1 引言

空壓機(jī)是空氣壓縮機(jī)的簡稱，它是氣源裝置中的主體，是將原動(dòng)機(jī)（通常是電動(dòng)機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置。作為基礎(chǔ)工業(yè)裝備，空壓機(jī)在冶金、機(jī)械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)占大型工業(yè)設(shè)備（風(fēng)機(jī)、水泵、鍋爐、空壓機(jī)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(jī)運(yùn)行所消耗的能源對于響應(yīng)國家節(jié)能降耗的政策以及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 傳統(tǒng)空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問題

傳統(tǒng)空壓機(jī)工作圖

能量損耗大

傳統(tǒng)空壓機(jī)加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin－Pmax之間來回變化。Pmin是能夠保證用戶正常工作的最低壓力值，Pmax是設(shè)定的最高壓力值。

一般情況下，Pmax和Pmin之間關(guān)系可用下式表示：Pmin=(1-δ)Pmax，式中δ值在10－20%之間。

如果采用變頻調(diào)速技術(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，則可使管網(wǎng)壓力始終維持在能滿足供氣的工作壓力上，即等于Pmin的數(shù)值。由此可見，加、卸載供氣控制方式浪費(fèi)的能量主要在以下幾個(gè)部分：

a．壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量：

當(dāng)儲(chǔ)氣罐中空氣壓力達(dá)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這一過程需要電源提供空壓機(jī)能量，這是一種能量損失。

b．減壓閥減壓消耗的能量：

氣動(dòng)元件的額定氣壓在Pmin左右，高于Pmin的氣體進(jìn)入氣動(dòng)元件前的壓力，這就需要用減壓閥將其減至接近Pmin，這同樣是一種能量損失。

c．卸載時(shí)調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量：

通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到Pmax時(shí)，空壓機(jī)通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使空壓機(jī)不需要壓縮氣體做功，但空壓機(jī)的電機(jī)還是要帶動(dòng)螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，空壓機(jī)做無用功，造成能量的嚴(yán)重浪費(fèi)。據(jù)測算，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗一般約占其滿載運(yùn)行時(shí)的10－15%左右。

壓力不穩(wěn)，自動(dòng)化程度低

傳統(tǒng)空壓機(jī)自動(dòng)化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠加、卸載閥，通過調(diào)節(jié)閥的控制來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)節(jié)速度慢，波動(dòng)大，精度低，輸出壓力不穩(wěn)定。

工頻起動(dòng)沖擊電流大

主電機(jī)雖然采用Y-△減壓起動(dòng)，但起動(dòng)電流仍然很大，對電網(wǎng)沖擊大，易造成電網(wǎng)不穩(wěn)以及威脅其他用電設(shè)備的安全運(yùn)行。對于自發(fā)電工廠，數(shù)倍的額定電流沖擊，可能導(dǎo)致其它設(shè)備異常。

設(shè)備維護(hù)量大

空壓機(jī)工頻起動(dòng)電流大，高達(dá)5－8倍額定電流，工作方式?jīng)Q定了加、卸載閥必然反復(fù)動(dòng)作，部件易老化，工頻高速運(yùn)行，軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大。

工作條件惡劣、噪音大

持續(xù)工頻高速運(yùn)行，超出工作壓力所需的額外壓力，反復(fù)加載、卸載，都直接導(dǎo)致工頻運(yùn)行噪音大。

3 空壓機(jī)改造原理

變頻控制原理

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式：

式中，f為電源頻率，S為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，P為電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)。

當(dāng)P和S確定后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

變頻節(jié)能原理

根據(jù)空壓機(jī)的運(yùn)行特性可知，空壓機(jī)基本屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速的方法根據(jù)供氣量大小來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，能使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比關(guān)系。

當(dāng)用氣量減小時(shí)，排氣口壓力上升，通過閉環(huán)反饋給變頻器，使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，減小了軸輸出功率；當(dāng)用氣量增加時(shí)，排氣口壓力下降，通過閉環(huán)反饋給變頻器，使電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，增加了軸輸出功率。

