摘  要: 本文介紹了空壓機(jī)的工作情況,運(yùn)用科陸CL2700高壓變頻器對(duì)空壓機(jī)的改造,節(jié)能效果明顯.
 
一、 引言
 
      空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用。它擔(dān)負(fù)著為所有氣動(dòng)元件，包括各種氣動(dòng)閥門(mén)，提供氣源的職責(zé)。因此它運(yùn)行的好壞直接影響生產(chǎn)工藝。空壓機(jī)的種類(lèi)主要有活塞式、螺桿式、離心式，但其供氣控制方式幾乎都是采用進(jìn)氣口調(diào)節(jié)與加、卸載控制方式的控制模式。

       首先來(lái)了解一下空壓機(jī)的基本工作原理?？諌簷C(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，配備的功率大。以活塞式空壓機(jī)為例，在空壓機(jī)工作過(guò)程中，活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，周期性地改變缸內(nèi)的容積，從而使氣缸內(nèi)氣體容積發(fā)生變化，并與氣缸內(nèi)氣閥相應(yīng)的開(kāi)啟和閉合動(dòng)作相配合，通過(guò)吸氣、壓縮、排氣等動(dòng)作，將自然氣體或較低壓力的氣體（一級(jí)缸氣體）升壓，最終輸出到儲(chǔ)氣罐內(nèi)。為了滿(mǎn)足設(shè)備的用氣需求，儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體必須保持一定的壓力，以作緩沖作用，加上設(shè)備自身的原因，空氣壓力變化幅度必然很大，通常采用切斷進(jìn)氣的調(diào)節(jié)方式來(lái)改變排氣量。理想狀態(tài)是供氣壓力剛好滿(mǎn)足需求，保持壓力不變，實(shí)際上通過(guò)進(jìn)氣門(mén)控制起來(lái)不太理想，通常是空壓機(jī)排氣量大于實(shí)際用氣量，空壓機(jī)保持恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體越積越多，直到壓力上升到設(shè)定的最高壓力。通常采取以下兩種方法解決高壓?jiǎn)栴}：一是使空壓機(jī)卸荷運(yùn)行，保持運(yùn)轉(zhuǎn)但不產(chǎn)生氣體，此時(shí)空壓機(jī)消耗的功率一般在額定功率的30%左右，全是無(wú)用功；二是停止空壓機(jī)的運(yùn)行，這樣看起來(lái)是節(jié)約了電能消耗，但是大功率電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)會(huì)帶來(lái)諸多問(wèn)題，而且空氣儲(chǔ)存的容積有限，當(dāng)氣壓低于下限壓力值時(shí)，空壓機(jī)再次以額定轉(zhuǎn)速給儲(chǔ)氣罐加壓，直到壓力達(dá)到上限壓力而停止運(yùn)行，如此循環(huán)，如圖1所示：

圖1   空壓機(jī)的循環(huán)運(yùn)行圖

二、空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的電能浪費(fèi)

2（1）交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:

           n=60f(1-s)/p

        其中 n—電機(jī)轉(zhuǎn)速       f—運(yùn)行頻率;

             p—電機(jī)極對(duì)數(shù)     s—轉(zhuǎn)差率;

  2（2） 空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問(wèn)題

2.1 能耗分析

      加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin～Pmax之間來(lái)回變化。Pmin是最低壓力值，即能夠保證用戶(hù)正常工作的最低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關(guān)系可以用下式來(lái)表示:

         Pmax＝(1＋δ)Pmin                        

        δ是一個(gè)百分?jǐn)?shù)，其數(shù)值大致在15%～30%之間。

      在加、卸載供氣控制方式下的空壓機(jī)，所浪費(fèi)的能量主要在2個(gè)部分:

(1) 加載時(shí)的電能消耗

      在壓力達(dá)到最小值后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會(huì)繼續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過(guò)程中,一定要向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)元件前，其壓力需要經(jīng)過(guò)減壓閥減壓,這一過(guò)程同樣是一個(gè)耗能過(guò)程。另外，空壓機(jī)本身通過(guò)檢測(cè)壓力，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣門(mén)，一部分能量消耗在進(jìn)氣門(mén)上。

(2) 卸載時(shí)電能的消耗

      當(dāng)壓力達(dá)到壓力最大值時(shí)，空壓機(jī)通過(guò)如下方法來(lái)降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過(guò)放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。據(jù)我們測(cè)算，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)的10%～25%(這還是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機(jī)20%的時(shí)間處于空載狀態(tài)，在作無(wú)用功。很明顯在自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣門(mén)與加卸載供氣控制方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。

2.2 其它不足之處

(1)靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)。用氣精度達(dá)不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，會(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。

(2) 頻繁采用打開(kāi)和關(guān)閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。

三、 恒壓供氣控制方案的設(shè)計(jì)

電機(jī)型號(hào):Y450-2

功率因數(shù):0.87

額定電壓:10KV

額定電流:35.1A

額定功率:500KW

額定轉(zhuǎn)速:2975rpm

空氣壓縮機(jī)

額定流量:120 m3/min

額定壓力:0.3MPa

變頻器: 深圳市科陸變頻器有限公司CL2700-10-0630-9QY高壓變頻器

控制模式：PID恒壓控制 

      在以上PID恒壓控制模式下，我們根據(jù)用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的需要，把壓力設(shè)定值P0設(shè)定為0.25 Mpa，當(dāng)用戶(hù)生產(chǎn)用氣量加大，管網(wǎng)壓力低于0.25 Mpa時(shí)，變頻器輸出頻率增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，空氣壓縮量增大，壓力隨之上升；當(dāng)生產(chǎn)用氣量減少，管網(wǎng)壓力高于0.25 Mpa時(shí)，變頻器輸出頻率減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢，空氣壓縮量減小，壓力隨之下降，始終使壓力保持在0.25Mpa左右。

四、 改造效益

4.1 工頻運(yùn)行參數(shù)測(cè)量

電機(jī)運(yùn)行參數(shù)：電壓：10KV, 有功功率385KW,年運(yùn)行時(shí)間約7200小時(shí)，電費(fèi)0.8元/度；

空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù):進(jìn)口閥門(mén)開(kāi)度40%,出口閥門(mén)開(kāi)度100%,出氣口壓力:0.25MPa。

4.2 變頻運(yùn)行參數(shù)測(cè)量

電機(jī)運(yùn)行參數(shù)：運(yùn)行頻率46HZ, ,有功功率330KW，年運(yùn)行時(shí)間約7200小時(shí)，電費(fèi)0.8元/度；

空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù): 進(jìn)口閥門(mén)開(kāi)度80%，出口閥門(mén)開(kāi)度100%，出氣口壓力0.25 Mpa。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

節(jié)約電功率：385-330=55（kW）

節(jié)電率：（385-330）÷385=14.28%

每年節(jié)約電能：55×7200÷10000=39.6（萬(wàn)度）

每年節(jié)約電費(fèi)：39.6×0.8=31.68（萬(wàn)元）

4.4 附加經(jīng)濟(jì)效益

1)       解決壓力波動(dòng)幅度大，提高精度。

2)       解決閥門(mén)磨損成本和降低維修量。