雷諾爾RNB1000變頻器在某廠空壓機(jī)變頻改造中的應(yīng)用

雷諾爾RNB1000變頻器在某廠空壓機(jī)變頻改造中的應(yīng)用

上海雷諾爾科技股份有限公司是一家致力于變頻器的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)與銷售的高科技企業(yè)，擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗和雄厚的技術(shù)實力。針對空壓機(jī)行業(yè)電能浪費(fèi)嚴(yán)重，節(jié)能需求迫在眉睫的現(xiàn)狀，公司經(jīng)過深入研究，結(jié)合RNB1000變頻器，推出了完整的空壓機(jī)變頻控制方案。

一、空壓機(jī)簡介：

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。通常，空壓機(jī)分為螺桿式空壓機(jī),螺桿式空壓機(jī)又分為單螺桿空壓機(jī)及雙螺桿空壓機(jī),離心式空壓機(jī),活塞式空壓機(jī),滑片式空壓機(jī),渦旋式空壓機(jī),旋葉式空壓機(jī)。

 螺桿式空壓機(jī)工作原理

螺桿式空壓機(jī)是由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子(或稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程。空壓機(jī)的進(jìn)氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽和陽轉(zhuǎn)子的齒被主電機(jī)驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)。

活塞式空壓機(jī)工作原理

活塞式空壓機(jī)是由電動機(jī)帶動皮帶輪通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動曲軸，帶動連桿與活塞桿，使活塞在壓縮機(jī)氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，完成吸入、壓縮、排出等過程,將無壓或低壓氣體升壓，并輸出到儲壓罐內(nèi)。其中，活塞組件，活塞與汽缸內(nèi)壁及汽缸蓋構(gòu)成容積可變的工作腔，在曲柄連桿帶動下，在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動以實現(xiàn)汽缸內(nèi)氣體的壓縮。

二、行業(yè)分析：

據(jù)中國空壓機(jī)網(wǎng)調(diào)查：

全國有180億/年的空壓機(jī)市場，有超過400萬臺的空壓機(jī)在工作，22kw以上功率等級的空壓機(jī)超過100萬臺，22kw以下中小空壓機(jī)以活塞式為主，年新增數(shù)十萬臺。空壓機(jī)一般按工廠最大負(fù)荷加10%-20%余量設(shè)計，另外，工廠實際需求存在季節(jié)性及時間性波動，導(dǎo)致用氣量波動較大，所以空壓機(jī)多數(shù)時間并非滿載運(yùn)行，節(jié)能空間很大。

三、傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問題 

     傳統(tǒng)空壓機(jī)的工作圖：

         能量損耗

傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在p_min～p_max之間來回變化。p_min是能夠保證用戶正常工作的最低壓力值，p_max是設(shè)定的最高壓力值。一般情況下，p_max和p_min之間關(guān)系可用下式表示:

p_max=(1-δ)p_min                                 式中δ值在10%～20%之間。

如果采用變頻調(diào)速技術(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，則可使管網(wǎng)壓力始終維持在能滿足供氣的工作壓力上，即等于p_min的數(shù)值。由此可見，加、卸載供氣控制方式浪費(fèi)的能量主要在以下幾個部分:

          壓縮空氣壓力超過p_min所消耗的能量

當(dāng)儲氣罐中空氣壓力達(dá)到p_min后，加、卸載供氣控制方式還要使其壓力繼續(xù)上升，直到p_max這一過程需要電源提供壓縮機(jī)能量，這是一種能量損失。

          不減壓閥減壓消耗的能量

氣動元件的額定氣壓在p_min左右，高于p_min的氣體進(jìn)入氣動元件前的壓力，這就需要用減壓閥將其減至接近p_min這同樣是一種能量損失。

          卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量

通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到p_max時，空氣壓縮機(jī)通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使空氣壓縮機(jī)不需要再壓縮氣體做功，但空氣壓縮機(jī)的電機(jī)還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，此時，空氣壓縮機(jī)做無用功，造成能量的嚴(yán)重浪費(fèi)。據(jù)測算，空氣壓縮機(jī)卸載時的能耗一般約占空氣壓縮機(jī)滿載運(yùn)行時的10%～15%左右。

