一、引言

空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備，主要有吸氣、壓縮、作功輸送和排氣四個主要過程。已有幾百年的應(yīng)用歷史，在機械結(jié)構(gòu)方面也經(jīng)過了100年的發(fā)展，原理是成熟的，但大容量的空壓機在工作過程的帶載啟動和泄載一直是一個難題。在結(jié)構(gòu)上分常見有活塞式、螺桿式、和離心式等。它的用途廣泛，可以用于冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石油化工等各個行業(yè)?？諌簷C占大型工業(yè)設(shè)備（風(fēng)機、水泵、鍋爐、空壓機等）耗電量的15%。經(jīng)考察，大部分空壓機自身存在著以下幾個缺點: （1）當(dāng)輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機空轉(zhuǎn)，屬非經(jīng)濟(jì)運行，造成嚴(yán)重的能源浪費;（2）異步電動機易頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命; （3）工作條件惡劣，自動排空放氣時噪音極大，造成環(huán)境污染;（4）自動化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠人為調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)速度慢，波動大，不穩(wěn)定，精度低; （5）空壓機工頻啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊大，電機軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大;（6）上下限壓力不易調(diào)節(jié)。壓力調(diào)得太小則易造成不斷的起停而燒毀電機及電磁開關(guān)；調(diào)節(jié)的太大則易造成管路的高壓力、高的傳送損失、漏氣、管路破裂的危險，而且壓力范圍太大也無法滿足現(xiàn)代化工藝要求。

綜上所述：可用VVVF對現(xiàn)用的空壓機系統(tǒng)進(jìn)行改造，以建立恒壓供氣系統(tǒng)，從而達(dá)到節(jié)電、減少噪音、降低設(shè)備磨損、減少電網(wǎng)沖擊、提高功率因數(shù)、起到穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的效果。

二、空壓機變頻改造原理介紹（以螺桿機為例）

2.1 空壓機的工作原理

圖1 螺桿式空壓機的工作原理圖

螺桿式空壓機的工作原理圖如圖1所示，空氣經(jīng)空氣過濾器和吸氣調(diào)節(jié)閥而吸入，該調(diào)節(jié)閥主要用于調(diào)節(jié)氣缸、轉(zhuǎn)子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)相對于氣缸里偏心方式運轉(zhuǎn)。滑片安裝在轉(zhuǎn)子的槽中，并通過離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統(tǒng)能夠確保壓縮機良好的冷卻及潤滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經(jīng)壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經(jīng)過油氣分離器進(jìn)行分離之后，油氣經(jīng)過油冷卻器冷卻再經(jīng)過油過濾器流回儲油罐，空氣經(jīng)過氣冷卻器（空氣冷卻裝置）進(jìn)行冷卻而進(jìn)入儲氣罐。

2.2 空壓機變頻節(jié)能原理

變頻調(diào)速技術(shù)近年來發(fā)展迅速，并在許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。空壓機變頻節(jié)能系統(tǒng)原理框圖如圖2。

圖2 空壓機變頻節(jié)能系統(tǒng)原理框圖

由于許多螺桿式空壓機運行方式是加載、減載方式。減載時電機空轉(zhuǎn),那么能源都被白白的浪費了，而電動機轉(zhuǎn)速自身不能改變，只能通過改變電機頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。變頻控制即通過改變電動機的轉(zhuǎn)速來控制空壓機單位時間的出風(fēng)量，從而達(dá)到控制管路的壓力。原理如下：通過壓力變送器測得的管網(wǎng)壓力值與壓力的設(shè)定值相比較，得到偏差，經(jīng)PID調(diào)節(jié)器計算出變頻器作用于異步電動機的頻率值。由變頻器輸出的相應(yīng)頻率和幅值的交流電，使電動機上得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。那么空壓機輸出相應(yīng)的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同。

三、變頻改造注意事項以及設(shè)計原則

3.1 應(yīng)明確空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，這種啟動特點很容易引起變頻器在啟動時出現(xiàn)跳過流保護(hù)的情況，建議采用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的恒轉(zhuǎn)矩變頻，保證既能實現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證 設(shè)備可靠穩(wěn)定的運行;不推薦用變轉(zhuǎn)矩的變頻。

3.2 空壓機不允許長時間在低頻下運行，空壓機轉(zhuǎn)速過低，一方面使空壓機穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體潤滑度變差，會加快磨損。所以工作下限應(yīng)不低于25Hz;

3.3 建議功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動出現(xiàn)頻繁跳閘的情況，也便于日后的系統(tǒng)工況擴(kuò)展。

3.4 為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，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的噪音，提高電機的穩(wěn)定性;

3.5 設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現(xiàn)異常保護(hù)時，不至于影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

3.6 電機變頻運行狀態(tài)保持儲氣罐出口壓力穩(wěn)定，壓力波動范圍不能超過±0.02Mpa。

3.7 一臺變頻器能控制兩臺空壓機組，可在柜體內(nèi)用轉(zhuǎn)換開關(guān)切換。

3.8 為了防止非正弦波干擾空壓機控制器，變頻器輸入端應(yīng)有抑制電磁干擾的有效措施?？刂凭€信號線采用屏蔽線纜，布線時要和動力電路分開，防止干擾引入

四、變頻器的選型

據(jù)上原則，經(jīng)過調(diào)研、比較，英格索蘭壓縮機公司（IR）最終選擇歐瑞傳動公司生產(chǎn)的F1500-G系列315KW通用型變頻器，以滿足其配套及系統(tǒng)節(jié)能工況改造要求。

