雷諾爾RNB1000變頻器在某廠空壓機變頻改造中的應用

雷諾爾RNB1000變頻器在某廠空壓機變頻改造中的應用

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、設計、生產與銷售的高科技企業，擁有豐富的行業經驗和雄厚的技術實力。針對空壓機行業電能浪費嚴重，節能需求迫在眉睫的現狀，公司經過深入研究，結合RNB1000變頻器，推出了完整的空壓機變頻控制方案。

一、空壓機簡介：

空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備。通常，空壓機分為螺桿式空壓機,螺桿式空壓機又分為單螺桿空壓機及雙螺桿空壓機,離心式空壓機,活塞式空壓機,滑片式空壓機,渦旋式空壓機,旋葉式空壓機。

 螺桿式空壓機工作原理

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

活塞式空壓機工作原理

活塞式空壓機是由電動機帶動皮帶輪通過聯軸器直接驅動曲軸，帶動連桿與活塞桿，使活塞在壓縮機氣缸內作往復運動，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。其中，活塞組件，活塞與汽缸內壁及汽缸蓋構成容積可變的工作腔，在曲柄連桿帶動下，在汽缸內作往復運動以實現汽缸內氣體的壓縮。

二、行業分析：

據中國空壓機網調查：

全國有180億/年的空壓機市場，有超過400萬臺的空壓機在工作，22kw以上功率等級的空壓機超過100萬臺，22kw以下中小空壓機以活塞式為主，年新增數十萬臺。空壓機一般按工廠最大負荷加10%-20%余量設計，另外，工廠實際需求存在季節性及時間性波動，導致用氣量波動較大，所以空壓機多數時間并非滿載運行，節能空間很大。

三、傳統空氣壓縮機加、卸載供氣控制方式存在的問題 

     傳統空壓機的工作圖：

         能量損耗

傳統空氣壓縮機加、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是設定的最高壓力值。一般情況下，p_max和p_min之間關系可用下式表示:

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

如果采用變頻調速技術連續調節供氣量，則可使管網壓力始終維持在能滿足供氣的工作壓力上，即等于p_min的數值。由此可見，加、卸載供氣控制方式浪費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

當儲氣罐中空氣壓力達到p_min后，加、卸載供氣控制方式還要使其壓力繼續上升，直到p_max這一過程需要電源提供壓縮機能量，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。

          卸載時調節方法不合理所消耗的能量

通常情況下，當壓力達到p_max時，空氣壓縮機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使空氣壓縮機不需要再壓縮氣體做功，但空氣壓縮機的電機還是要帶動螺桿做回轉運動，此時，空氣壓縮機做無用功，造成能量的嚴重浪費。據測算，空氣壓縮機卸載時的能耗一般約占空氣壓縮機滿載運行時的10%～15%左右。

   工頻啟動沖擊電流大

主電機雖然采用Y-△減壓啟動，但起動電流仍然很大，對電網沖擊大，易造成電網不穩以及威脅其他用電設備的安全運行。對于自發電工廠，數倍的額定電流沖擊，可能導致其它設備異常。

   壓力不穩，自動化成度低

傳統空壓機自動化成度低，輸出壓力的調節是靠加、卸載閥，通過調節閥的控制來實現的。調節速度慢，波動大，精度低，輸出壓力不穩定。

   設備維護量大

空壓機工頻啟動電流大，高達5-8倍額定電流，工作方式決定了加、卸載閥必然反復動作，部件易老化，工頻高速運行，軸承磨損大，設備維護量大。

   噪音大

持續工頻高速運行，超出工作壓力所需的額外壓力，反復加載、卸載，都直接導致工頻運行噪音大。

四、變頻改造原理

空壓機變頻改造原理圖

原理：變頻調速系統以輸出壓力作為控制對象，由變頻器、壓力傳感器、電機組成的閉環恒壓控制系統，工作壓力值可由操作面板直接設置，現場壓力由傳感器來檢測，轉換成4-20mA電流信號后反饋到變頻器，變頻器通過內置PID進行比較計算，從而調節其輸出頻率，達到空壓機恒壓供氣和節能的目的。

五、變頻改造空壓機的優點

   節能

變頻器節能主要表現在：

1、變頻器通過調整電機的轉速來調節氣體流量，使電機的輸出功率與流量需求成正比，保持電機搞效率工作，功率因數高，無功損耗小，節能效果明顯。

2、按嚴格的EMS標準設計，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，電機完全停止，最大成度節能。

