一、引言
空壓機(jī)是一種壓縮空氣以提高氣壓的發(fā)生裝置，是僅次于電力的第二動(dòng)力源，廣泛的用于驅(qū)動(dòng)各種風(fēng)動(dòng)機(jī)械、風(fēng)動(dòng)工具，在冶金、機(jī)械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，是許多工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備。
傳統(tǒng)的螺桿式空壓機(jī)存在一些明顯的技術(shù)弱點(diǎn)：如供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，氣壓容易產(chǎn)生大幅的波動(dòng);卸載時(shí)嚴(yán)重浪費(fèi)能源;頻繁的啟停，影響電機(jī)的使用壽命，設(shè)備維護(hù)量大等等。
近年來，通過變頻調(diào)速技術(shù)改變空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且空壓機(jī)的供氣流量隨著用氣流量的改變自行調(diào)節(jié)，達(dá)到真正的供需平衡，在節(jié)能的同時(shí)，也可使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳工作效率，將老式Y(jié)-△螺桿式空壓機(jī)改造成變頻螺桿式空壓機(jī)成為市場(chǎng)上的發(fā)展趨勢(shì)。本方案主要介紹了使用工頻運(yùn)行采用Y-△降壓?jiǎn)?dòng)的控制系統(tǒng)的變頻改造。
二、變頻螺桿空壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)分析
螺桿空壓機(jī)的工作原理：由一對(duì)相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程。陰轉(zhuǎn)子的槽及陽轉(zhuǎn)子齒被主電機(jī)驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。
但是，傳統(tǒng)的螺桿式空壓機(jī)存在一些明顯的技術(shù)弱點(diǎn)：
(1)啟動(dòng)電流沖擊大
傳統(tǒng)的空壓機(jī)主電機(jī)采用Y-△減壓起動(dòng)，起動(dòng)電流約為額定電流3倍，仍然很大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，易造成電網(wǎng)不穩(wěn)以及威脅其它用電設(shè)備的運(yùn)行安全。
變頻器可使電機(jī)起動(dòng)、加載時(shí)的電流平緩上升，沒有任何沖擊;電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟停，避免沖擊電流造成的危害，有利于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命;
(2)加、卸載調(diào)節(jié)供氣的控制方式嚴(yán)重浪費(fèi)能源
傳統(tǒng)的控制方式，空壓機(jī)在加載時(shí)：從設(shè)定壓力到卸載壓力的加壓過程中，電能白白浪費(fèi)掉，而經(jīng)過減壓閥減壓的過程，也是在浪費(fèi)能量;空壓機(jī)卸載時(shí)：關(guān)閉電磁閥使電機(jī)一直在空轉(zhuǎn)，這種調(diào)整方法同樣是極大的能力浪費(fèi)，卸載時(shí)的功耗約占滿載的20%~40%。
在變頻控制方式下，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制氣壓，使輸出壓力始終維持在設(shè)定壓力，輸出壓力保持恒定，避免頻繁加卸載導(dǎo)致的電能浪費(fèi)。
空壓機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，單就輸出功率而言，采用變頻調(diào)速節(jié)能效果遠(yuǎn)不如風(fēng)機(jī)泵類二次方負(fù)載顯著。但空壓機(jī)大多處于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，由于設(shè)計(jì)時(shí)都是按最大需求來選擇排氣量的，而實(shí)際工作中，空壓機(jī)經(jīng)常會(huì)運(yùn)行在非滿載狀態(tài)，非滿載運(yùn)行過程有著巨大的節(jié)能空間。
(3)供氣壓力穩(wěn)定性差，生產(chǎn)工藝難保證
在產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)，氣壓的穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響是很大的，用戶對(duì)供氣壓力精度都有一定要求，傳統(tǒng)的空壓機(jī)為避免氣壓不足，供氣壓力較要求值要偏高一些，但這樣會(huì)使成本高、能耗大，同時(shí)頻繁的加卸載也很難保證氣壓精度;
變頻器可以閉環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供氣管路中氣體的壓力，PID調(diào)節(jié)器比較當(dāng)前壓力與設(shè)定壓力差值比較，保證輸出壓力始終維持在設(shè)定壓力，輸出壓力保持恒定，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品工藝質(zhì)量。
三、螺桿空壓機(jī)工--變頻改造方案介紹
以某160kw工頻螺桿機(jī)進(jìn)行變頻改造為案例。
改造時(shí)，保留客戶原有空壓機(jī)控制器(普樂特普通型或者其他品牌的控制器)，與四方C320(J)空壓機(jī)專用型變頻器組成的變頻控制系統(tǒng)，保留原有工頻星-△轉(zhuǎn)換的接線，并做部分改動(dòng)，其他輔助電氣元件和電控柜也保留不動(dòng)。
因控制器與變頻器無法通信(除非控制器帶簡(jiǎn)易編程功能)，控制器只負(fù)責(zé)變頻器的啟?？刂?，氣壓控制部分由變頻器內(nèi)部PID控制器來調(diào)節(jié)，壓力傳感器需作為PID反饋信號(hào)接到變頻器模擬量輸入端子，并設(shè)置變頻器的PID調(diào)節(jié)功能。
1、方案基本配置：
新添加：C320K空壓機(jī)專用型矢量變頻器、接觸器輔助觸點(diǎn)(常開型用于Y-△切換完成后啟停變頻器)、部分線材
