摘 要: 本文介紹了空壓機的工作情況,運用科陸CL2700高壓變頻器對空壓機的改造,節能效果明顯.
一、 引言
空壓機在工業生產中有著廣泛地應用。它擔負著為所有氣動元件，包括各種氣動閥門，提供氣源的職責。因此它運行的好壞直接影響生產工藝。空壓機的種類主要有活塞式、螺桿式、離心式，但其供氣控制方式幾乎都是采用進氣口調節與加、卸載控制方式的控制模式。
首先來了解一下空壓機的基本工作原理。空壓機結構復雜，運轉時間長，配備的功率大。以活塞式空壓機為例，在空壓機工作過程中，活塞在氣缸內作往復運動，周期性地改變缸內的容積，從而使氣缸內氣體容積發生變化，并與氣缸內氣閥相應的開啟和閉合動作相配合，通過吸氣、壓縮、排氣等動作，將自然氣體或較低壓力的氣體（一級缸氣體）升壓，最終輸出到儲氣罐內。為了滿足設備的用氣需求，儲氣罐內氣體必須保持一定的壓力，以作緩沖作用，加上設備自身的原因，空氣壓力變化幅度必然很大，通常采用切斷進氣的調節方式來改變排氣量。理想狀態是供氣壓力剛好滿足需求，保持壓力不變，實際上通過進氣門控制起來不太理想，通常是空壓機排氣量大于實際用氣量，空壓機保持恒速運轉，此時儲氣罐內氣體越積越多，直到壓力上升到設定的最高壓力。通常采取以下兩種方法解決高壓問題：一是使空壓機卸荷運行，保持運轉但不產生氣體，此時空壓機消耗的功率一般在額定功率的30%左右，全是無用功；二是停止空壓機的運行，這樣看起來是節約了電能消耗，但是大功率電動機的啟動會帶來諸多問題，而且空氣儲存的容積有限，當氣壓低于下限壓力值時，空壓機再次以額定轉速給儲氣罐加壓，直到壓力達到上限壓力而停止運行，如此循環，如圖1所示
圖1 空壓機的循環運行圖
二、空壓機加、卸載供氣控制方式存在的電能浪費
2（1）交流異步電動機的轉速公式為:
n=60f(1-s)/p
其中 n—電機轉速 f—運行頻率;
p—電機極對數 s—轉差率;
2（2） 空壓機加、卸載供氣控制方式存在的問題
2.1 能耗分析
加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin～Pmax之間來回變化。Pmin是最低壓力值，即能夠保證用戶正常工作的最低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關系可以用下式來表示:
Pmax＝(1＋δ)Pmin
δ是一個百分數，其數值大致在15%～30%之間。
在加、卸載供氣控制方式下的空壓機，所浪費的能量主要在2個部分:
(1) 加載時的電能消耗
在壓力達到最小值后，原控制方式決定其壓力會繼續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，從而導致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過減壓閥減壓,這一過程同樣是一個耗能過程。另外，空壓機本身通過檢測壓力，自動調節進氣門，一部分能量消耗在進氣門上。
(2) 卸載時電能的消耗
當壓力達到壓力最大值時，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使電機處于空轉狀態，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。據我們測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%～25%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機20%的時間處于空載狀態，在作無用功。很明顯在自動調節進氣門與加卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節能空間。
2.2 其它不足之處
(1)靠機械方式調節進氣閥，使供氣量無法連續調節，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調節進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。
(2) 頻繁采用打開和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。
三、 恒壓供氣控制方案的設計
電機型號:Y450-2
功率因數:0.87
額定電壓:10KV
額定電流:35.1A
額定功率:500KW
額定轉速:2975rpm
空氣壓縮機
額定流量:120 m3/min
額定壓力:0.3MPa
變頻器: 深圳市科陸變頻器有限公司CL2700-10-0630-9QY高壓變頻器
控制模式：PID恒壓控制
針對原有供氣控制方式存在的諸多問題，采用深圳科陸變頻器有限公司CL2700系列高壓變頻調速器對上述空壓機進行恒壓供氣控制。采用這一方案時，我們可以把管網壓力作為控制對象，壓力變送器將儲氣罐的壓力P轉變為電信號送給PID智能調節器，與壓力設定值P0作比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產生控制信號送變頻調速器VVVF，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉速，從而使實際壓力P始終接近設定壓力P0。同時，該方案可增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護系統，另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻器來啟動，實現了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊。
在以上PID恒壓控制模式下，我們根據用戶現場的需要，把壓力設定值P0設定為0.25 Mpa，當用戶生產用氣量加大，管網壓力低于0.25 Mpa時，變頻器輸出頻率增加，電機轉速加快，空氣壓縮量增大，壓力隨之上升；當生產用氣量減少，管網壓力高于0.25 Mpa時，變頻器輸出頻率減小，電機轉速減慢，空氣壓縮量減小，壓力隨之下降，始終使壓力保持在0.25Mpa左右。
四、 改造效益
4.1 工頻運行參數測量
電機運行參數：電壓：10KV, 有功功率385KW,年運行時間約7200小時，電費0.8元/度；
空壓機運行參數:進口閥門開度40%,出口閥門開度100%,出氣口壓力:0.25MPa。
4.2 變頻運行參數測量
電機運行參數：運行頻率46HZ, ,有功功率330KW，年運行時間約7200小時，電費0.8元/度；
空壓機運行參數: 進口閥門開度80%，出口閥門開度100%，出氣口壓力0.25 Mpa。
4.3 經濟效益
節約電功率：385-330=55（kW）
節電率：（385-330）÷385=14.28%
每年節約電能：55×7200÷10000=39.6（萬度）
每年節約電費：39.6×0.8=31.68（萬元）
4.4 附加經濟效益
1)解決壓力波動幅度大，提高精度。
2)解決閥門磨損成本和降低維修量。