【摘  要】本文主要描述CHE100在空壓機(jī)系統(tǒng)變頻改造中的應(yīng)用。詳細(xì)介紹空壓機(jī)專用控制器的原理、與變頻器的交互及應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】變頻、Modbus、空壓機(jī)

一、引言

空氣壓縮機(jī)是一種利用電動(dòng)機(jī)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。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。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%。由于結(jié)構(gòu)原理的原因，大部分空壓機(jī)自身存在著明顯的技術(shù)弱點(diǎn)。當(dāng)輸出壓力大于一定值時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)泄載閥，使異步電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，嚴(yán)重浪費(fèi)能源;異步電動(dòng)機(jī)易頻繁的啟動(dòng)、停止，影響電機(jī)的使用壽命，壓機(jī)工頻啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，電機(jī)軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大;工作條件惡劣，噪音大;自動(dòng)化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠人為調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，調(diào)節(jié)速度慢，波動(dòng)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(jī)工作原理

螺桿式空壓機(jī)是由一對(duì)相互平行嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子(或稱螺桿)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)，實(shí)現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過(guò)程。空壓機(jī)的進(jìn)氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽和陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒被主電機(jī)驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。

?活塞式空壓機(jī)工作原理

活塞式空壓機(jī)是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)曲軸，帶動(dòng)連桿與活塞桿，使活塞在壓縮機(jī)氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成吸入、壓縮、排出等過(guò)程,將無(wú)壓或低壓氣體升壓，并輸出到儲(chǔ)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(dòng)下，在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)汽缸內(nèi)氣體的壓縮。

空壓機(jī)主電機(jī)運(yùn)行方式為星-角降壓起動(dòng)后全壓運(yùn)行，供氣系統(tǒng)具體工作流程為：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動(dòng)器線圈并打開(kāi)斷油閥，空壓機(jī)在卸載模式下啟動(dòng)，這時(shí)進(jìn)氣閥處于關(guān)閉位置，而放氣閥打開(kāi)以排放油氣分離器內(nèi)的壓力。等降壓n秒（由時(shí)間繼電器控制）后空壓機(jī)開(kāi)始加載運(yùn)行，系統(tǒng)壓力開(kāi)始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開(kāi)關(guān)上限值，即起跳壓力，控制器使進(jìn)氣閥關(guān)閉，油氣分離器放氣，壓縮機(jī)空載運(yùn)行，直到系統(tǒng)壓力降到壓力開(kāi)關(guān)下限值后，即回跳壓力下，控制器使進(jìn)氣閥打開(kāi)，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，壓縮機(jī)打開(kāi)，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，壓縮機(jī)滿載運(yùn)行。

卸載和加載易導(dǎo)致整個(gè)氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。空壓機(jī)的有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門(mén)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(jī)轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)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(lái)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(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。

(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。

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。

2.2 變頻工作方式

轉(zhuǎn)速控制，即通過(guò)改變空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門(mén)的開(kāi)度保持不變（一般保持最大開(kāi)度）。當(dāng)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，供氣系統(tǒng)的揚(yáng)程特性隨之改變，而管阻特性不變。

在這種控制方式下，通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)改變空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，空壓機(jī)的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變，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。變頻器基于交一直一交電源變換原理，可根據(jù)控制對(duì)象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。電動(dòng)機(jī)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(jī)電動(dòng)機(jī)的電源電壓，可方便地改變空壓機(jī)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(duì)象，供氣流量需要隨時(shí)滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中，儲(chǔ)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(guān)系：

若   供氣流量 > 用氣流量   →   儲(chǔ)氣管氣壓上升

若   供氣流量 < 用氣流量   →   儲(chǔ)氣管氣壓下降

若   供氣流量 = 用氣流量   →   儲(chǔ)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(dá)到的目的。

變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給控制器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率，調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)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(jī)電動(dòng)機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)時(shí)的大電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機(jī)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(jī)停機(jī)，因此，系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻切換功能，這樣當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可由工頻電源通過(guò)接觸器直接供電，使空氣壓縮機(jī)照常工作。

整個(gè)控制過(guò)程如下：

用氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設(shè)定值與返饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機(jī)電機(jī)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(jī)系統(tǒng)改造應(yīng)用為例

三 方案配置

根據(jù)以往其他工程經(jīng)驗(yàn)，在空壓機(jī)變頻改造系統(tǒng)中應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：

1)空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，這種啟動(dòng)特點(diǎn)就很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跳過(guò)流保護(hù)的情況，建議選用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無(wú)速度傳感器矢量變頻器（CHE100系列），保證即能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣連續(xù)性，又保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行；

2)空壓機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行，當(dāng)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)低，一方面將使空壓機(jī)的工作穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體的潤(rùn)滑變差，會(huì)加快磨損。所以工作的下限頻率應(yīng)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(jī)運(yùn)行噪音和溫升，提高電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。

該空壓系統(tǒng)中空壓機(jī)電機(jī)為55KW。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況為其配置“工/變兼容帶專用控制器驅(qū)動(dòng)方案”。

變頻器選用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的CHE100系列矢量變頻器，具體型號(hào)為CHE100-075G/090P-4。風(fēng)機(jī)由CHF100通用型變頻器驅(qū)動(dòng)即可。

