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    安軍強(qiáng)（1972－）
男，高級(jí)程序員，工程師，（河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050054），研究方向?yàn)镻LC、變頻器及工業(yè)控制。

摘要：本文介紹了變頻器在活塞式空壓機(jī)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻器；活塞式空壓機(jī)

Abstract: This paper introduces the application of inverter in the compressor.

Key words:  Inverter;Compressor

1  引言

    張家口煤礦機(jī)械廠是我國(guó)煤炭機(jī)械行業(yè)中的一類大型骨干企業(yè)，其空壓機(jī)站由3臺(tái)132kW的活塞式空壓機(jī)組成，為全廠提供壓縮空氣，其地位非常重要，同時(shí)能耗巨大。因此在2005年5月，該廠對(duì)原系統(tǒng)的一臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行了變頻改造，引入閉環(huán)控制和變頻調(diào)節(jié)，使節(jié)電率達(dá)到了29%，同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)精度，并使該空壓機(jī)站的控制系統(tǒng)達(dá)到先進(jìn)水平。

2  空壓機(jī)運(yùn)行工況分析

    人們通常用的都是活塞式空壓機(jī)，活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)行，從而使氣缸內(nèi)氣體容積發(fā)生變化，并與氣缸內(nèi)氣閥作相應(yīng)的開閉動(dòng)作配合，通過(guò)吸氣、壓縮、排氣等動(dòng)作，將無(wú)壓或低壓氣體升壓，輸出到儲(chǔ)壓罐內(nèi)。壓力控制采用上、下限控制方式，就是當(dāng)空壓機(jī)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值上限HH時(shí)，空壓機(jī)通過(guò)本身的油壓關(guān)閉進(jìn)氣閥，電動(dòng)機(jī)卸荷運(yùn)行，此時(shí)不產(chǎn)生壓縮空氣，電機(jī)處于空載狀態(tài)；當(dāng)壓力下降到設(shè)定值下限HL時(shí)，空壓機(jī)打開進(jìn)氣閥，產(chǎn)生壓縮空氣。這種運(yùn)行方式存在極大的能量浪費(fèi)：

    首先，這種控制方式存在壓力波動(dòng)，要使壓力波動(dòng)不影響使用，就得把壓力低限設(shè)為用氣設(shè)備可正常使用的最低壓力HL，假設(shè)在此壓力下空壓機(jī)滿負(fù)載消耗的功率為PL。試驗(yàn)證明，當(dāng)空壓機(jī)滿負(fù)載運(yùn)行、排氣壓力在某一范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，其輸入功率P與排氣壓力H滿足如下關(guān)系：

    P = PL ×（H / HL）

    即空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上所需要的軸功率P與排氣壓力H成正比。這樣，在實(shí)際運(yùn)行中，由于用氣量的變化，空壓機(jī)排氣壓力始終高于等于HL，導(dǎo)致空壓機(jī)在帶載運(yùn)行時(shí)，其消耗功率都高于等于PL。

    其次，當(dāng)空壓機(jī)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值上限HH時(shí)，電機(jī)卸荷，轉(zhuǎn)為空載運(yùn)行，此時(shí)其用電量為滿負(fù)載的30%～60%左右，這部分電能被白白的浪費(fèi)。

    也正是由于這種上、下限位式兩點(diǎn)控制，導(dǎo)致當(dāng)用氣量與額定產(chǎn)氣量相差較大時(shí)，空壓機(jī)會(huì)頻繁的卸載和加載，對(duì)電動(dòng)機(jī)、空壓機(jī)和電網(wǎng)造成很大的沖擊。

    由以上分析可以看出，當(dāng)用氣量與額定產(chǎn)氣量相差較大時(shí)，如果用變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，把排氣壓力設(shè)為HL，使空壓機(jī)產(chǎn)氣量隨用氣量的變化而變化，既維持了排氣壓力的穩(wěn)定，又避開了電機(jī)的空載運(yùn)行，節(jié)能潛力非常可觀。

3  空壓機(jī)閉環(huán)控制方案

    筆者采用以空壓機(jī)輸出壓力為控制對(duì)象的閉環(huán)控制方案。經(jīng)壓力傳感器取出的反饋信號(hào)，送至PID調(diào)節(jié)器，與預(yù)置的壓力給定信號(hào)相比較，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的4～20mA信號(hào)接至變頻器的給定端，調(diào)節(jié)空壓機(jī)的工作頻率和轉(zhuǎn)速。當(dāng)送氣管網(wǎng)壓力低于壓力給定時(shí)，PID輸出控制信號(hào)將提高變頻器輸出頻率，否則將降低變頻器輸出頻率，直至送氣管網(wǎng)壓力與設(shè)定的壓力給定值相等。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    針對(duì)以上問(wèn)題，筆者綜合節(jié)能效果和空壓機(jī)的機(jī)械特性，考慮了多種方案，最后把系統(tǒng)壓力設(shè)定為0.6MPa，把變頻器運(yùn)行頻率下限設(shè)定為28Hz，這樣，既能滿足空壓機(jī)散熱和潤(rùn)滑的需要，又能最大限度的降低電能損耗。

6  節(jié)能效果及綜合效益分析

    改造前，空壓機(jī)經(jīng)常是加載2min，卸載2min，加載運(yùn)行時(shí)電流為230A，卸載運(yùn)行時(shí)電流為110A。改造后，空壓機(jī)運(yùn)行頻率經(jīng)常在30Hz～40Hz之間，運(yùn)行電流平均為120A，基本上沒(méi)有卸載時(shí)間。空壓機(jī)平均每天工作16小時(shí)，每月工作26天。假定電機(jī)功率因數(shù)為0.85，空壓機(jī)每月用電量W計(jì)算如下：

    W前＝P×16×26/1000
       ＝30.5UI×0.85×16×26/1000
       ＝1.73×380×(230×0.5＋110×0.5)×0.85×16×26/1000
       ＝37998 kWh

    W后＝1.73×380×120×0.85×16×26/1000
       ＝27895 kWh

    每月節(jié)省電量＝W前－W后
                ＝37998-27895
                ＝10103 kWh

    按每度電0.6元計(jì)，每月可節(jié)省電費(fèi)＝10103×0.6＝6061.8（元）

    整套空壓機(jī)系統(tǒng)改造費(fèi)用10萬(wàn)元左右，約一年半就能收回設(shè)備投資。
空壓機(jī)變頻改造后，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    (1)  電動(dòng)機(jī)軟啟軟停，對(duì)電機(jī)、空壓機(jī)、電網(wǎng)的沖擊大為減小，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了設(shè)備的維修量和維護(hù)費(fèi)用；

    (2)  進(jìn)一步完善了保護(hù)功能，如熱保護(hù)，過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓、短路、缺相保護(hù)等功能；

    (3)  操作簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行平穩(wěn)，電機(jī)、空壓機(jī)溫升正常，噪音、振動(dòng)減小；

    (4)  空壓機(jī)不再頻繁的加載和卸載，供氣壓力穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

其他作者：

    張剛（1972-），男，講師，研究方向?yàn)镕CS、自動(dòng)測(cè)控技術(shù)等。

參考文獻(xiàn)

    [1]  韓安榮. 通用變頻器及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.

    [2]  宛如意, 等. 空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能改造[J]. 變頻器世界, 2001-4.

    [3]  ABB. ACS800固件手冊(cè)[Z].