變頻器在活塞式空壓機中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2019-08-02 10:20:19來源：
變頻器在活塞式空壓機中的應(yīng)用
1 引言某煤礦機械廠是我國煤炭機械行業(yè)中的一類大型骨干
企業(yè)，其空壓機站由3 臺132kW的活塞式空壓機組成，為全
廠提供壓縮空氣，其地位非常重要，同時能耗巨大。因此在
2005年5月，該廠對原系統(tǒng)的一臺空壓機進行了變頻改造， 引
入閉環(huán)控制和變頻調(diào)節(jié)，使節(jié)電率達到了29%，同時也提高
了控制系統(tǒng)精度，并使該空壓機站的控制系統(tǒng)達到先進水平。
2 空壓機運行工況分析
人們通常用的都是活塞式空壓機， 活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運
行，從而使氣缸內(nèi)氣體容積發(fā)生變化，并與氣缸內(nèi)氣閥作相
應(yīng)的開閉動作配合，通過吸氣、壓縮、排氣等動作，將無
壓或低壓氣體升壓，輸出到儲壓罐內(nèi)。壓力控制采用上、下
限控制方式，就是當(dāng)空壓機氣缸內(nèi)壓力達到設(shè)定值上限 HH
時，空壓機通過本身的油壓關(guān)閉進氣閥，電動機卸荷運行，
此時不產(chǎn)生壓縮空氣，電機處于空載狀態(tài)；當(dāng)壓力下降到設(shè)
定值下限HL 時，空壓機打開進氣閥，產(chǎn)生壓縮空氣。這種
運行方式存在極大的能量浪費：
首先，這種控制方式存在壓力波動，要使壓力波動不影
響使用， 就得把壓力低限設(shè)為用氣設(shè)備可正常使用的比較低壓力
HL，假設(shè)在此壓力下空壓機滿負(fù)載消耗的功率為PL。試驗證
明，當(dāng)空壓機滿負(fù)載運行、排氣壓力在某一范圍內(nèi)波動時，
其輸入功率P與排氣壓力H滿足如下關(guān)系：
P = PL ×（H / HL）
即空壓機驅(qū)動軸上所需要的軸功率P 與排氣壓力H 成正
比。這樣，在實際運行中，由于用氣量的變化，空壓機排
氣壓力始終高于等于HL，導(dǎo)致空壓機在帶載運行時，其消耗
功率都高于等于PL。
其次，當(dāng)空壓機氣缸內(nèi)壓力達到設(shè)定值上限HH時，電機
卸荷，轉(zhuǎn)為空載運行，此時其用電量為滿負(fù)載的30%～60%
左右，這部分電能被白白的浪費。
也正是由于這種上、下限位式兩點控制，導(dǎo)致當(dāng)用氣量
與額定產(chǎn)氣量相差較大時，空壓機會頻繁的卸載和加載，對
電動機、空壓機和電網(wǎng)造成很大的沖擊。
由以上分析可以看出，當(dāng)用氣量與額定產(chǎn)氣量相差較大
時，如果用變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，把排氣壓力設(shè)為HL，使
空壓機產(chǎn)氣量隨用氣量的變化而變化， 既維持了排氣壓力的穩(wěn)
定，又避開了電機的空載運行，節(jié)能潛力非?？捎^。
3 空壓機閉環(huán)控制方案
筆者采用以空壓機輸出壓力為控制對象的閉環(huán)控制方案。
經(jīng)壓力傳感器取出的反饋信號，送至PID 調(diào)節(jié)器，與預(yù)置的
壓力給定信號相比較，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的4～20mA信號接至變
頻器的給定端，調(diào)節(jié)空壓機的工作頻率和轉(zhuǎn)速。當(dāng)送氣管網(wǎng)
壓力低于壓力給定時，PID輸出控制信號將提高變頻器輸出頻
率，否則將降低變頻器輸出頻率，直至送氣管網(wǎng)壓力與設(shè)定
的壓力給定值相等。其系統(tǒng)框圖如圖1 所示。
圖1 空壓機閉環(huán)控制系統(tǒng)圖
4 設(shè)備選型及電氣實現(xiàn)
空壓機的械特性有些特殊，選擇變頻器應(yīng)基于以下兩
點：
(1) 空壓機的機械特性具有恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)，且其飛輪力矩
編號：060307
大，需要有較大的起動轉(zhuǎn)矩，所以選擇變頻器不能選擇一般
風(fēng)機泵類變頻器，必須選擇恒轉(zhuǎn)矩類變頻器。
(2) 變頻器要有PID調(diào)節(jié)功能，否則就必須加外置PID調(diào)
