1 引言

空壓機是空氣壓縮機的簡稱，它是氣源裝置中的主體，是將原動機（通常是電動機）的機械能轉換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發生裝置。作為基礎工業裝備，空壓機在冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業行業都有廣泛的應用。

據不完全統計，空壓機占大型工業設備（風機、水泵、鍋爐、空壓機等）耗電量的15%，面對能源日趨緊張的國際形勢，如何降低空壓機運行所消耗的能源對于響應國家節能降耗的政策以及提高企業的經濟效益都具有十分重要的現實意義。

2 傳統空壓機加、卸載供氣控制方式存在的問題

傳統空壓機工作圖

能量損耗大

傳統空壓機加、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_min = (1-δ) P_max，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：

a．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空壓機能量，這是一種能量損失。

b．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。

c．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，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使空壓機不需要壓縮氣體做功，但空壓機的電機還是要帶動螺桿做回轉運動，此時，空壓機做無用功，造成能量的嚴重浪費。據測算，空壓機卸載時的能耗一般約占其滿載運行時的10－15%左右。

壓力不穩，自動化程度低

傳統空壓機自動化程度低，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。

工頻起動沖擊電流大

主電機雖然采用Y-△減壓起動，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。

設備維護量大

空壓機工頻起動電流大，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。

工作條件惡劣、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。

3 空壓機改造原理

變頻控制原理

根據異步電動機轉速公式：

式中，f為電源頻率，S為電動機轉差率，P為電動機的極對數。

當P和S確定后，電動機轉速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變電機轉速n，從而實現變頻調速。

變頻節能原理

根據空壓機的運行特性可知，空壓機基本屬于恒轉矩負載，用變頻調速的方法根據供氣量大小來調節電機轉速，能使電機的輸出功率基本與轉速（供氣量）成正比關系。

當用氣量減小時，排氣口壓力上升，通過閉環反饋給變頻器，使電機轉速降低，減小了軸輸出功率；當用氣量增加時，排氣口壓力下降，通過閉環反饋給變頻器，使電機轉速升高，增加了軸輸出功率。

因此，變頻空壓機系統通過壓力閉環，可實時跟蹤供氣系統負載變化，調整空氣壓縮機電機的轉速，保證排氣口壓力恒定，使壓縮機電機工作在運行狀態下。避免了原控制方式空壓機頻繁的加載與卸載，頻繁地起動與停機，使得從電網吸收的電能大大下降。

4 空壓機改造方案

如前所述，通過閉環調節系統，可以有效的實現空壓機改造，HD30系列矢量控制變頻器內置強大的PID調節功能，根據現場實際情況合理設置PID參數，可達到較好的控制效果。

控制配線圖

控制方法說明

變頻調速系統以空壓機壓縮空氣的輸出壓力作為控制對象，由變頻器，壓力傳感器、電機、空壓機等組成閉環恒壓控制系統。

工作壓力值由變頻器PID調節給定通道確定，現場壓力由傳感器來檢測，轉換成0－10V電壓信號（也可轉換成電流信號）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，達到調節電機轉速，進而調節電機輸出功率的目的。

由此可見只要調節電機的轉速，就可以調節電機軸輸出功率，也即調節了空壓機的輸入功率，使空壓機的制風量與用風量相匹配，達到恒壓供氣與節能的目的。

功能參數設置簡表

需設置的基本功能參數見下表。

控制流程詳細說明

當用氣量減小時，出氣閥出氣量減小，儲氣罐壓力上升，壓力傳感器的電壓信號值增大，送至變頻器的反饋量增加，當PID反饋壓力≥PID給定壓力時，通過PID調節功能，變頻器將減速運行，電機轉速降低，進氣閥進氣量減小，當到達PID調節器下限頻率時，以下限頻率恒速運行。

而當用氣量增加時，出氣閥出氣量增加，儲氣罐壓力下降，壓力傳感器的電壓信號值減小，送至變頻器的反饋量減小，當PID反饋壓力＜PID給定壓力時，變頻器將加速運行，電機轉速增大，進氣閥進氣量增加，當達到PID調節上限頻率時以上限頻率恒速運行。

