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英格索蘭空氣壓縮機（以下簡稱空壓機）在工礦企業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用。它擔負著為各種氣動元件和氣動設備提供氣源的重任。因此空氣壓縮機運行的狀況直接影響著生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。

1-1 空壓機變頻調(diào)速原理

空壓機是一種把空氣壓入儲氣罐中，使其保持一定壓力的機械設備，屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，其運行功率與轉(zhuǎn)速成正比：

PL=TLnL/9550

式中，PL為空壓機的功率；TL為空壓機的轉(zhuǎn)矩；nL為空壓機的轉(zhuǎn)速。所以單就運行功率而言，采用變頻調(diào)速控制其節(jié)能效果遠不如風機泵類二次方負載顯著，但空壓機大多處于長時間連續(xù)運行狀態(tài)，傳統(tǒng)的運行方式為進氣閥開、關控制方式，即壓力達到上限時關閥，空壓機進入輕載運行；壓力達到下限時開閥，空壓機進入滿載運行。這種頻繁地進行加減負荷的過程，不僅使供氣壓力波動，而且使空氣壓縮機的負荷狀態(tài)頻繁地變換。由于設計時壓縮機不能排除在滿負荷狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以只能按照最大需求來選擇電機的容量，故選擇的電機容量一般較大。在實際運行中，輕載運行的時間往往所占的比例是非常高的，這就造成了巨大的能源浪費。

值得指出的是，供氣壓力的穩(wěn)定性對產(chǎn)品質(zhì)量的影響是很大的，通常生產(chǎn)工藝對供氣壓力有一定的要求，若供氣壓力偏低，則不能滿足工藝要求，就可能出現(xiàn)廢品。所以為了避免氣壓不足，一般供氣壓力要求值要偏高些，但這樣會使供氣成本高、能耗大，同時也會產(chǎn)生一定的不安全因素。

1-2 空壓機加、卸載供氣控制方式存在的問題

1． 空壓機加、卸載供氣控制方式的能量浪費

空壓機加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在設定值Pmin~Pmax間來回變化。其中，Pmin為能夠保證用戶正常工作的最低壓力值；Pmax為設定的最高壓力值。一般情況下，Pmin、Pmax之間的關系可以用下式表示：

Pmax=（1+t）Pmin

式中，t的數(shù)值大致在10﹪～25﹪之間變化。若采用變頻調(diào)速技術連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，則可將管網(wǎng)壓力始終維持在設定供氣的工作壓力上，即等于Pmin的數(shù)值。由此可見，加卸載供氣控制方式浪費的能量主要在三個部分：

1） 壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量

當儲氣罐中空氣壓力達到Pmin后，加、卸載供氣控制方式還要使其壓力繼續(xù)上升，直到Pmax。這一過程中需要電源提供壓縮機能量，從而導致能量損失。

2） 減壓閥減壓消耗的能量

氣動元件的額定氣壓在Pmin左右，高于Pmin的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓至接近Pmin。這同樣是一個耗能過程。

3） 卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量

通常情況下，當壓力達到Pmax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再壓縮氣體做功，但空壓機的電動機還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運動，據(jù)測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10﹪～15﹪，在卸載時間段內(nèi)，空壓機在做無用功，白白地消耗能量。同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空，這種調(diào)節(jié)方式也要造成很大的能源浪費。

2． 加、卸載供氣控制方式的其他損失

1） 靠機械方式調(diào)節(jié)進氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當用氣兩不斷變化時，供氣壓力不可

避免地產(chǎn)生較大幅度的波動，從而使供氣壓力精度達不到工藝要求，就會影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至造成廢品。再加上頻繁調(diào)節(jié)進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。

2） 頻繁地打開和關閉放氣閥，會導致放氣閥的壽命大大縮短。

1-3  空壓機變頻調(diào)速控制方式的設計

1．空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)概述

變頻器是基于交－直－交電源變換原理，集電力電子和微計算機控制等技于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。變頻器可根據(jù)控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。

由電動機知識知道，電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比：

n=60f(1－s)／p

式中，n為轉(zhuǎn)速；f為輸入交流電源頻率；s為電機轉(zhuǎn)差率；p為電機磁極對數(shù)。因此，用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空壓機電動機的電源電壓，就可以方便地改變空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速�？諌簷C采用變頻調(diào)速技術進行恒壓供氣控制時，系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。                                                                                                                                               