節能空間：

灰色：變頻空壓機功耗曲線。

綠色：節能部分A，變頻空壓機比普通空壓機節省的能量。

淺藍色：節能部分B，變頻空壓機可能節省的能量。B為當變頻空壓機已進入停機休眠階段，而普通空壓機沒有進入休眠時，變頻空壓機節省的能量。如果變頻空壓機也沒有進入休眠，則B=0。

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

   啟動電流小，對電網無沖擊

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

   輸出壓力穩定

變頻調速系統將管網壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變為電信號送給控制器內部的PID調節器，與壓力給定值進行比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率，調整電動機的轉速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。

壓力頻率PID曲線圖

   設備維護量小

變頻啟動電流小，小于2倍額定電流，加卸載閥無需反復動作。變頻空壓機根據用氣量自動調節電機轉速，運行頻率低，轉速慢，軸承磨損小，延長設備使用壽命，使維護工作量變小。

   噪音低

變頻根據用氣需求提供能量，沒有太多的能量損耗，電機運行頻率降低，機械轉動噪音因此變小。由于變頻調節電機轉速，不用反復加載、卸載，頻繁加卸載的噪音、持續加壓，氣壓不穩產生的噪音也隨之消失了。

總之，采用變頻控制系統后，不但可以節約一筆數目可觀的電力費用，延長壓縮機的使用壽命，還可實現恒壓供氣的目的，提高生產效率和產品質量。

六、變頻改造投資效益分析：

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

       工頻控制下的空載損耗（以貴廠A機房3#空壓機為例）

已知空壓機的總運行時間為      6376   小時X，加載運行時間為  4212      小時Y，則：

空壓機空載率=(X-Y) /X

=(     6376     -      4212        ) /  6376  

=      0.339          

假設電源電壓為Ue，取380V，空載電流為_1_ ，功率因數為cos，取   0.85    ，空壓機效率η，取    0.95    ，空壓機年運行總時間取   8000      小時，則：

年空耗損耗W= Ue *cos *η*年運行總時間 *空載率

    =   48424          度

假設工業用電電費為    1.0  元/度，則：

年空載損耗費用F=W *   1.0     元/度

   =      48424    元

        變頻控制下的節能分析

采用變頻控制方式，當空壓機空載時，假設主電機降到30Hz運行。電機30Hz空載運行和50Hz空載運行時的電流基本相同，而定子繞組所承受的相電壓與運行頻率成正比關系。

即         U=Ue *(f設 *f工)=228V

電機功耗P= Ue *cos *η 

,因此，我們可以近似地認為：電機功率與運行頻率程正比，電機空載損耗也與運行頻率成正比。

則采用變頻控制方式時：

年空載損耗W₁=W *(f設* f工)

=     29054      度

變頻控制方式下年空載損耗費F1則：

F1=W1 *   1.0      元/度

=    29054   *1

=     29054     元

通過以上計算，當空壓機由工頻控制改為變頻控制時，

僅空載損耗每年就可節省費用 F-F1=    19370       元

    附表：某廠其他空壓機節電情況分析

這樣，某廠全部十臺空壓機年（全年按照運行8000小時計算）總節電為：

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

電費按照1.0元/ 度

全年節省電費：87931度 *1.0元/ 度=87931元

空壓機采用變頻控制方式時，系統能根據用戶設定工作壓力和當前壓力反饋信號，自動進行閉環控制，實現恒壓控制，這樣，當用戶用氣量減小的時候，空壓機自動降低輸出功率，而不必像傳統控制方式那樣一直滿載運行，從而大大降低了空壓機的能耗成本，并提高了供氣質量。

綜上所述，將空壓機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的電能損耗，帶來的直接經濟效益非常可觀。對于大多數用戶，一般在進行空壓機變頻改造后的一年內，即可回收投資成本，實現良好的節能效果。

         間接經濟效益

通過節能改造，不僅節約電能，同時在以下幾方面帶來較大經濟效益：

         由于總功耗下降很多，整個用電系統溫升大幅度降低，設備故障率下降，設備和開關觸點的壽命提高，維修費用和設備更新成本相應減少。

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

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