5 空壓機改造后的優點

運行成本降低

用電成本大約占壓縮機運行成本的72%。通過變頻器用電大約降低18%，再加上變頻起動后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低，節約了能源。

提高壓力控制精度

由于變頻控制系統具有恒壓供氣控制模式，儲氣罐可以得到相對平穩的供風壓力，有利于用風設備的安全運行，同時又減少了無用壓力提高而帶來的能耗支出，變頻控制空壓機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，它可以使管網的系統壓力變化保持在0.2MPa范圍內，有效地提高了工況質量。

延長電機、空壓機等機械設備的使用壽命

變頻器從0Hz起動空壓機，它的起動加速時間可以調整，從而減少起動時對空壓機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統的可靠性，既保護了電動機，延長了其使用壽命，對電網而言又可以算是增加了系統的裝機容量，同時還延長了機械和模具的使用壽命。此外，變頻控制能夠減少機組起動時電流波動，這一波動電流會影響電網和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減小到較低程度。

降低了空壓機的噪音

根據空壓機的工況要求，變頻調速改造后，電機運轉速度明顯減慢，因此有效降低了空壓機運行時的噪音。現場測定表明，噪音與原系統比較下降約5－10dB，設備動作更穩，環境得到改善。

輸出壓力穩定

采用變頻控制系統后，可以實時監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，提高生產效率和產品質量。

操作方便、保護功能完善

生產中不需要對節電設備進行調整，全程自動跟蹤控制，且有多種（過流、過壓、欠壓、電機過載、電機過熱等）保護功能，簡單、安全、方便。

設備維護量小

空壓機變頻起動電流小，小于2倍額定電流，加卸載閥無須反復動作，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，設備使用壽命延長，維護工作量變小。

6 注意事項

安裝

安裝時，控制柜與壓縮機之間的配線不得超過30m，且與控制線保持一定距離，分開走線。控制回路的配線采用屏蔽雙絞線，接線距離在20m以內。由于變頻器發熱量大，控制柜內要裝散熱風扇，變頻器接地端子不可與動力接地混用。

調試

在完成變頻器的功能設定及空載運行后，可進行系統聯動調試。

開環

此時，主要觀察變頻器頻率上升情況，即設備運行聲音是否正常、空壓機壓力上升是否穩定、壓力傳感器顯示是否正常、設備停機是否正常等。如一切正常，則可進行閉環的調試。

閉環

主要依據變頻器頻率上升與下降的速度和空壓機壓力的升降相匹配，避免產生壓力振蕩。另外還要注意觀察機械共振點，需將共振點附近的頻率跳過去（可通過對F05.17－F05.20跳躍頻率相關參數進行正確設置）。空壓機是大轉動慣量負載，這種起動特點很容易引起變頻器在起動時出現過流保護的情況，采用具有高起動轉矩的無速度矢量控制變頻器，既能保證實現恒壓供氣的連續性，又可保證設備可靠穩定的運行。空壓機不允許長時間在低頻下運行，空壓機轉速過低，一方面使空壓機穩定性變差；另一方面潤滑油壓力降低，使缸體潤滑度變差，會加快磨損。所以工作下限應不低于20Hz。

為了有效濾去變頻器輸出端電流中高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減少電機運行噪聲與溫升，提高電機運行穩定性。

建議功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機起動出現頻繁跳閘的情況。

7 結語

采用以上改造方案，能達到較為理想的節能效果，從而為客戶創造出可觀的經濟效益。

為做出合理可行的改造方案，在改造過程中，應認真分析設備工頻運行的歷史數據，計算節能空間，仔細分析設備的電路原理。

參考文獻：

深圳海浦蒙特科技有限公司  HD30系列矢量控制變頻器用戶手冊（V1.0）

文章轉自《控制與傳動》 2012年第九期