   工頻啟動沖擊電流大

主電機(jī)雖然采用Y-△減壓啟動，但起動電流仍然很大，對電網(wǎng)沖擊大，易造成電網(wǎng)不穩(wěn)以及威脅其他用電設(shè)備的安全運(yùn)行。對于自發(fā)電工廠，數(shù)倍的額定電流沖擊，可能導(dǎo)致其它設(shè)備異常。

   壓力不穩(wěn)，自動化成度低

傳統(tǒng)空壓機(jī)自動化成度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠加、卸載閥，通過調(diào)節(jié)閥的控制來實現(xiàn)的。調(diào)節(jié)速度慢，波動大，精度低，輸出壓力不穩(wěn)定。

   設(shè)備維護(hù)量大

空壓機(jī)工頻啟動電流大，高達(dá)5-8倍額定電流，工作方式?jīng)Q定了加、卸載閥必然反復(fù)動作，部件易老化，工頻高速運(yùn)行，軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大。

   噪音大

持續(xù)工頻高速運(yùn)行，超出工作壓力所需的額外壓力，反復(fù)加載、卸載，都直接導(dǎo)致工頻運(yùn)行噪音大。

四、變頻改造原理

空壓機(jī)變頻改造原理圖

原理：變頻調(diào)速系統(tǒng)以輸出壓力作為控制對象，由變頻器、壓力傳感器、電機(jī)組成的閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)，工作壓力值可由操作面板直接設(shè)置，現(xiàn)場壓力由傳感器來檢測，轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號后反饋到變頻器，變頻器通過內(nèi)置PID進(jìn)行比較計算，從而調(diào)節(jié)其輸出頻率，達(dá)到空壓機(jī)恒壓供氣和節(jié)能的目的。

五、變頻改造空壓機(jī)的優(yōu)點

   節(jié)能

變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在：

1、變頻器通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)氣體流量，使電機(jī)的輸出功率與流量需求成正比，保持電機(jī)搞效率工作，功率因數(shù)高，無功損耗小，節(jié)能效果明顯。

2、按嚴(yán)格的EMS標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，高速低耗的IGBT以及采用了高效的控制算法，使得AS160變頻器諧波失真和電機(jī)的電能損耗最小化。

3、自動快速休眠使得空載時間變短，電機(jī)完全停止，最大成度節(jié)能。

節(jié)能空間：

灰色：變頻空壓機(jī)功耗曲線。

綠色：節(jié)能部分A，變頻空壓機(jī)比普通空壓機(jī)節(jié)省的能量。

淺藍(lán)色：節(jié)能部分B，變頻空壓機(jī)可能節(jié)省的能量。B為當(dāng)變頻空壓機(jī)已進(jìn)入停機(jī)休眠階段，而普通空壓機(jī)沒有進(jìn)入休眠時，變頻空壓機(jī)節(jié)省的能量。如果變頻空壓機(jī)也沒有進(jìn)入休眠，則B=0。

剛啟動或休眠后啟動時，普通空壓機(jī)和變頻空壓機(jī)均運(yùn)行在額定功率附近，因此變頻空壓機(jī)可以保證充氣的快速性。 

   啟動電流小，對電網(wǎng)無沖擊

變頻器可以使電機(jī)平穩(wěn)啟動，加載時電流平緩上升，沒有任何沖擊，且可使電機(jī)實現(xiàn)軟停，避免反生電勢造成的危害，有利于延長設(shè)備的使用壽命。

   輸出壓力穩(wěn)定

變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o控制器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，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)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率，調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。

壓力頻率PID曲線圖

   設(shè)備維護(hù)量小

變頻啟動電流小，小于2倍額定電流，加卸載閥無需反復(fù)動作。變頻空壓機(jī)根據(jù)用氣量自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行頻率低，轉(zhuǎn)速慢，軸承磨損小，延長設(shè)備使用壽命，使維護(hù)工作量變小。

   噪音低

變頻根據(jù)用氣需求提供能量，沒有太多的能量損耗，電機(jī)運(yùn)行頻率降低，機(jī)械轉(zhuǎn)動噪音因此變小。由于變頻調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，不用反復(fù)加載、卸載，頻繁加卸載的噪音、持續(xù)加壓，氣壓不穩(wěn)產(chǎn)生的噪音也隨之消失了。

總之，采用變頻控制系統(tǒng)后，不但可以節(jié)約一筆數(shù)目可觀的電力費(fèi)用，延長壓縮機(jī)的使用壽命，還可實現(xiàn)恒壓供氣的目的，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

