一、引言
1.1、空氣壓縮機(jī)是一種利用電動機(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。它的用途廣泛，可以用于冶金、機(jī)械制造、礦山、電力、紡織、石油化工等各個行業(yè)?？諌簷C(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缺點(diǎn):
(1) 當(dāng)輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機(jī)空轉(zhuǎn)，嚴(yán)重浪費(fèi)能源；(2) 異步電動機(jī)易頻繁的啟動、停止，影響電機(jī)的使用壽命；
(3) 自動化程度低，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，波動大，不穩(wěn)定，精度低；
(4) 空壓機(jī)工頻啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊大，電機(jī)軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大。
1.2、傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)電能浪費(fèi)分析
傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要有兩種：一種是加載狀態(tài)，另一種是空載狀態(tài)。
(1) 加載時的電能消耗
加載狀態(tài)是，在壓力達(dá)到最小值后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過程中,一定要向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進(jìn)入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓,這一過程同樣是一個耗能過程。
(2) 卸載時電能的消耗空載狀態(tài)時，當(dāng)壓力達(dá)到壓力最大值時，空壓機(jī)通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。據(jù)我們測算，空壓機(jī)卸載時的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時的10%～25%,這還是在卸載時間所占比例不大的情況下。換而言之，該空壓機(jī)20%左右的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)的壓力控制是上下限控制，首先根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的最低壓力要求，設(shè)定空壓機(jī)輸出壓力的下限，也就是空壓機(jī)開始加載的壓力；再在最低壓力上加1帕左右，作為空壓機(jī)輸出壓力的上限，即開始卸載的壓力?？諌簷C(jī)的輸出工作壓力將在上下限之間波動?？諌簷C(jī)的功率消耗和輸出壓力成正比。輸出的壓力越高消耗的功率也越大，從輸出壓力的下限到上限的1帕的壓差將多消耗總功率的7-10%。在傳統(tǒng)供氣空壓機(jī)系統(tǒng)中，如果有多臺空壓機(jī)同時運(yùn)行，每臺空壓機(jī)的輸出壓力都將隨著管網(wǎng)的壓力波動而在上下限之間波動，所以每臺機(jī)都多消耗7-10%的額定功率。
傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)中運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定不同也會造成空壓機(jī)用電量的不同，必須根據(jù)用氣工況進(jìn)行設(shè)定，才能達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行效果。傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)由于電機(jī)不允許頻繁啟動，導(dǎo)致在用氣量少的時候電機(jī)仍然要空載運(yùn)行，浪費(fèi)電能。經(jīng)常卸載和加載導(dǎo)致整個氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力。
二、空壓機(jī)的工作原理
螺桿式空壓機(jī)的工作原理圖如圖1所示，空氣經(jīng)空氣過濾器和吸氣調(diào)節(jié)閥而吸入，該調(diào)節(jié)閥主要用于調(diào)節(jié)氣缸、轉(zhuǎn)子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)相對于氣缸里偏心方式運(yùn)轉(zhuǎn)?；惭b在轉(zhuǎn)子的槽中，并通過離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統(tǒng)能夠確保壓縮機(jī)良好的冷卻及潤滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經(jīng)壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經(jīng)過油氣分離器進(jìn)行分離之后，油氣經(jīng)過油冷卻器冷卻再經(jīng)過油過濾器流回儲油罐，空氣經(jīng)過氣冷卻器(空氣冷卻裝置)進(jìn)行冷卻而進(jìn)入儲氣罐。
三、空壓機(jī)改造原理
（1）、出氣口釋放閥全部關(guān)閉，取消用出氣口釋放閥調(diào)節(jié)供氣量方式，以避免由此導(dǎo)致的電能浪費(fèi)。代之以變頻器調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整氣體流量，使電機(jī)輸出的功率與流量需求基本上成正比關(guān)系，始終使電機(jī)高效率工作，以達(dá)到明顯的節(jié)電效果。例如當(dāng)用氣量是額定供氣量的50%時，節(jié)電率可達(dá)40%以上；
（2）、利用變頻器的節(jié)能模式，可使電機(jī)在輕載時以最高效率運(yùn)行，減少不必要的電能損耗；
