變頻器在螺桿式空壓機上的應用

鄧慧鉞（華潤水泥（湛江）有限公司,廣東　湛江　524300）

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變頻器在螺桿式空壓機上的應用

鄧慧鉞
（華潤水泥（湛江）有限公司,廣東湛江524300）

摘 要：隨著變頻調速技術的迅速發展，其調速技術愈加成熟并在工業領域廣泛使用。根據螺桿式空壓機實際使用過程中存在能耗大，噪音大的情況，利用變頻器對螺桿式空壓機進行節能改造。通過實際改造結果對比，節能效果明顯，可廣泛推廣。

關鍵詞：螺桿式空壓機；變頻調速；變頻器；節能改造；節能減排

0　前言

螺桿式空壓機由于其可以根據生產所需氣量的變化自動進行加載-卸載工作，且其運行性能及使用效果較好，如今已在工業領域廣泛使用。但螺桿空壓機在實際應用中，由于受現場設備的工作狀況或者不同的生產工藝流程的影響，用氣量會根據這些影響因素的不同而隨之變化，由此造成空壓機頻繁加載、卸載。根據空壓機的控制原理，卸載后其電機仍處于運行狀態，既浪費電能又增加機械設備的磨損。同時，一般空壓機電機功率都較大，多采用星-三角啟動方式啟動，這使得空壓機在啟動時會有較大的啟動電流，加載和卸載的瞬時對設備機械造成較大沖擊；不但造成電壓波動，影響到其他用電設備的運行安全，而且輸出壓力靠卸載閥來調節，其調節速度慢，波動大，精度低，也會使壓縮氣源有較大的波動；同時空壓機的啟動電流高達5～8倍額定電流，頻繁的加、卸載還會加速設備的磨損，降低設備的使用年限。如何使設備能運行在更好的狀態并保證氣源符合生產需要，是我們要考慮解決的問題。

1　螺桿空壓機節能改造的可行性

螺桿空壓機包括壓縮機（主機）、電動機、氣路系統、油路系統、電氣控制調節系統及安全保護系統（原理如圖1）。其電氣控制系統普遍采用后端管道上安裝的壓力傳感器來控制空氣壓縮機的運行。空壓機啟動時，加載閥處于不工作狀態，空壓機頭進氣口關閉，電機空載啟動。電動機正常運行后，在低于下限設定壓力時，加載閥工作，大量空氣通過空濾進入主機內，壓縮機開始負載工作。當氣壓達到卸載壓力時，此時加載閥關閉，隔斷空氣進入主機，壓縮機處于卸載狀態運行，但此時電動機仍處于運行狀態，此時功耗約占滿載時的30%～50%。可見，如解決長時間空載運行問題將可節省一部分電能消耗。

同時對空壓機進行變頻改造，能夠使電機實現軟起軟停，避免了瞬時啟停造成對設備的沖擊，延長設備使用年限；而且由于電機運行頻率可變，由此空壓機可根據用氣量的大小自動調節電機轉速，減少了電機頻繁的加載和卸載，既維持了供氣系統氣壓穩定，又可降低了空壓機的能耗。

2　變頻改造的實際應用

空壓機的變頻控制系統原理如下：通過系統壓力傳感器對氣源壓力的檢測，所獲得的檢測值與變頻器的壓力設定值比較，經變頻器的PID運算獲得作用于電動機的頻率值，通過改變輸出交流電的頻率和幅值，從而實現調節電動機的轉速，空壓機根據實際工況運行，使壓縮空氣壓力變化，直至氣源壓力與設定壓力值達到平衡。空壓機變頻控制系統原理圖如圖2：

我司的兩條生產線的壓縮空氣供給原來由六臺螺桿式空壓機分別進行供氣，各臺空壓機的運行情況如下：

改造前1#線由2臺75KW及1臺37KW空壓機進行供氣，2臺75KW為開一備一，37KW的作為輔助；2#線由3臺132KW空壓機進行供氣，開一備二。在正常生產時，兩條線空壓機平均日消耗電能為5500千瓦時（24小時運行）。

根據變頻器改造原理，對我司3臺132KW螺桿式空壓機進行了變頻改造：

（1）在各臺空壓機主回路接入一臺變頻器，保留原星-三啟動主回路的接觸器作為電動機繞組連接回路，在電動機繞組完成星-三轉換后才由變頻器啟動輸出到電動機。

（2）空壓機原有控制回路（見圖3）保留使用，只是把原電動機運行電流檢測的互感器CT1移到變頻器輸入電源前安裝，作為過載保護檢測；并在交流接觸器KM3（角形接法接觸器）取一常開輔助觸點連接到變頻器FWD及CM端子，作為變頻器啟動控制信號；將空壓機相關參數進行修改：原星角延時由6秒改為3秒，加載延時時間由2秒改為15秒，主機啟動時間由8秒改為20秒，以使變頻器在20秒內完成啟動過程后才進行加載。

