淺談變頻器在空氣壓縮機中的節能改造應用

摘 要:詳細介紹了大功率變頻器在化纖紡織廠的空壓機上的成功應用，并取得的良好節能效果。

關鍵詞:空壓機 變頻器

中圖分類號:TN77文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)01(a)-0054-02

空壓機在化纖紡織企業中應用十分普遍，它作為化纖紡織企業的核心設備，為企業的自動化生產所需的壓縮空氣提供足夠的供氣壓力，是保證生產流程順暢的重要因素。由于化纖企業的生產是連續性不間斷的生產線，因此要求空壓機常年連續運轉，如果間斷運行或是停止運行，將直接影響生產的正常運行和產品的質量。即便是瞬間的壓降，也會直接影響到最終產品的品質。隨著變頻技術的成熟，變頻器在電氣傳動領域中應用越來越廣泛。其控制方式的多樣性、完善的電機保護功能以及其特有的優點是目前在工控領域其它無可比擬的，關鍵是它能達到較好的節能效果。

化纖紡織企業常常使用的空壓機一般有兩種，螺桿式空壓機和活塞式空壓機。

1 螺桿式空壓機的工作原理:

螺桿式空氣壓縮機的工作過程分為吸氣密封及輸送、壓縮、排氣四個過程。當螺桿在殼體內轉動時，螺桿與殼體的齒溝相互嚙合，空氣由進氣口吸入，同時也吸入機油，由于齒溝嚙合面轉動將吸入的油氣密封并向排氣口輸送;在輸送過程中齒溝嚙合間隙逐漸變小，油氣受到壓縮;當齒溝嚙合面旋轉至殼體排氣口時，較高壓力的油氣混合氣體排出機體。

2 活塞式空壓機的工作原理

活塞式空壓機主要有氣缸、活塞、曲軸—連桿機構以及進、排氣閥等組成。活塞是由外力(內燃機或電動機通過空壓機的曲軸—連桿機構傳來)驅使在氣缸內做往復運動。當它下行時，氣缸上部容積變大，缸內形成部分真空，于是在缸內外壓力差的作用下，進氣閥被打開，空氣被吸入氣缸內，此為吸氣過程。當活塞上行時，進氣閥關閉，此時由于氣缸內容積逐漸由大變小，缸內空氣被壓縮，壓力上升，此為壓縮過程。當缸內空氣壓力升高到足以克服排氣閥的背壓(包括彈簧力)時，排氣閥便打開，排出壓縮空氣。由此可知，活塞在氣缸內往返兩個行程即構成了一個工作循環，活塞式空壓機就是按這樣的工作循環周而復始地工作的。

工廠空氣壓縮氣供氣系統一般由空氣壓縮機、冷干機、過濾器、儲氣罐、管路、閥門和用氣設備組成。

在工廠的空氣壓縮機控制系統中，普遍采用后端管道上安裝的壓力繼電器來控制空氣壓縮機的運行。空壓機啟動時，加載閥處于不工作態，加載氣缸不動作，空壓機頭進氣口關閉，電機空載啟動。當空氣壓縮機啟動運行后，如果后端設備用氣量較大，儲氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達到壓力上限值，則控制器動作加載閥，打開進氣口，電機負載運行，不斷地向后端管路產生壓縮氣。如果后端用氣設備停止用氣，后端管路和儲氣罐中壓縮氣壓力漸漸升高，當達到壓力上限設定值時，壓力控制器發出卸載信號，加載閥停止工作，進氣口關閉，電機空載運行。這就帶來了一系列的問題，比如以下四個方面的問題:(1)如何提高供氣質量;(2)如何節約高額的電費開支;(3)如何降低工作環境的噪音;(4)如何延長空壓機的使用壽命(檢修周期)。

要解決這些問題，一方面首先我們知道原空壓機電控系統的有如下幾個缺點:

(1)化纖紡織企業空壓機的電動機一般功率很大，一般都在90～300KW左右，空壓機的電動機一般采用星/三角轉換起動，或是采用自耦變壓器降壓起動，這樣起動電流大，容易造成接觸器的觸點熔焊，而且對設備和電網的沖擊比較大。

(2)供氣壓力主要靠增減空壓機的運行臺數來調整，供氣質量差，為了避免空壓機的頻繁起停，工廠經常會發生這樣的現象:比如，當少開一臺空壓機時，供氣壓力偏低，不能滿足生產用氣的要求;而多開一臺空壓機時，供氣壓力又偏高，電耗高，供氣成本又增高的情況。