4.1 F1500-G變頻器的頻率精度：數(shù)字設(shè)定為±0.01%；模擬設(shè)定為上限頻率＊0.4%。可使壓力波動范圍滿足設(shè)計要求。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計了變頻和工頻兩套主回路。（參見產(chǎn)品柜圖）

4.3 系統(tǒng)設(shè)計了閉環(huán)與開環(huán)兩套控制回路。

4.4 使用轉(zhuǎn)換開關(guān)可使變頻器任意控制兩臺空壓機組中的一臺。

4.5 F1500-G型變頻器適用恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載，該變頻器還具有轉(zhuǎn)矩補償和提升的功能。

4.6 在該變頻器上端加裝輸入電抗器，有效的抑制了變頻器對電網(wǎng)的干擾。

4.7 在該變頻器下端加裝輸出電抗器，保障了低頻運行時電機溫度噪音不超過允許范圍。

4.8 選用315KW的變頻器控制250KW的電動機，在一定程度上滿足了將來工況擴(kuò)展要求。

五、改造及配套方案原理

5.1 由變頻器，壓力變送器、電機、螺旋轉(zhuǎn)子組成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使儲氣罐內(nèi)空氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，進(jìn)行恒壓控制。 反饋壓力與設(shè)定壓力進(jìn)行比較運算，實時控制變頻的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使儲氣罐內(nèi)空氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力上。

5.2 充分利用歐瑞傳動F1500-G通用恒轉(zhuǎn)矩變頻所擁有的閉環(huán)轉(zhuǎn)開環(huán)功能特點，將控制板端子OP1—OP8（對應(yīng)功能碼F408-F415）任一端子定義為19（閉環(huán)切換到開環(huán)功能），將運行調(diào)整模式從PI調(diào)節(jié)切換至F204所設(shè)定的調(diào)整模式，當(dāng)該功能端子與CM斷開時，為閉環(huán)控制；與CM短接時，為開環(huán)控制。此定義端子接原系統(tǒng)空壓機內(nèi)部控制板的加減載信號。變頻隨著系統(tǒng)板的控制信號，變換工作在閉環(huán)（PI）與開環(huán)（F204=1數(shù)字頻率設(shè)定，鍵盤UP\DOWN調(diào)節(jié)，掉電保存結(jié)果。）狀態(tài)。加減載信號由原空壓機的信號采樣控制板控制，保存原釋放閥系統(tǒng)，在必要時也參與調(diào)節(jié)，增強了系統(tǒng)的可靠性！如果生產(chǎn)現(xiàn)場工況用氣量極少，那么變頻自動進(jìn)行PI調(diào)節(jié)使輸出頻率降低，如此時的壓力MPa值還未降至預(yù)計值，此時由空壓機的壓力采樣控制板輸出減載信號指令輸出到變頻的閉環(huán)轉(zhuǎn)開環(huán)端子，使變頻運行在固定的數(shù)字頻率設(shè)定值27HZ，運行在此一底限頻率值，能比較好地解決加速時間慢的問題，同時也解決了電機長期在低頻下運行的溫升問題，和空壓機齒輪泵供油的潤滑問題。此信號同時也去控制釋放閥。如果生產(chǎn)現(xiàn)場的用氣量正常，則依靠變頻自身的PI功能，系統(tǒng)壓力會穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)。則此時來講，閉環(huán)轉(zhuǎn)開環(huán)的轉(zhuǎn)換功能也就用不上了，變頻持續(xù)工作在閉環(huán)PI狀態(tài)下。

5.3 控制板端子配線：

OP7——定義為FWD（RUN/STOP）,接控制板的運行/停機信號；

OP8——定義為閉環(huán)轉(zhuǎn)開環(huán)信號，由原空壓機加減載內(nèi)部控制板取來。

CM——控制信號的參考地。

GND——壓力反饋控制4－20MA信號負(fù)輸入端。

AN2——壓力反饋控制4-20MA信號正輸入端。

TB & TC——外接指示儀表，故障表征輸出。

六、系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試工作分成兩部分：

第一，先根據(jù)工藝要求、電機參數(shù)、負(fù)載特性預(yù)調(diào)變頻器參數(shù)。（變頻控制參數(shù)表詳見附表1）

第二，系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)試。 在完成變頻器設(shè)定參數(shù)調(diào)整及空載運行后，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)試。調(diào)試的主要步驟：

6.1 將變頻器接入系統(tǒng)。

6.2 進(jìn)行工頻旁路的運行。注意此時電機的轉(zhuǎn)向，應(yīng)確保變頻與工頻回路的電機轉(zhuǎn)向一致。

6.3 進(jìn)行變頻回路的運行，其中包括開環(huán)與閉環(huán)控制兩部分調(diào)試：

開環(huán)：此時主要觀察變頻器頻率上升的情況，設(shè)備的運行聲音是否正常，空壓機的壓力上升是否穩(wěn)定，壓力變送器顯示是否正常，設(shè)備停機是否正常等。如一切正常，則可進(jìn)行閉環(huán)的調(diào)試。

閉環(huán)：主要依據(jù)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，不要產(chǎn)生壓力振蕩，還要注意觀察機械共振點，將共振點附近的頻率跳過去。