六、變頻改造投資效益分析：

采用傳統(tǒng)工頻控制方式的空壓機(jī)，在低于設(shè)定壓力時加載運(yùn)行，高于設(shè)定壓力時空載運(yùn)行。但不管是加載還是卸載，電機(jī)始終保持高速運(yùn)行，空載損耗非常大。

       工頻控制下的空載損耗（以貴廠A機(jī)房3#空壓機(jī)為例）

已知空壓機(jī)的總運(yùn)行時間為      6376   小時X，加載運(yùn)行時間為  4212      小時Y，則：

空壓機(jī)空載率=(X-Y) /X

=(     6376     -      4212        ) /  6376  

=      0.339          

假設(shè)電源電壓為Ue，取380V，空載電流為_1_ ，功率因數(shù)為cos，取   0.85    ，空壓機(jī)效率η，取    0.95    ，空壓機(jī)年運(yùn)行總時間取   8000      小時，則：

年空耗損耗W= Ue *cos *η*年運(yùn)行總時間 *空載率

    =   48424          度

假設(shè)工業(yè)用電電費(fèi)為    1.0  元/度，則：

年空載損耗費(fèi)用F=W *   1.0     元/度

   =      48424    元

        變頻控制下的節(jié)能分析

采用變頻控制方式，當(dāng)空壓機(jī)空載時，假設(shè)主電機(jī)降到30Hz運(yùn)行。電機(jī)30Hz空載運(yùn)行和50Hz空載運(yùn)行時的電流基本相同，而定子繞組所承受的相電壓與運(yùn)行頻率成正比關(guān)系。

即         U=Ue *(f設(shè) *f工)=228V

電機(jī)功耗P= Ue *cos *η 

,因此，我們可以近似地認(rèn)為：電機(jī)功率與運(yùn)行頻率程正比，電機(jī)空載損耗也與運(yùn)行頻率成正比。

則采用變頻控制方式時：

年空載損耗W₁=W *(f設(shè)* f工)

=     29054      度

變頻控制方式下年空載損耗費(fèi)F1則：

F1=W1 *   1.0      元/度

=    29054   *1

=     29054     元

通過以上計算，當(dāng)空壓機(jī)由工頻控制改為變頻控制時，

僅空載損耗每年就可節(jié)省費(fèi)用 F-F1=    19370       元

    附表：某廠其他空壓機(jī)節(jié)電情況分析

這樣，某廠全部十臺空壓機(jī)年（全年按照運(yùn)行8000小時計算）總節(jié)電為：

3580+286+24275+286+16613+28714+7447+501+6229=87931（度）

電費(fèi)按照1.0元/ 度

全年節(jié)省電費(fèi)：87931度 *1.0元/ 度=87931元

空壓機(jī)采用變頻控制方式時，系統(tǒng)能根據(jù)用戶設(shè)定工作壓力和當(dāng)前壓力反饋信號，自動進(jìn)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)恒壓控制，這樣，當(dāng)用戶用氣量減小的時候，空壓機(jī)自動降低輸出功率，而不必像傳統(tǒng)控制方式那樣一直滿載運(yùn)行，從而大大降低了空壓機(jī)的能耗成本，并提高了供氣質(zhì)量。

綜上所述，將空壓機(jī)由工頻控制方式改造成變頻控制方式后，很大程度的降低了空壓機(jī)的電能損耗，帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。對于大多數(shù)用戶，一般在進(jìn)行空壓機(jī)變頻改造后的一年內(nèi)，即可回收投資成本，實現(xiàn)良好的節(jié)能效果。

         間接經(jīng)濟(jì)效益

通過節(jié)能改造，不僅節(jié)約電能，同時在以下幾方面帶來較大經(jīng)濟(jì)效益：

         由于總功耗下降很多，整個用電系統(tǒng)溫升大幅度降低，設(shè)備故障率下降，設(shè)備和開關(guān)觸點的壽命提高，維修費(fèi)用和設(shè)備更新成本相應(yīng)減少。

         由于采用了有效的節(jié)能措施，減輕了變壓器的容量，保證了用戶變壓器的安全運(yùn)行，同時為新增用電設(shè)備提供了空間。

         備具有軟啟動功能，啟動瞬間電流平穩(wěn)上升，大大減少了對電機(jī)的沖擊，延長了電機(jī)的壽命。