（3）、根據(jù)嚴(yán)格的EMS標(biāo)準(zhǔn)，高效的PWM 變頻器使用高速低耗的IGBT，降低諧波失真和電機(jī)的電能損失。
（4）、可使電機(jī)起動、加載時的電流平緩上升，沒有任何沖擊；可使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長設(shè)備的使用壽命；避免因電流峰值帶來的電力公司的罰款；
（5）、采用變頻控制系統(tǒng)后，可以實(shí)時監(jiān)測供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中的氣體的壓力保持恒定，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；
（6）、由于電機(jī)在高效率狀態(tài)下運(yùn)行，功率因數(shù)較高，降低了無功損耗，節(jié)約了大量電能。
（7）、保存原釋放閥系統(tǒng)，在必要時可參加調(diào)節(jié)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
總之，采用恒壓供氣智能控制系統(tǒng)后，不但可節(jié)約30～40%的電力費(fèi)用，延長壓縮機(jī)的使用壽命，并可實(shí)現(xiàn)恒壓供氣的目的，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量
四、變頻改造方案設(shè)計(jì)原則
4 ．1 原供氣系統(tǒng)介紹
某煉油廠聚丙烯供氣系統(tǒng)共有四臺37kW 空壓機(jī)，如下圖二，是原聚丙烯空壓機(jī)供氣系統(tǒng)工作流程圖，采用三臺空壓機(jī)工頻供電運(yùn)行，另一臺空壓機(jī)作備用。
存在問題是由于工作空壓機(jī)是用工頻供電運(yùn)行，始終處于滿負(fù)荷運(yùn)行，趕產(chǎn)量用氣高峰時有氣壓偏低現(xiàn)象；用氣低谷時，特別是節(jié)假日休息時，供氣壓量特別大（該煉油廠聚丙烯供氣系統(tǒng)24小時運(yùn)行）。容易損壞排氣閥門或氣管爆裂，同時浪費(fèi)了電能，降低了設(shè)備使用壽命。希望恒壓供氣，三臺聚丙烯空壓機(jī)均衡工作運(yùn)行。
4.2 變頻恒壓供氣系統(tǒng)框圖
空壓機(jī)改造工作流程圖三所示：
針對螺桿式空壓機(jī)系統(tǒng)供氣控制方式存在的諸多問題，我們對該廠二組（即2臺110kW、）一對一空壓機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制。使用普傳科技PI9200 132G3專用變頻器，對該供氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。
設(shè)計(jì)方案：采用一對一帶工頻旁路，同時可轉(zhuǎn)換使用的方式。把聚丙烯空壓機(jī)供氣系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力作為控制對象，用壓力變送器SP采集儲氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內(nèi)設(shè)PID自整定控制儀，與PID自整定控制儀的壓力設(shè)定值SV作比較，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)生控制信號通過DSP來控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力P始終接近設(shè)定壓力值SV。預(yù)設(shè)了報(bào)警功能，當(dāng)測量值超出上限設(shè)定值時AL1發(fā)出報(bào)警信號，當(dāng)測量值低于下限設(shè)定值時AL2發(fā)出報(bào)警信號。通過變頻器、壓力傳感器與PID自整定控制儀的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成供氣閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)空壓機(jī)的輸出壓力。使每臺空壓機(jī)的利用率均等，增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性，方便技術(shù)員控制和維護(hù)設(shè)備。
該恒壓供氣控制系統(tǒng)增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護(hù)系統(tǒng)，另外，采用該方案后，空壓機(jī)電機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來啟動，實(shí)現(xiàn)了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。
五、改造方案原理
由變頻器（含工變頻轉(zhuǎn)換），壓力變送器(遠(yuǎn)傳壓力表)、電機(jī)、螺旋轉(zhuǎn)子組成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使儲氣罐內(nèi)空氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，進(jìn)行恒壓控制。反饋壓力與設(shè)定壓力進(jìn)行比較運(yùn)算，實(shí)時控制變頻器的輸出步，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使儲氣罐內(nèi)空氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力上。
我們的方案是保留使用原主電機(jī)，直接在原線路上增加變頻器，不改變原來的線路，通過變頻控制柜內(nèi)部的交流接觸器進(jìn)行電子切換，只要通過變頻器上的選擇開關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)工頻/變頻模式的切換，這樣萬一變頻器發(fā)生了故障，空壓機(jī)仍然可以以工頻模式運(yùn)行，確保生產(chǎn)的正常。在原來的壓力檢測上，我們將再增加一個壓力檢測，檢測到的信號將通過PID轉(zhuǎn)換器換算，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的高精度信號提供變頻器使用，變頻器將通過該信號合理調(diào)節(jié)主電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高整個系統(tǒng)的性能，同時達(dá)到良好的節(jié)電目的。
