淺談變頻器在空壓機(jī)改造中的應(yīng)用

摘要：文章主要介紹空氣壓縮機(jī)改造過程中，運(yùn)用施耐德ATV61系列變頻器使用PID功能，配合PLC、顯示屏及壓力傳感器用恒壓控制方式以達(dá)到節(jié)能、增效作用。

關(guān)鍵詞：變頻器；節(jié)能；恒壓

概述

隨著電能的不斷短缺，對(duì)節(jié)能增效越來越重視，特別是一些企業(yè)一直沿用老的工頻控制方式，這樣大量浪費(fèi)了電能。因此，節(jié)能改造變得尤為重要，變頻器就是最常用、最廣泛的節(jié)能設(shè)備之一，下面就一例螺桿壓縮機(jī)節(jié)能增效進(jìn)行介紹。

某大型國有企業(yè)，廠區(qū)內(nèi)大部分機(jī)器都要使用壓縮空氣，因此，有280千瓦螺桿壓縮機(jī)5臺(tái)，90千瓦輔助螺桿壓縮機(jī)一臺(tái)，組成一個(gè)壓力管道網(wǎng)。平時(shí)工作中要開兩至三臺(tái)280千瓦螺桿壓縮機(jī)和一臺(tái)90千瓦輔助螺桿壓縮機(jī)，它們都是采用Y-△方式啟動(dòng)，如下圖1（虛線方框內(nèi)的是原電氣圖，左邊是加了變頻器后圖）。簡(jiǎn)單而言，就是通過壓力開關(guān)對(duì)空氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣閥門打開和關(guān)閉，對(duì)管道及貯壓罐的壓力進(jìn)行控制，壓力開關(guān)特性為：實(shí)測(cè)壓力低于設(shè)定低限壓力（7公斤）時(shí)，輸出打開信號(hào)，檢測(cè)到實(shí)際壓力大于高限壓力（9公斤）時(shí)，輸出關(guān)閉信號(hào)，空氣不再進(jìn)入壓縮機(jī)，管道壓力不再增大，隨著用氣的機(jī)器不斷使用壓縮空氣，管道壓力不斷下降，當(dāng)?shù)陀诘拖迚毫r(shí)，又打開閥門，使空氣進(jìn)入壓縮機(jī)，管道壓力回升，這樣管道壓力也在7-9公斤之間不斷變化，由此周而復(fù)始。在此過程中電機(jī)一旦開啟，就一直以工頻運(yùn)行的狀態(tài)，控制閥門也不斷的打開和關(guān)閉。從控制柜上電流表顯示電流，280千瓦螺桿壓縮機(jī)電流在450安培左右，90千瓦螺桿壓縮機(jī)電流在120安培左右。按經(jīng)驗(yàn)計(jì)算功率（在本文中只做定性的分析，無功功率、效率等不作分析）：

P≈1.732*U*I*cos?準(zhǔn)。P為電機(jī)功率；U為三相電壓；I為電機(jī)電流； cos?準(zhǔn)為電機(jī)的功率因數(shù)，U是一個(gè)不變的量，為380V，cos?準(zhǔn)一般也不會(huì)變(如取0.8)，由以上公式可見，唯一能改變功率的為電機(jī)電流I。電機(jī)一直處于工頻狀態(tài)，所以耗能大。

為此采用了一臺(tái)315千瓦施耐德ATV61變頻器（圖1中的FU），對(duì)一臺(tái)壓縮機(jī)改造，通過PID恒壓控制，在不改變?cè)锌刂频姆绞缴霞由衔覀兛刂葡到y(tǒng)，使改造變得更簡(jiǎn)單、方便。

控制方框流程圖如下：

圖2

在原三相進(jìn)線端加上施耐德變頻器，工頻/變頻轉(zhuǎn)換接觸器及PLC和顯示屏、壓力傳感器組成了控制系統(tǒng)，如上方框圖2。PLC在這里起控制變頻器啟動(dòng)、停止及配合原控制系統(tǒng)，壓力傳感器用于壓力采集作用代替原來的壓力開關(guān)，顯示屏用于壓力設(shè)定、實(shí)際壓力及其它參數(shù)的顯示等作用。

恒壓原理：在這里就是通過在屏上設(shè)定壓力值與壓力傳感器實(shí)際測(cè)量值在PLC內(nèi)部進(jìn)行信號(hào)處理，然后連接到變頻器信號(hào)接口，通過PID的運(yùn)算，把運(yùn)算結(jié)果變成變頻器的頻率輸出，通過頻率大小控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快與慢，從而達(dá)到穩(wěn)定壓力的作用。如圖3，給定值就是設(shè)定壓力大小，被控對(duì)象就是電機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)產(chǎn)生空氣壓力，經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)與給定值比較，模擬調(diào)節(jié)器就相當(dāng)于變頻器的比例、積分運(yùn)算器，對(duì)輸出偏差進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)用調(diào)幅、反向、斜坡等環(huán)節(jié)加以修正。以達(dá)到設(shè)定值與反饋值一致，實(shí)現(xiàn)恒壓力的目的。執(zhí)行器就是電機(jī)帶動(dòng)的壓縮機(jī)。從旁邊看到的是變頻器頻率在變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速在變快或變慢，而實(shí)際體現(xiàn)的是壓力不變，電機(jī)電流不斷變化。與工頻控制方式比較電流有明顯的減小。

