【摘 要】本文主要描述CHE100在空壓機系統(tǒng)變頻改造中的應用。詳細介紹空壓機專用控制器的原理、與變頻器的交互及應用。
【關鍵詞】變頻、Modbus、空壓機
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)進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備。作為基礎工業(yè)裝備，空壓機在冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應用?？諌簷C占大型工業(yè)設備(風機、水泵、鍋爐、空壓機等)耗電量的15%。由于結(jié)構(gòu)原理的原因，大部分空壓機自身存在著明顯的技術弱點。當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)，嚴重浪費能源;異步電動機易頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命，壓機工頻啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊大，電機軸承磨損大，設備維護量大;工作條件惡劣，噪音大;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。
二 工作原理
2.1 原工作方式
?螺桿式空壓機工作原理
螺桿式空壓機是由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子(或稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，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)，實現(xiàn)螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程?？諌簷C的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽和陽轉(zhuǎn)子的齒被主電機驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)。
?活塞式空壓機工作原理
活塞式空壓機是由電動機帶動皮帶輪通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動曲軸，帶動連桿與活塞桿，使活塞在壓縮機氣缸內(nèi)作往復運動，完成吸入、壓縮、排出等過程,將無壓或低壓氣體升壓，并輸出到儲壓罐內(nèi)。其中，活塞組件，活塞與汽缸內(nèi)壁及汽缸蓋構(gòu)成容積可變的工作腔，在曲柄連桿帶動下，在汽缸內(nèi)作往復運動以實現(xiàn)汽缸內(nèi)氣體的壓縮。
空壓機主電機運行方式為星-角降壓起動后全壓運行，供氣系統(tǒng)具體工作流程為：當按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動器線圈并打開斷油閥，空壓機在卸載模式下啟動，這時進氣閥處于關閉位置，而放氣閥打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力。等降壓n秒（由時間繼電器控制）后空壓機開始加載運行，系統(tǒng)壓力開始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開關上限值，即起跳壓力，控制器使進氣閥關閉，油氣分離器放氣，壓縮機空載運行，直到系統(tǒng)壓力降到壓力開關下限值后，即回跳壓力下，控制器使進氣閥打開，油氣分離器放氣閥關閉，壓縮機打開，油氣分離器放氣閥關閉，壓縮機滿載運行。
卸載和加載易導致整個氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命?？諌簷C的有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門或調(diào)節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉(zhuǎn)速不變，電機功率下降幅度比較小。
能耗分析：
加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin～Pmax之間來回變化。Pmin是最低壓力值，即能夠保證用戶正常工作的最低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關系可以用下式來表示:
Pmax＝(1＋Δ)Pmin
δ是一個百分數(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，所浪費的能量主要在2個部分:
(1) 加載時的電能消耗
在壓力達到最小值后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過程中,一定要向外界釋放更多的熱量，從而導致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓,這一過程同樣是一個耗能過程。
(2) 卸載時電能的消耗
當壓力達到壓力最大值時，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費。據(jù)我們測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%～25%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機20%的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節(jié)能空間。
其它不足之處
(1)靠機械方式調(diào)節(jié)進氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。
(2) 頻繁采用打開和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。
2.2 變頻工作方式
轉(zhuǎn)速控制，即通過改變空壓機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門的開度保持不變（一般保持最大開度）。當空壓機轉(zhuǎn)速改變時，供氣系統(tǒng)的揚程特性隨之改變，而管阻特性不變。
在這種控制方式下，通過變頻調(diào)速技術改變空壓機電機的轉(zhuǎn)速，空壓機的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變，達到真正的供需平衡，在節(jié)能的同時，也可使整個系統(tǒng)達到最佳工作效率。變頻器基于交一直一交電源變換原理，可根據(jù)控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此，用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空壓機電動機的電源電壓，可方便地改變空壓機的轉(zhuǎn)速。
2.3恒壓供氣原理
流量是供氣系統(tǒng)的基本控制對象，供氣流量需要隨時滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中，儲氣管中的氣壓能夠充分反映供氣能力與用氣需求之間的關系：
若 供氣流量 > 用氣流量 → 儲氣管氣壓上升
若 供氣流量 < 用氣流量 → 儲氣管氣壓下降
若 供氣流量 = 用氣流量 → 儲氣管氣壓不變
所以,保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達到的目的。