變頻器為普傳科技矢量型PI9200系列132KW三相變頻器，該款變頻器采用華南理工大學(xué)的技術(shù)，自帶過壓和欠壓保護(hù)，過流保護(hù)，溫度過高保護(hù)等保護(hù)系統(tǒng)；異常自動斷電關(guān)閉輸出；自帶散熱排風(fēng)系統(tǒng)；確保機(jī)器的穩(wěn)定。開機(jī)時電機(jī)從0Hz開始上升速度，上升頻率每秒1Hz，直到目標(biāo)頻率。最高頻率為50HZ。下降頻率每秒1Hz，直到30Hz 后停止。壓力傳感在變頻器啟動后，時刻將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冾l器，反饋實(shí)際的壓力數(shù)值，用于電機(jī)的速度控制。當(dāng)壓差比較大，變頻器將提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保壓力滿足輸出要求；當(dāng)壓差減少，變頻器將降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)壓力達(dá)到目標(biāo)要求，空壓機(jī)進(jìn)入空車狀態(tài)，變頻器根據(jù)空壓機(jī)微電腦的信號，進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。
在空壓機(jī)旁邊，我們將增加一個變頻控制柜，變頻器、工變頻切換裝置等設(shè)備將安裝到控制柜內(nèi)，控制柜設(shè)計(jì)有散熱系統(tǒng)，確保內(nèi)部散熱良好?？刂乒裾嬖O(shè)置有變頻器監(jiān)視器，監(jiān)察變頻器的狀態(tài)，同時上面設(shè)置有工變頻切換開關(guān)，電源開關(guān)，急停開關(guān)，電源指示燈，故障報(bào)警指示燈。
在原主電機(jī)散熱風(fēng)扇部位將再增加一個軸流風(fēng)扇，軸流風(fēng)扇通過溫度控制器控制，當(dāng)電機(jī)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時，自身風(fēng)扇不能滿足散熱要求，那么輔助風(fēng)扇將會打開，幫忙電機(jī)散熱，主電機(jī)自身散熱良好，輔助風(fēng)扇自動關(guān)閉，避免輔助風(fēng)扇消耗電能。在變頻器三相電源輸入端，我們將增加一個三相EMC電抗器，用于變頻器對外輻射諧波信號，影響其他用電器的正常工作，同時也避免其他用電器對整個系統(tǒng)干擾，提高整個變頻系統(tǒng)的高穩(wěn)定性。
按照安裝布局圖，變頻控制柜器安裝在靠墻壁上，空壓機(jī)和變頻器間采用滿足電流要求的電纜線連接。安裝位置圖如下：（省略）
六、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。
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起動壓縮機(jī)，它的起動加速時間可以調(diào)整，從而減少起動時對壓縮機(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)組起動時流波動，這一波動電流會影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減少到最低程度。將下限頻率調(diào)至40Hz，然后用紅外線測溫儀對空壓機(jī)電機(jī)的溫升及管路的油溫進(jìn)行了長時間、嚴(yán)格的監(jiān)測，電機(jī)溫升約2-4℃之間，屬正常溫升范圍，油溫基本無變化，排氣溫度下降5℃。所以40Hz下限頻率運(yùn)行對空壓機(jī)機(jī)組的工作很安全。
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，因此有效地降了空壓機(jī)運(yùn)行時的噪音。現(xiàn)場測定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約3至7分貝。
七、現(xiàn)場情況及參數(shù)設(shè)置
深圳某電子有限公司是一家專業(yè)從事精密塑料結(jié)構(gòu)件配套產(chǎn)品加工服務(wù)的公司，主要為客戶提供：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模具設(shè)計(jì)與制造，精密注塑成型，UV涂裝，產(chǎn)品組裝等加工服務(wù)，主要產(chǎn)品：手機(jī)，藍(lán)牙耳，筆記本電腦，機(jī)頂盒，投影儀等產(chǎn)品機(jī)殼加工配套。公司生產(chǎn)用氣非常量非常大，在車間樓頂安裝了兩臺阿特拉斯110KW的空壓機(jī)，由于只開一臺空壓機(jī)時，氣量滿足不了生產(chǎn)需求，而開兩臺時，氣量又太大，造成電機(jī)長時間空轉(zhuǎn)浪費(fèi)電能，且易對電機(jī)造成不必要的磨損，減短電機(jī)使用壽命。所以用戶選擇我們普傳PI9200 132G3 的電流矢量變頻器進(jìn)行節(jié)能改造。
生產(chǎn)需要的氣量是0.76MPa，現(xiàn)場裝有一只遠(yuǎn)傳壓力傳感器，它可以將氣罐壓力以4-20mA電流信號反饋給變頻器，讓整個系統(tǒng)能用變頻器PID 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)壓力到達(dá)設(shè)定壓力上限時，空壓機(jī)開始卸載，同時變頻器讓空壓機(jī)以下限頻率運(yùn)行；當(dāng)壓力低于設(shè)定頻率一定值時，空壓機(jī)開始加載，同時變頻器讓空壓機(jī)加速到上限頻率運(yùn)行。這樣既能快速高效滿足生產(chǎn)需求，又能最大限度的節(jié)約電能，也可以延長空壓機(jī)使用壽命，一舉多得。
為了方便檢修及維護(hù)，我們使用普傳變頻柜。它可以實(shí)現(xiàn)工變頻切換，當(dāng)須檢修時，工頻可以正常啟動，因?yàn)榭諌簷C(jī)里星三角啟動電路還是保留的。所以用戶更加方便使用，可以保證檢修檢修時不停產(chǎn)。
