EV100在空壓機(jī)上的應(yīng)用

█ 空壓機(jī)概況

   空壓機(jī)，全名為空氣壓縮機(jī)，是一種工礦企業(yè)中最常用的空氣動(dòng)力提供設(shè)備。通常，空壓機(jī)分為螺桿式空壓機(jī)、活塞式空壓機(jī)等。

● 螺桿式空壓機(jī)工作原理

螺桿式空壓機(jī)是由一對(duì)相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子(或稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實(shí)現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程?？諌簷C(jī)的進(jìn)氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽和陽轉(zhuǎn)子的齒被主電機(jī)驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。

● 活塞式空壓機(jī)工作原理

活塞式空壓機(jī)是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)曲軸，帶動(dòng)連桿與活塞桿，使活塞在壓縮機(jī)氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成吸入、壓縮、排出等過程,將無壓或低壓氣體升壓，并輸出到儲(chǔ)壓罐內(nèi)。其中，活塞組件，活塞與汽缸內(nèi)壁及汽缸蓋構(gòu)成容積可變的工作腔，在曲柄連桿帶動(dòng)下，在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)汽缸內(nèi)氣體的壓縮。

█ 空壓機(jī)系統(tǒng)控制

空壓機(jī)主電機(jī)運(yùn)行方式為星-角降壓起動(dòng)后全壓運(yùn)行，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)器線圈并打開斷油閥，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)開始加載運(yùn)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(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)壓力降到壓力開關(guān)下限值后，即回跳壓力下，控制器使進(jìn)氣閥打開，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，壓縮機(jī)打開，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，壓縮機(jī)滿載運(yùn)行。  

█ 空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能分析

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)就是要滿足用戶對(duì)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

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

由于空壓機(jī)不能排除在滿負(fù)荷狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以只能按最大需要來決定電動(dòng)機(jī)的容量，設(shè)計(jì)余量一般偏大。工頻起動(dòng)設(shè)備時(shí)的沖擊大，電機(jī)軸承的磨損大，所以設(shè)備維護(hù)量大。雖然都是降壓啟動(dòng)，但起動(dòng)時(shí)的電流仍然很大，會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設(shè)備的運(yùn)行安全，而且大多數(shù)是連續(xù)運(yùn)行，由于一般空氣壓縮機(jī)的拖動(dòng)電機(jī)本身不能調(diào)速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動(dòng)來實(shí)現(xiàn)降速調(diào)節(jié)輸出功率的匹配，電機(jī)不允許頻繁啟動(dòng)，導(dǎo)致在用氣量少的時(shí)候電機(jī)仍然要空載運(yùn)行，電能浪費(fèi)巨大。
　　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。　

● 轉(zhuǎn)速控制

即通過改變空壓機(jī)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(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，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。變頻器基于交一直一交電源變換原理，可根據(jù)控制對(duì)象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此，用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)的電源電壓，可方便地改變空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速。

█ 空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能原理

采用變頻器控制空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到節(jié)能是一種較為科學(xué)的控制方法。根據(jù)空壓機(jī)運(yùn)行特性知：

Q1 / Q2 = n1 / n2

H1 / H2 =（ n1 / n2）²

P1 / P2 =（ n1 / n2）³

式中 Q———空壓機(jī)供給管網(wǎng)風(fēng)量；

H———管網(wǎng)壓力；

P———電機(jī)消耗功率；

n———空壓機(jī)轉(zhuǎn)速。

由上式可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的80%，則空壓機(jī)供給管網(wǎng)風(fēng)量降為80%，管網(wǎng)壓力降為（80%）²，電機(jī)消耗功率則降為（80%）³，即51.2%，去除電機(jī)機(jī)械損耗和電機(jī)銅、鐵損耗等影響，節(jié)能效率也接近40%，這就是調(diào)速節(jié)能的原理所在。

長期實(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)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，一般節(jié)電率都在30％以上。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)沖擊并延長機(jī)組及管組的使用壽命。

█  空壓機(jī)變頻改造方案

● 空壓機(jī)變頻改造注意事項(xiàng)

　　1)空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，這種啟動(dòng)特點(diǎn)就很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跳過流保護(hù)的情況，建議選用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器，保證即能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣連續(xù)性，又保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行；

　　2)空壓機(jī)不允許長時(shí)間在低頻下運(yùn)行，當(dāng)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速過低，一方面將使空壓機(jī)的工作穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會(huì)加快磨損。所以工作的下限頻率應(yīng)不低于20Hz；

　　3)為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減小電機(jī)運(yùn)行噪音和溫升，提高電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。

● 恒壓供氣節(jié)能原理

如上所述，流量是供氣系統(tǒng)的基本控制對(duì)象，供氣流量需要隨時(shí)滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中，儲(chǔ)氣管中的氣壓能夠充分反映供氣能力與用氣需求之間的關(guān)系：

若   供氣流量 > 用氣流量   →   儲(chǔ)氣管氣壓上升

若   供氣流量 < 用氣流量   →   儲(chǔ)氣管氣壓下降

若   供氣流量 = 用氣流量   →   儲(chǔ)氣管氣壓不變

所以,保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達(dá)到的目的。

空氣壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí)，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

 

變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(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)去控制變頻器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。另外，采用該方案后，空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)時(shí)的大電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機(jī)在變頻器調(diào)速控制方式下工作。變頻器一旦出現(xiàn)故障，生產(chǎn)工藝不允許空氣壓縮機(jī)停機(jī)，因此，系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻切換功能，這樣當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機(jī)照常工作。

整個(gè)控制過程如下：

用氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設(shè)定值與返饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速↑ —— 供氣流量↑—— 管路氣壓趨于穩(wěn)定

圖2   壓力頻率PID曲線圖

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。

 

圖3   空壓機(jī)變頻電氣控制圖

如圖3,空壓機(jī)電機(jī)的電路上安裝了“市電”、“節(jié)電”接觸器，這樣可以有“市電運(yùn)行”與“節(jié)電運(yùn)行”兩種工作模式選擇：市電運(yùn)行模式下，變頻器不工作，整套系統(tǒng)按原有方式手動(dòng)起停、工頻運(yùn)行；節(jié)電運(yùn)行模式下，空壓機(jī)由變頻器直接拖動(dòng)，系統(tǒng)根據(jù)用氣量的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得儲(chǔ)氣罐始終保持恒定壓力的氣壓輸出。

█  總結(jié)

將變頻調(diào)速技術(shù)引入空氣壓縮機(jī)領(lǐng)域，是近幾年來各空壓機(jī)廠家研究的重要課題。各大牌專業(yè)空壓機(jī)供應(yīng)商都推出了自己變頻空壓機(jī)產(chǎn)品，并迅速在其高端市場(chǎng)具有很不錯(cuò)的表現(xiàn)。但目前，大量的工頻空壓機(jī)的應(yīng)用非常普遍，因此，空壓機(jī)的改造市場(chǎng)非常巨大。衷心希望此空壓機(jī)變頻改造方案能給廣大系統(tǒng)集成商、空壓機(jī)最終用戶、電氣自動(dòng)化愛好者以幫助，或者是為其提供一種新的思路。