變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o控制器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率，調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。另外，采用該方案后，空氣壓縮機電動機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟啟動，避免了啟動時的大電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機在變頻器調(diào)速控制方式下工作。變頻器一旦出現(xiàn)故障，生產(chǎn)工藝不允許空氣壓縮機停機，因此，系統(tǒng)設置了工頻與變頻切換功能，這樣當變頻器出現(xiàn)故障時，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機照常工作。
整個控制過程如下：
用氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設定值與返饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機電機轉(zhuǎn)速↑ —— 供氣流量↑—— 管路氣壓趨于穩(wěn)定。
特別注意，在壓力容差范圍內(nèi)，控制器的PID不調(diào)節(jié)，即保持輸出頻率不變。
以CHE100-075G/090P-4在上海某公司空壓機系統(tǒng)改造應用為例
三 方案配置
根據(jù)以往其他工程經(jīng)驗，在空壓機變頻改造系統(tǒng)中應注意一下幾點：
1)空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，這種啟動特點就很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動時出現(xiàn)跳過流保護的情況，建議選用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器（CHE100系列），保證即能實現(xiàn)恒壓供氣連續(xù)性，又保證設備可靠穩(wěn)定的運行；
2)空壓機不允許長時間在低頻下運行，當空壓機的轉(zhuǎn)速過低，一方面將使空壓機的工作穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會加快磨損。所以工作的下限頻率應不低于20Hz；
3)為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減小電機運行噪音和溫升，提高電動機的穩(wěn)定性。
該空壓系統(tǒng)中空壓機電機為55KW。根據(jù)現(xiàn)場的工況為其配置“工/變兼容帶專用控制器驅(qū)動方案”。
變頻器選用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的CHE100系列矢量變頻器，具體型號為CHE100-075G/090P-4。風機由CHF100通用型變頻器驅(qū)動即可。
此方案適用于對控制系統(tǒng)精度及可靠性要求較高的應用場合。主機及主機風機均采用工變頻兼容雙冗余回路。正常工作模式下均為變頻運行，檢修及變頻回路故障時，切換為工頻運行，同時控制模式改變。
專用控制器內(nèi)置多種控制邏輯，可驅(qū)動不同開關狀態(tài)組合，用戶可根據(jù)需要選擇開關組合以驅(qū)動不同控制模式。且控制邏輯組態(tài)化，一鍵即改。
（1）主機變頻驅(qū)動：控制器PID運算調(diào)節(jié)部分對壓力傳感器反饋信號進行采樣，與設定壓力值進行PID運算輸出調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)主變頻器的輸出頻率。切換為工頻驅(qū)動方式后，控制器將通過開啟或關閉進氣閥來進行排氣壓力的調(diào)節(jié)?！?/p>
（2）風機的驅(qū)動也可選擇變頻方式或工頻方式
若風機采用變頻控制方式，則控制器采樣機頭溫度傳感器反饋信號，并與設定溫度值進行PID運算輸出調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)風機變頻器輸出頻率連續(xù)無級調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，以使壓縮機頭的溫度能夠準確的維持在設定的溫度點，讓空壓機的潤滑油保持最佳效果。
若設置為風機開關方式控制，則控制器根據(jù)采樣的排氣溫度值，確定相關開關狀態(tài)開啟或關閉風扇電機，使排氣溫度保持在設定的溫度范圍以內(nèi)。
四 專用控制器概述
空壓機專用控制器針對空壓機應用專門研制，具備多種靈活控制模式，可實時監(jiān)控多種空壓機運行數(shù)據(jù)，提供保護預警功能，提供維護保養(yǎng)提醒功能。端子功能定義如下：
空壓機控制器按照螺桿式空壓機的控制工藝要求進行設計，配備了中英文顯示的液晶屏，用戶界面直觀易懂，實現(xiàn)螺桿式空壓機的所需的各項功能：
●具有交流電源的電壓與相序檢測功能，防止電機反轉(zhuǎn)，可設置欠壓保護功能；
●PID恒壓控制，輸出壓力穩(wěn)定；
●內(nèi)置多種變頻驅(qū)動與工頻驅(qū)動的組合控制方案，用戶可根據(jù)現(xiàn)場需要求配置變頻與否、工/變切換與否，通過外部設置開關即可切換驅(qū)動模式，提高了空壓機系統(tǒng)的工作可靠性；
●過溫預警、過溫停機保護功能；
●過（氣）壓保護，保證用戶輸氣管網(wǎng)設備的安全；
●輕載啟動，散熱后停機的智能控制，緊急停機時立即關閉所有控制輸出；
●溫度與壓力傳感器故障檢測，及時保護和告警；
●可檢測顯示主電機、風機的工作電流，可分別設置電機過載、斷相保護；
●可檢測多種堵塞信號，并預報警；
●提供兩種聯(lián)控方式；聯(lián)控機組順序啟動、卸載、輪換時間可調(diào)。
●顯示界面結(jié)構(gòu)簡潔易懂，菜單分級顯示，操作簡單，無需特別學習和記憶；
●通過提供后臺監(jiān)控后臺軟件，可實現(xiàn)上位PC機的遠程監(jiān)控；
●耗氣少的條件下具有自動休眠功能，有利于節(jié)能，降低設備磨損；
●提供了內(nèi)置中/英文雙語言顯示功能，并可在線切換；
●空壓機運行參數(shù)和狀態(tài)的直觀瀏覽；
●具有實時萬年歷功能；
●可根據(jù)各項保養(yǎng)計劃，提前100小時開始相應的保養(yǎng)提醒；
●故障記錄可查詢并具有時間標識；
●與CHE變頻器的無縫連接，無需人工設置變頻器的功能參數(shù)；
●提供了多級密碼保護功能，參數(shù)設置按顯示頁面分級設定，防止非授權的操作，并提供備用萬能密碼。
結(jié)束語
經(jīng)過變頻改造，該空壓機系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)整體節(jié)能率為31.8%。總之，變頻調(diào)速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術，其應用已經(jīng)滲透到各行業(yè)的各個技術部門。在空壓機行業(yè)應用中可能會出現(xiàn)了許多問題，這些都待于進步解決。所以只有充分考慮實際工況需求，不斷優(yōu)化解決方案，才能促進變頻技術在空壓機設備中的應用。
參考文獻
[1] 深圳英威騰電氣股份有限公司.《Invt應用案例第二輯》.[M],2009
[2] 深圳英威騰電氣股份有限公司.《CHE100矢量變頻器說明書》.[M], 2009