因此，變頻空壓機(jī)系統(tǒng)通過壓力閉環(huán)，可實(shí)時(shí)跟蹤供氣系統(tǒng)負(fù)載變化，調(diào)整空氣壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證排氣口壓力恒定，使壓縮機(jī)電機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)下。避免了原控制方式空壓機(jī)頻繁的加載與卸載，頻繁地起動(dòng)與停機(jī)，使得從電網(wǎng)吸收的電能大大下降。

4 空壓機(jī)改造方案

HD30系列矢量控制變頻器可提供兩種改造方案，第一種是利用內(nèi)置的通用PID調(diào)節(jié)功能，第二種則是采用我司專門為空壓機(jī)研發(fā)的HD30-H，兩種方案的差別在于：第一種方案不需選配件，而第二種則需要選配HD30-EIO擴(kuò)展卡，并且較于第一種方案，第二種方案優(yōu)化了恒壓控制功能及增加了區(qū)間壓力控制功能，可實(shí)現(xiàn)在不同壓力段以不同頻率運(yùn)行，且運(yùn)行頻率可根據(jù)客戶實(shí)際需求及現(xiàn)場工況自由設(shè)定，PID調(diào)節(jié)中的給定量與反饋量用更直觀的壓力值表示，最關(guān)鍵的是，可實(shí)現(xiàn)工變頻自動(dòng)及手動(dòng)平穩(wěn)切換，切換瞬間沖擊電流峰值僅相當(dāng)于額定電流的2－2.5倍。

控制方法說明

變頻調(diào)速系統(tǒng)以空壓機(jī)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(jī)、空壓機(jī)等組成閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)。

工作壓力值由變頻器PID調(diào)節(jié)給定通道確定，現(xiàn)場壓力由傳感器來檢測，轉(zhuǎn)換成0－10V電壓信號(hào)（也可轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)）后反饋到變頻器，變頻器通過內(nèi)置PID進(jìn)行比較計(jì)算，從而調(diào)節(jié)其輸出頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率的目的。

由此可見只要調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以調(diào)節(jié)電機(jī)軸輸出功率，也即調(diào)節(jié)了空壓機(jī)的輸入功率，使空壓機(jī)的制風(fēng)量與用風(fēng)量相匹配，達(dá)到恒壓供氣與節(jié)能的目的。

下面就兩種方案配線圖、參數(shù)設(shè)置及調(diào)試運(yùn)行作簡要說明。

4.1方案一

控制配線圖

調(diào)試說明

運(yùn)行之前需按照實(shí)際依次修改F08.00（額定功率）、F08.02（額定電流）、F08.04（額定轉(zhuǎn)速）。

功能參數(shù)設(shè)置簡表

調(diào)試說明

運(yùn)行之前需按照實(shí)際依次修改F08.00（額定功率）、F08.02（額定電流）、F08.04（額定轉(zhuǎn)速）。

空壓機(jī)功能下，要使變頻器運(yùn)行，需同時(shí)使A02組DI端子3號(hào)功能（系統(tǒng)運(yùn)行指令）和F15組DI端子2號(hào)功能（變頻器正轉(zhuǎn)運(yùn)行）同時(shí)有效，并且要接入變頻接觸器反饋信號(hào)和工頻接觸器反饋信號(hào)，否則運(yùn)行時(shí)將會(huì)報(bào)接觸器異常，建議工變頻接觸器要實(shí)現(xiàn)互鎖。若不檢測接觸器反饋信號(hào)，可將A02組DI端子功能選擇的8號(hào)功能（變頻接觸器反饋信號(hào)）和9號(hào)功能（工頻接觸器反饋信號(hào)）取消，出廠時(shí)已將CN6的2、3pin短接，即默認(rèn)AI2輸入信號(hào)為電流信號(hào)。

A02組DI端子功能的1號(hào)功能和2號(hào)功能分別時(shí)變頻運(yùn)行指令和工頻運(yùn)行指令，可實(shí)現(xiàn)工變頻平穩(wěn)切換，而6號(hào)功能則是接入變頻器故障信號(hào)。一旦變頻器出現(xiàn)故障，將立即切換到工頻運(yùn)行。

由于很多參數(shù)都已出廠默認(rèn)，所以實(shí)際應(yīng)用中需設(shè)置參數(shù)較少，操作簡單，控制效果優(yōu)異。

功能參數(shù)設(shè)置簡表