保留器件：原有空壓機(jī)控制器、原有工頻星-△轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，、其他輔助電氣元件和電控柜等;
2、工-變頻改造前的電氣原理圖：
原有電氣接線注意事項(xiàng)：
?、?壓力傳感器的兩根壓力信號(hào)線接入系統(tǒng)控制器的模擬信號(hào)輸入端，用于系統(tǒng)控制及當(dāng)前壓力的計(jì)算;
?、?主電機(jī)啟動(dòng)采用Y-△降壓?jiǎn)?dòng)，KM1為主接觸器，KM2為Y接法的控制接觸器，KM3為△接法的控制接觸器，啟動(dòng)時(shí)先KM1，KM2吸合，電機(jī)以Y型接法運(yùn)行一段時(shí)間后，時(shí)間繼電器動(dòng)作KM2斷開，KM3吸合，電機(jī)最終以△接法工作運(yùn)行。
改造后的電氣原理圖：
改造時(shí)注意事項(xiàng)：
?、?由改造前后圖中可以看出，壓力傳感器信號(hào)不僅接入控制器，還串接入變頻器的CC和GND端(變頻器的電流模擬量信號(hào)輸入端)，這樣可使壓力信號(hào)不影響原有控制器的顯示，也將壓力信號(hào)反饋給變頻器，作為變頻器PID控制的反饋信號(hào);
?、?由于原有控制器還是按Y-△降壓?jiǎn)?dòng)過程來啟動(dòng)，因此需要等Y-△切換完成，電機(jī)輸入線接成△型接法后，再接到變頻器的輸出線上。因此采用△接法接觸器的輔助觸點(diǎn)來控制變頻器的啟停。(電機(jī)在Y型接法時(shí)先不啟動(dòng)變頻器)
?、?KM1、KM2、KM3控制回路需接入主回路L1、L2之間，不能接在變頻器輸出UVW側(cè)，因?yàn)樽冾l器啟動(dòng)時(shí)頻率較低，輸出電壓也很低，會(huì)導(dǎo)致正常進(jìn)行Y-△轉(zhuǎn)換。
?、?壓力傳感器串接改造時(shí)，要注意首先用萬用表測(cè)量壓力傳感器兩端的電壓，“+ ”端接法不變，把 “- ”端的信號(hào)先接入變頻器的CC端，然后再將變頻器的GND端接入控制器信號(hào)輸入端，如果接反的壓力信號(hào)無法反饋給變頻器;
3、變頻器調(diào)試指導(dǎo)：
變頻器需要設(shè)定的參數(shù)：
若采用無感矢量模式時(shí)，變頻器需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)測(cè)定，可將變頻器啟動(dòng)方式F0.04改為0(面板啟動(dòng))，通過空壓機(jī)控制器進(jìn)行Y-△啟動(dòng)，在電機(jī)為△型接法，用面板啟動(dòng)變頻器，測(cè)定完成后再將啟動(dòng)方式F0.01改為1(端子啟動(dòng))。
四、變頻空壓機(jī)節(jié)能分析(參考數(shù)據(jù))
(1)節(jié)約能源試運(yùn)行成本降低
空壓機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成：初始采購成本、維護(hù)成本和能源成本。其中能源成本大約占空壓機(jī)運(yùn)行成本的80%。
假設(shè)實(shí)際用氣壓力為7Bar，工頻機(jī)組設(shè)定“工作壓力上限”和“工作壓力下限”分別為6bar和8bar。壓力就在8bar和6bar之間浮動(dòng)，而電磁閥在8bar時(shí)卸載，6bar時(shí)加載，2bar壓差就帶來了高負(fù)荷電流損耗。以160KW的普通機(jī)組算，平均產(chǎn)氣只占額定排氣量的30%，一年運(yùn)行3000小時(shí)，電費(fèi)1.1元/度，與變頻機(jī)組相比，普通機(jī)組將產(chǎn)生兩個(gè)損耗： A、空載損耗 B、壓差損耗，
其中：
A、空載損耗：
70%卸載時(shí)間×卸載時(shí)所產(chǎn)生的空載電流損耗(25%×160KW/小時(shí))×3000小時(shí)/年×1.1元/度=92400元/年。
B、壓差損耗：
30%加載時(shí)間×高出2bar壓差所帶來的損耗(14%×160KW/小時(shí))×3000小時(shí)/年×1.1元/度=22176元/年。
綜上所述，變頻機(jī)組比工頻機(jī)組節(jié)能92400+22176=114576元/年。
(2)壓力控制精度高，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量
變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力，能使空壓機(jī)的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量相匹配，有效地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。
(3)全面改善空壓機(jī)的運(yùn)行性能，設(shè)備故障率下降，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用降低。
變頻器的軟起動(dòng)特性，減少起動(dòng)時(shí)對(duì)空壓機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使空壓機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)的電流波動(dòng)(這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其他設(shè)備的用電，變頻器能夠有效地將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度)。
五、小結(jié)
變頻螺桿空壓機(jī)市場(chǎng)正在不斷擴(kuò)大，到2015年，我國(guó)的空壓機(jī)市場(chǎng)容量將超過300億元，國(guó)內(nèi)的變頻螺桿機(jī)正在經(jīng)歷普及的過程。隨著政府的節(jié)能減排力度的加大，客戶節(jié)能意識(shí)的提高，越來越多的客戶選擇將原有工頻螺桿機(jī)改造成變頻螺桿機(jī)，經(jīng)過變頻改造，空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定、更節(jié)能，成為空壓機(jī)行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)。
（轉(zhuǎn)載）