（3）在每臺儲氣罐安裝一個壓力傳感器作為供氣管網壓力檢測，檢測信號接入變頻器模擬輸入端子AI2及GND，與變頻器PID參數中的壓力設定值進行比較，通過變頻器自帶的PID功能進行調節輸出相應的頻率和幅值的交流電，使電動機的轉速進行相應調速，以達到調節供氣壓力的目的，使之與設定壓力一致。

（4）由于我司有六臺空壓機，一般生產運行兩臺132KW空壓機可滿足要求，另外的四臺可作為備用，即使有一臺變頻器壞也可以轉用備用空壓機，所以，為簡化線路本次改造沒設置工頻旁路線路。

（5）空壓機運行控制由中控進行控制運行、停止及切換空壓機，無需另外增加PLC及觸摸屏作為現場控制，減少投入及簡化線路。

改造后對兩條生產線實行集中供氣，從運行3個月情況看，正常生產平均每天空壓機消耗電能約為4500千瓦時，相對于原來的5500千瓦時空壓機電能降低了消耗18%左右。以我司生產運行需要，保持兩臺132KW的螺桿式空壓機運行為例，按全年運行時間300天（每天24小時運行），電費按0.6元/度，改造后每天節電約1000度，則每年可節省電費300×1000×0.6=180000元，投資成本約在半年左右全部收回（兩臺變頻器選用國產產品）。同時，變頻改造后還可帶來其他益處：（1）供氣氣壓穩定，排氣溫度基本恒定，使供氣質量提高；（2）減少設備高速運轉狀態，潤滑油使用壽命延長，降低潤滑油消耗；（3）實現設備軟啟動，避免了電氣及機械的沖擊，大大延長了設備使用壽命及檢修周期，設備的日常維護費用相應降低；（4）進氣閥的開閉次數大為減少，避免了其頻繁動作而損壞；（5）基本上空壓機都運行在額定轉速之下，其運行噪音有明顯降低。

此外，該系統可根據現場實際情況由現場進行啟停控制，或者設置“現場”及“中控”控制轉換開關，根據需要進行轉換控制方式。

3　變頻改造的注意事項

（1）盡可能維持原有設備電路的完整性，對其改動越少越好；這有利于在變頻器發生故障或是檢修時，使空壓機可以根據需要在變頻和工頻之間進行選擇，同時也可以在改造時不用對原有PLC程序進行修改。

（2）如沒有配置備用空壓機，盡量保留空壓機原有的運行電氣線路，并設置旁路電氣線路，這樣在變頻器出故障時，可以很快切換到原有的模式下運行，降低了對生產所造成的影響。

（3）由空壓機原角形交流接觸器控制變頻器的啟動信號，即在星形接觸器吸合時變頻器不啟動，待角形接觸器吸合時，通過其常開輔助觸點吸合才啟動輸出。

（4）延時加載時間要保證變頻器正常運行后才加載，以避免變頻器由于低頻運行造成的過負荷跳停。

（5）一般要對變頻器的下限運行頻率重新設置（我司為30赫茲），下限值設置不當，會造成油氣分離器無法對油氣進行有效分離，從而出現漏油現象，造成潤滑油的浪費。但要下限頻率值的設定要根據所使用的空壓機型號而定，因為空壓機其機械配合磨損和效率不盡相同，其不漏油的下限頻率要求也相同。

（6）為避免由于壓力超限而發生事故，壓力傳感器其安裝位置選擇必須恰當。不能安裝在過濾器或是閥門的后面，要盡量靠近空壓機，而且壓力傳感器和空壓機之間嚴禁安裝任何閥門元件，以防過濾器堵塞或是閥門關閉后，空壓機不停機而發生爆炸危險。

（7）保留空壓機原有控制線路及保護功能，既可保證設備運行安全，又節約了投資成本。

4　結語

變頻調節技術在壓縮機、風機和泵類等流體設備的應用，是實現節能運行的重要途徑，是節能減排的一項重點推廣技術。變頻技術的應用，既提高生產效率及降低能耗，又促進生產工藝水平的提高，并由此降低了設備維護、維修費用，直接和間接經濟效益十分明顯。因此，在使用到壓縮機、風機和泵類等流體設備的行業中，特別是工業領域，可結合自身實際情況推廣實施此項技術，對推進節能減排，保護環境具有很大實際效果。

參考文獻：

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[3]李傳淮.PLC和變頻器在空壓機節能改造中的應用[D].2007(02).

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.180