節(jié)器，不但會增加投資成本，還會降低系統(tǒng)可靠性。
由此，筆者選擇了ABB ACS800變頻器，該系列變頻器
具有以下突出特點：
? 采用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC），自起動快，起
動轉(zhuǎn)矩大，比較大起動轉(zhuǎn)矩可達到200%的額定轉(zhuǎn)矩；
? 快速的階躍轉(zhuǎn)矩上升，上升時間小于5ms；
? 通過磁通優(yōu)化，可使變頻器和電動機總效率提高1%～
1 0%，同時還可降低電動機噪聲；
? 內(nèi)置PID控制器，且PID參數(shù)可自調(diào)整，節(jié)約了用于
閉環(huán)控制的附加成本；
? 方便靈活的軟件組態(tài)功能，通過調(diào)用預(yù)置的應(yīng)用宏，
完成標(biāo)準(zhǔn)變頻器功能的設(shè)定。
由ABB ACS800-210變頻器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)電氣原理
圖如圖 2 所示。
制作控制柜時，要把變頻器控制盤安裝到控制柜的面板
上， 既可以方便地設(shè)定送氣壓力， 又可以觀察變頻器輸出頻率、
電流和送氣管網(wǎng)實際壓力等信息。
5 變頻改造中應(yīng)注意的問題
(1) 電機的散熱問題。電機變頻運行后，轉(zhuǎn)速降低，裝
在電機軸上的散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速同樣降低， 電機的散熱效果變差。
(2) 空壓機的潤滑問題。空壓機的轉(zhuǎn)速越低，潤滑油的
耗量也就越小，其潤滑效果越差。
(3) 系統(tǒng)壓力設(shè)定問題。由運行工況分析可知，空壓機
的排氣壓力越高， 所需的電機軸功率越大， 電機耗電也就越多，
所以在滿足生產(chǎn)工藝的要求下， 壓力設(shè)定值要盡可能的低一些。
針對以上問題，筆者綜合節(jié)能效果和空壓機的機械特性，
考慮了多種方案，比較后把系統(tǒng)壓力設(shè)定為0.6MPa，把變頻器
運行頻率下限設(shè)定為28Hz，這樣，既能滿足空壓機散熱和潤
滑的需要，又能比較大限度的降低電能損耗。
圖2 空壓機閉環(huán)控制電氣原理圖
6 節(jié)能效果及綜合效益分析
改造前，空壓機經(jīng)常是加載2min，卸載2min，加載運
行時電流為230A，卸載運行時電流為110A。改造后，空壓
機運行頻率經(jīng)常在30Hz～40Hz之間，運行電流平均為120A，
基本上沒有卸載時間?？諌簷C平均每天工作16小時，每月工
作26天。假定電機功率因數(shù)為0.85，空壓機每月用電量W計
算如下：
W前＝P×16×26/1000
＝30.5
UI×0.85×16×26/1000
＝1.73×380×(230×0.5＋110×0.5)×0.85×16×
26/1000
＝379 98（度）
W后＝1.73×380×120×0.85×16×26/1000
＝278 95（度）
每月節(jié)省電量＝W前－W后
＝37998-27895
＝10103（度）
按每度電0.6元計， 每月可節(jié)省電費＝10103×0.6＝6061.8 （元）
整套空壓機系統(tǒng)改造費用10 萬元左右，約一年半就能收
回設(shè)備投資。
空壓機變頻改造后，還具有以下優(yōu)點：
(1) 電動機軟啟軟停，對電機、空壓機、電網(wǎng)的沖擊大
為減小，延長了設(shè)備的使用壽命，減少了設(shè)備的維修量和維護
費用；
(2) 進一步完善了保護功能，如熱保護，過電流、過電
壓、欠電壓、短路、缺相保護等功能；
(3) 操作簡單方便，運行平穩(wěn)，電機、空壓機溫升正常，
噪音、振動減小；
(4) 空壓機不再頻繁的加載和卸載，供氣壓力穩(wěn)定，提
高了產(chǎn)品質(zhì)量。
其他作者 ：張剛（1972-），男，講師，研究方向為FCS、自動測控
技術(shù)等。
參考文獻
[1] 韓安榮. 通用變頻器及應(yīng)用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社.
[2] 宛如意, 等. 空氣壓縮機系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能改造[J]. 變頻器世界, 2001-4.
[3] ABB. ACS800固件手冊[Z].