3-1  系統(tǒng)原理框圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和頻率，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟起動，避免了起動時的大電流和起動給空壓機帶來的機械沖擊。  

正常情況下，空壓機在變頻器調(diào)速控制方式下工作。考慮到一旦變頻器出現(xiàn)故障時，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空壓機照常工作。

2.變頻器的選擇

由于空壓機是恒轉(zhuǎn)矩負載，故變頻器應選用通用型的，如四方E380系列機型。又因為空壓機的轉(zhuǎn)速也不允許超過額定值，電機不會過載，一般變頻器出廠標注的額定容量都有一定的裕量安全系數(shù)，所以選擇變頻器容量與所驅(qū)動的電機容量相同即可。

3.變頻器的運行控制方式選擇

由于空壓機的運轉(zhuǎn)速度不宜太低，對機械特性的硬度沒什么要求，故可采用U／f控制方式。

4.控制原理說明

改造后，便于對空壓機進行“變頻運行”和“工頻運行”的切換，控制電路采用三態(tài)切換按鈕進行選擇“工頻運行”和“變頻運行” ,  在變頻運行過程中，如果變頻器因故障而跳閘，通過報警揚聲器和報警燈進行聲光報警。同時，時間繼電器得電，其觸點延時一段時間后閉合，使電網(wǎng)接入接觸器動作，電機進入工頻運行狀態(tài)。操作人員發(fā)現(xiàn)報警后，應及時將三態(tài)切換按鈕旋至“工頻運行”位置，這時，聲光報警停止，并使時間繼電器斷電。這時便可以開始對變頻系統(tǒng)進行檢修。

5.壓力變送器選用（貴公司已經(jīng)選好）

6.四方變頻器的功能預置

使用前對變頻器做以下功能預置：

1）上限頻率   由于空壓機的轉(zhuǎn)速一般不允許超過額定值，故

fH≤fN

式中，fH為設置上限頻率，（F2．9） fN為額定頻率。

2）下限頻率   空壓機采用變頻調(diào)速后，其下限頻率的預置要視壓縮機的機種的工況而定，一般來說，其范圍為

25Hz≤fL≤35Hz

3）加、減速時間  空壓機有時需要在儲氣罐已經(jīng)有一定壓力的情況下起動，這時通常要求快一點的加速，故加速時間盡可能縮短（以起動過程不因過流跳閘為原則）；減速時間可參照加速時間進行預置（以制動過程不因過電壓而跳閘為原則）。

4）升、降速方式  空壓機對升降速方式無特殊要求，可設置為線性方式。

1-4  空壓機變頻調(diào)速后的效益

1．節(jié)約能源使運行成本降低

空壓機的運行成本由三項組成：初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本大約占空壓機運行成本的80%。通過變頻技術改造后能源成本降低20%，再加上變頻起動后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟著降低，所以運行成本將大大降低。通過測算，使用變頻器前空壓機用電為55度／小時，使用變頻器后加載電流為107A，卸載電流為45A，因采用PID控制，頻率在27～46Hz，工作壓力在0．6MPa左右，空壓機用電量為38度／小時，每小時節(jié)電17度。按以下計算：每月節(jié)電量=17度×24小時×30天=12240度，若每度電按0．6元計算，則：每月節(jié)約電費=12240×0．6元／度=7344元。可見投資回報高，半年左右節(jié)約的電費就可以收回改造的投資。

2．提高壓力控制精度

變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力，能使空壓機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量匹配。變頻控制空壓機的輸出氣量隨著電機轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制使電機的轉(zhuǎn)速精度提高，所以它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力保持恒定，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

3. 改善空壓機的運行性能

變頻器從0Hz起動空壓機，它的起動加速時間可以調(diào)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(tǒng)的可靠性，使空壓機的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機組起動時的電流波動（這一波動電流會影響電網(wǎng)和其他設備的用電，變頻起動能有效地將起動電流的峰值減少到最低程度）。根據(jù)空壓機的工作狀況要求，變頻調(diào)速改造后，電機轉(zhuǎn)速明顯減慢，因此有效地降低了空壓機運行時的噪音�，F(xiàn)場測定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約3～7dB。

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