(3)由于空壓機全速運轉，且要用出口閥門調整供氣壓力，造成空壓機房噪聲大;尤其是活塞式空壓機。

(4)系統排氣壓力高，管徑的配置達不到空壓機氣體的流速要求，造成管路壓降偏高，減荷能耗大。

另一方面，工廠在設計選用空壓機的電動機容量時，通常是按設備滿負荷長時間運行來選擇的，因此設計容量一般都偏大。而在實際生產運行中電動機的負載率偏低，且輕載運行時間所占的比例很大。這就會造成高額的電費開支并影響空壓機的使用壽命。另外，對于空壓機，一般采用調整出口門開度來調整出口壓力，當出口門開度減小時，電動機的運行功率減少并不多，這樣空壓機的運行處于低效狀態，同樣造成大量的電能浪費。如果采用變頻調速，則可根據生產現場的需要用氣量來動態調節空壓機的出口壓力，也就是說可以將現場的用氣量設為恒定，通過壓力傳感器給變頻器一個反饋信號來調節電動機的轉速，這樣既提高了空壓機的運行效率，又達到節能的目的。

比如:某化纖廠有活塞式空壓機3臺，造氣量為:1臺40m3/h和2臺15m3/h;電動機功率分別為250kW１臺，120kW2臺。每臺空壓機出口有氣壓罐，通過閥門連接到總氣管上。氣壓罐上裝有自動放氣閥，在氣壓過高時可自動開啟放氣閥以保證空壓機的安全(要求出口壓力不小于0.45MPa，大于0.5MPa時自動排空)。根據生產用氣量的變化，一般啟動1臺大機或啟動2臺小機即可滿足生產用氣的需要;但在用氣高峰期，要求短時啟動一大一小2臺空壓機。

我們采用變頻恒壓供氣系統來改造其控制線路:

即:每臺空壓機均用一臺變頻器驅動，采用一拖一帶工頻旁路設計方案，如圖1所示。當變頻器出現故障時，空壓機可以切換到工頻旁路運行，以保證供氣系統的可靠性。

恒壓供氣控制由DCS系統完成，即由儲氣罐壓力傳感器向DCS提供壓力信號，與控制臺的壓力設定信號進行比較后經PID運算，向變頻器送出頻率指令信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制空壓機的轉速，達到恒壓供氣的目的。DCS系統送出的頻率指令信號為4～20mA的電流信號，相當于(0～100)%調速范圍。由于變頻器電流信號輸入端子的阻抗為250Ω，若將3臺變頻器的信號端子串聯，總阻抗為750Ω，超出了DCS輸出信號的負載能力，所以采用一只500Ω標準電阻，將4～20mA電流信號轉換成2～10V電壓信號，再并聯接到3臺變頻器的電壓信號輸入端子VG，讓3臺運行。空壓機變頻調速控制原理框圖如圖2所示。出退和入投時隨時可以任何1臺工頻運行，另一臺變頻運行。

通過改造后，變頻恒壓供氣系統功能和節能效果如下:

(1)3臺空壓機全部采用變頻驅動，且同步運行，實現了最大限度的節能效果;

(2)根據儲氣罐壓力，DCS系統自動判斷開停空壓機的臺數和大小，并能實現自動開停機;

(3)全部機組實現了軟起動，大大減小了起動電流，避免了對電網和設備的沖擊，延長了設備的使用壽命;

(4)每臺機組都具備變頻和工頻運行雙重功能，當變頻器故障時可以切換到工頻運行，保證供氣的連續性;

(5)供氣壓力設定值可根據實際生產情況由用戶隨時在DCS操作臺上修改，操作簡單;

(6)恒壓供氣確保管網不受壓力突變的沖擊，延長了管網的使用壽命，降低了維修成本;

(7)具有完善的保護措施(過流、過壓、過載、過熱及電機相間和對地短路等)，且變頻器具有自診斷功能，大大提高了系統的運轉率和可靠性;

(8)變頻空壓機一般運行頻率在35～40Hz之間，其節能率在20%～30%之間。

變頻改造后，我們把改造后每天正常運行生產所抄的電表的數據和沒改造以前的電表讀數數據相對比，可以看出，平均每天節省電費大約20%～30%左右。

3 結語

我國目前電力緊缺，不少地方實行拉閘限電，因而節能降耗是我國大力倡導和推進的一項重要工作。另一方面，對于生產型企業來講，能否有效的提高生產效率，改善工藝，節能降耗，從而降低生產成本已經成為生產型企業能否生存發展的重要因素。目前，耗電大戶的風機、水泵和壓縮機等采用變頻器節能改造是一種趨勢，其經濟效益是相當可觀的。

參考文獻

[1]馮垛生.變頻器實用指南，人民郵電出版社，2006.

[2]周奉磊.變頻器與紡織機械，變頻器世界，2005(2).

[3]許鳳凱.變頻器和PLC在紡織設備改造中的應用[J].世界儀表與自動化，2004(2).

[4]曾建東，龔育新主編.液壓傳動與氣動技術，北京大學出版社，2006，01.