shí)，使用變頻器后加載電流為107A，卸載電流為45A。因采用了PID控制，頻率在27Hz～46Hz，工作壓力在0.6MPa左右，用電量為45度/小時(shí)，每小時(shí)節(jié)電為13度。

每月節(jié)電量=13度×24小時(shí)×30天=9360度。

每月節(jié)約電費(fèi)=9360度×1.00元/度=9360元。

經(jīng)濟(jì)效益明顯，投資回報(bào)率很高。

五、空壓機(jī)變頻改造后的效益

1．節(jié)約能源。變頻器控制壓縮機(jī)與傳統(tǒng)控制的壓縮機(jī)比較，能源節(jié)約是最有實(shí)際意義的，根據(jù)空氣量需求來供給的壓縮機(jī)工況是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀況。

2．運(yùn)行成本降低。傳統(tǒng)壓縮機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成：初始采購成本、維護(hù)成本和能源成本。其中能源成本大約占壓縮機(jī)運(yùn)行成本的77%。通過能源成本降低44.3%，再加上變頻起動(dòng)后對設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也跟隨降低，所以運(yùn)行成本將大大降低。

3．提高壓力控制精度。變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力。使壓縮機(jī)的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機(jī)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．延長壓縮機(jī)的使用壽命。變頻器從0HZ起動(dòng)壓縮機(jī)，它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整，從而減少起動(dòng)時(shí)對壓縮機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機(jī)的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。

5．降低了空壓機(jī)的噪音。根據(jù)壓縮機(jī)的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯減慢，因此有效地降低了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音。

六、結(jié)束語

綜上所述，由于空壓機(jī)可以在保證生產(chǎn)所需要的最低壓力下運(yùn)行，電機(jī)輸入功率大大下降，輔以壓力閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的供氣壓力與轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)匹配，減少了電機(jī)的實(shí)際輸入功率，達(dá)到節(jié)能目的。即電機(jī)的轉(zhuǎn)速由供氣壓力來控制，壓縮機(jī)需要多大的功率，電機(jī)就輸出多大的功率，而不必做無用功，從而取得良好的節(jié)能效果，節(jié)能的第二方面是空壓機(jī)停止了空轉(zhuǎn)，電機(jī)不存在輕載運(yùn)行，這部分能量很可觀。相應(yīng)帶來的其它好處是：供氣壓力穩(wěn)定，通過壓力調(diào)節(jié)器，可使空壓機(jī)保持在設(shè)定的壓力值下工作，壓力穩(wěn)定可靠性高，而且壓力可以無級設(shè)定，隨時(shí)可調(diào)。電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，壓縮機(jī)的使用壽命及檢修周期都將得到大大延長。空壓機(jī)排氣量由空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制，氣缸內(nèi)氣閥片不再反復(fù)地開啟和關(guān)閉，閥座、彈簧等工作條件大大改善，避免了高溫、高壓氣體急劇的流動(dòng)與沖擊，維修工作量減少。