圖3

就此列中使用變頻器內(nèi)部的PID功能，把壓力設(shè)定為8公斤，開機(jī)運(yùn)行，只需要一臺(tái)280千瓦的變頻控制的壓縮機(jī)和一臺(tái)90千瓦的輔助壓縮機(jī)了，發(fā)現(xiàn)在使用原相同用氣機(jī)器、電流測(cè)試表的情況下，變頻控制的壓縮電機(jī)電流顯示為300安培左右，比原來的450安培小了150安培左右，不僅如此還可以看到少用了一臺(tái)壓縮，由上述功率計(jì)算公式：P≈1.732*U*I*cos?準(zhǔn)，電流由原來的450安培左右減小到300安培左右，不難看出，功率減小了約1/3，當(dāng)然能耗就減小了約1/3。為什么有如此大的變化呢？

原因一、原來用的二臺(tái)或三臺(tái)280千瓦壓縮機(jī)，其實(shí)際原因是壓不夠時(shí)（低于7公斤），必須增補(bǔ)一臺(tái)壓縮機(jī)來升高壓力，而增加這一臺(tái)壓縮機(jī)實(shí)際使用率很低，大部分時(shí)間電磁閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，電機(jī)卻一直在以工頻方式運(yùn)轉(zhuǎn)，只有當(dāng)所有壓縮機(jī)閥門關(guān)閉，且壓力高于設(shè)定壓力一段時(shí)間后，才有可能自動(dòng)停止增加的這臺(tái)壓縮機(jī)（除非人工停止），但使用氣源的機(jī)器一直在工作，管道壓力不會(huì)突然增加到壓力的高限，即使壓力升高時(shí)，也會(huì)關(guān)閉加載閥門，防止壓力繼續(xù)增加，故基本不會(huì)停止增加的那臺(tái)壓縮機(jī)，大部分時(shí)間沒有向壓力管道輸送壓縮空氣，產(chǎn)氣量低，壓縮電機(jī)卻在運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣電能白白的浪費(fèi)掉了。

原因二、使用變頻器的PID控制，配合PLC及屏的壓力采集與設(shè)定，使壓力處于恒壓狀態(tài)。原來使用壓力開關(guān)時(shí)，壓力在7-9公斤之間不斷變化，閥門不斷的打開與關(guān)閉，而此時(shí)設(shè)定為8公斤，變頻器頻率一般在45HZ左右，當(dāng)壓力降低時(shí)，變頻器會(huì)增加頻率以提升壓力，當(dāng)高于設(shè)定壓力時(shí)，會(huì)降低變頻器頻率，即上述提到的對(duì)偏差進(jìn)行調(diào)整，體現(xiàn)出的就是變頻器頻率的變化。始終使壓力保持在8公斤左右，使電機(jī)在一個(gè)合理的范圍運(yùn)轉(zhuǎn)，而閥門一直處于打開狀態(tài)，提高了產(chǎn)氣量，即一直有壓縮空氣供給用氣管道。變頻器頻率降低意味著電機(jī)電流減小，由上述公式可知，電流減小意味著電能節(jié)約。而不象直接用工頻控制那樣，電機(jī)一直處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，電能耗能大。除非變頻器運(yùn)行到最高頻率，并且壓力還不夠時(shí)會(huì)增加一臺(tái)壓縮機(jī)，此時(shí)變頻器控制的壓縮機(jī)會(huì)降低頻率，以平衡增加壓縮機(jī)所產(chǎn)生的壓力，當(dāng)變頻器降至低限頻率（此例設(shè)為35HZ）時(shí)，壓力仍處于高限設(shè)定壓力，在PLC里程序設(shè)定延時(shí)一定時(shí)間后，停止運(yùn)行增加的壓縮機(jī)，這樣變頻器所控制壓縮機(jī)會(huì)增加頻率，以平衡減少壓縮機(jī)所減小的壓力，該平衡就是上述的偏差調(diào)整，體現(xiàn)的就是頻率不斷變化。在這里只對(duì)一臺(tái)壓縮機(jī)做了節(jié)能改造，若對(duì)多臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行改造，節(jié)能的效果更為明顯。

結(jié)束語

使用變頻器改造控制壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)了如下特點(diǎn)：（1）使用變頻器的PID控制，使壓縮機(jī)的壓力處于恒壓狀態(tài)。減小了電機(jī)電流，提高了產(chǎn)氣量。（2）不改變?cè)瓉砜刂葡到y(tǒng)和控制線路，改造方便。（3）改變了原來電機(jī)處于空轉(zhuǎn)的狀態(tài)。（4）減少了壓縮機(jī)使用的數(shù)量。（5）最主要的是節(jié)約了大量的能源，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]邢建中.施耐德變頻器的應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011年1月第一版41-43.

[2]李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社，2012年6月308-330.

[3]曾繁玲.施耐德PLC、變頻器入門與應(yīng)用實(shí)例[M].中國電力出版社，2011年8月65-72.