此方案適用于對(duì)控制系統(tǒng)精度及可靠性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。主機(jī)及主機(jī)風(fēng)機(jī)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(yùn)行，檢修及變頻回路故障時(shí)，切換為工頻運(yùn)行，同時(shí)控制模式改變。   

專用控制器內(nèi)置多種控制邏輯，可驅(qū)動(dòng)不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，用戶可根據(jù)需要選擇開(kāi)關(guān)組合以驅(qū)動(dòng)不同控制模式。且控制邏輯組態(tài)化，一鍵即改。

（1）主機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)：控制器PID運(yùn)算調(diào)節(jié)部分對(duì)壓力傳感器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，與設(shè)定壓力值進(jìn)行PID運(yùn)算輸出調(diào)節(jié)信號(hào)調(diào)節(jié)主變頻器的輸出頻率。切換為工頻驅(qū)動(dòng)方式后，控制器將通過(guò)開(kāi)啟或關(guān)閉進(jìn)氣閥來(lái)進(jìn)行排氣壓力的調(diào)節(jié)。　

（2）風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)也可選擇變頻方式或工頻方式

若風(fēng)機(jī)采用變頻控制方式，則控制器采樣機(jī)頭溫度傳感器反饋信號(hào)，并與設(shè)定溫度值進(jìn)行PID運(yùn)算輸出調(diào)節(jié)信號(hào)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器輸出頻率連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以使壓縮機(jī)頭的溫度能夠準(zhǔn)確的維持在設(shè)定的溫度點(diǎn)，讓空壓機(jī)的潤(rùn)滑油保持最佳效果。
若設(shè)置為風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)方式控制，則控制器根據(jù)采樣的排氣溫度值，確定相關(guān)開(kāi)關(guān)狀態(tài)開(kāi)啟或關(guān)閉風(fēng)扇電機(jī)，使排氣溫度保持在設(shè)定的溫度范圍以內(nèi)。

四 專用控制器概述

空壓機(jī)專用控制器針對(duì)空壓機(jī)應(yīng)用專門(mén)研制，具備多種靈活控制模式，可實(shí)時(shí)監(jiān)控多種空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，提供保護(hù)預(yù)警功能，提供維護(hù)保養(yǎng)提醒功能。端子功能定義如下：

空壓機(jī)控制器按照螺桿式空壓機(jī)的控制工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，配備了中英文顯示的液晶屏，用戶界面直觀易懂，實(shí)現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的所需的各項(xiàng)功能：

●具有交流電源的電壓與相序檢測(cè)功能，防止電機(jī)反轉(zhuǎn)，可設(shè)置欠壓保護(hù)功能；

●PID恒壓控制，輸出壓力穩(wěn)定；

●內(nèi)置多種變頻驅(qū)動(dòng)與工頻驅(qū)動(dòng)的組合控制方案，用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要求配置變頻與否、工/變切換與否，通過(guò)外部設(shè)置開(kāi)關(guān)即可切換驅(qū)動(dòng)模式，提高了空壓機(jī)系統(tǒng)的工作可靠性；

●過(guò)溫預(yù)警、過(guò)溫停機(jī)保護(hù)功能；

●過(guò)（氣）壓保護(hù)，保證用戶輸氣管網(wǎng)設(shè)備的安全；

●輕載啟動(dòng)，散熱后停機(jī)的智能控制，緊急停機(jī)時(shí)立即關(guān)閉所有控制輸出；

●溫度與壓力傳感器故障檢測(cè)，及時(shí)保護(hù)和告警；

●可檢測(cè)顯示主電機(jī)、風(fēng)機(jī)的工作電流，可分別設(shè)置電機(jī)過(guò)載、斷相保護(hù)；

●可檢測(cè)多種堵塞信號(hào)，并預(yù)報(bào)警；

●提供兩種聯(lián)控方式；聯(lián)控機(jī)組順序啟動(dòng)、卸載、輪換時(shí)間可調(diào)。

●顯示界面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔易懂，菜單分級(jí)顯示，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需特別學(xué)習(xí)和記憶；

●通過(guò)提供后臺(tái)監(jiān)控后臺(tái)軟件，可實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控；

●耗氣少的條件下具有自動(dòng)休眠功能，有利于節(jié)能，降低設(shè)備磨損；

●提供了內(nèi)置中/英文雙語(yǔ)言顯示功能，并可在線切換；

●空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)的直觀瀏覽；

●具有實(shí)時(shí)萬(wàn)年歷功能；

●可根據(jù)各項(xiàng)保養(yǎng)計(jì)劃，提前100小時(shí)開(kāi)始相應(yīng)的保養(yǎng)提醒；

●故障記錄可查詢并具有時(shí)間標(biāo)識(shí)；

●與CHE變頻器的無(wú)縫連接，無(wú)需人工設(shè)置變頻器的功能參數(shù)；

●提供了多級(jí)密碼保護(hù)功能，參數(shù)設(shè)置按顯示頁(yè)面分級(jí)設(shè)定，防止非授權(quán)的操作，并提供備用萬(wàn)能密碼。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)變頻改造，該空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)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(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到各行業(yè)的各個(gè)技術(shù)部門(mén)。在空壓機(jī)行業(yè)應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)了許多問(wèn)題，這些都待于進(jìn)步解決。所以只有充分考慮實(shí)際工況需求，不斷優(yōu)化解決方案，才能促進(jìn)變頻技術(shù)在空壓機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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