變頻技術(shù)在空壓機(jī)上的應(yīng)用

1 空壓機(jī)工作原理與變頻節(jié)能實(shí)施可行性

首先來(lái)了解一下空壓機(jī)的基本工作原理。空壓機(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)是供氣壓力剛好滿足需求，保持壓力不變，實(shí)際上是辦不到的，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50%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。這樣頻繁的啟動(dòng)和停止，不僅對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊都很大，而且也縮短了空壓機(jī)的壽命。實(shí)際上，空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)軸功率與排氣壓力和其自身的轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系，也就是說(shuō)在實(shí)際的運(yùn)行中，由于設(shè)備用氣隨時(shí)在發(fā)生變化，致使空壓機(jī)不能保持在額定的工況下運(yùn)行，而其排氣壓力的高低則直接影響實(shí)際的軸功率的大小。

針對(duì)空壓機(jī)的運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)出空壓機(jī)專用變頻節(jié)能控制器，可以十分方便地進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，保持壓力、流量等參數(shù)的穩(wěn)定(如圖2所示)。當(dāng)流量需要量減少時(shí)，就可降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而較大幅度地減小了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。

在空壓機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，如空載運(yùn)行所占的時(shí)間比例啄(占空比)=t2/(t1+t2)=t2/T(見(jiàn)圖3)越大，則電能浪費(fèi)越嚴(yán)重，空壓機(jī)效率越低，反之電能浪費(fèi)越小，空壓機(jī)效率越高。圖3中，p0為空載運(yùn)行壓力，p0 =0(關(guān)斷/停止)要下次起動(dòng)有損耗，適用周期長(zhǎng)次數(shù)多的運(yùn)行情況。采用變頻調(diào)速技術(shù)能很好地解決空壓機(jī)空載能源浪費(fèi)問(wèn)題，根據(jù)空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，采用變頻調(diào)速后的節(jié)電效果如圖4所示，由占空比 查圖4，要考慮油路選單獨(dú)泵飛濺方式閥。

2 變頻節(jié)能解決方案

由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速

顯然轉(zhuǎn)速n與f成正比，只要改變f，即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)頻率f在0~50 Hz的范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍就非常的寬。變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。我們的實(shí)施方案是通過(guò)對(duì)空壓機(jī)出口的壓力取樣，經(jīng)過(guò)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效控制。即由裝在空壓機(jī)出口的壓力傳感器檢測(cè)到空氣壓力信號(hào)值，再經(jīng)過(guò)模擬數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)PID調(diào)節(jié)器的功能，在確保工作所需壓力(根據(jù)各設(shè)備用氣壓力的實(shí)際情況)的情況下，保證電動(dòng)機(jī)的最小功率輸出，在精確控制壓力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，而不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流(一般直接起動(dòng)電流為額定電流的5~7倍)，使空壓機(jī)的使用壽命和檢修周期都得到延長(zhǎng)。

此外還提高了功率因數(shù)，改善了供配電系統(tǒng)的電力品質(zhì)，降低了用電容量的要求，對(duì)電力缺相、欠電壓、過(guò)電流及過(guò)載、過(guò)熱等故障具有保護(hù)作用。相應(yīng)帶來(lái)的好處還有：由于供氣壓力的穩(wěn)定，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器，可使空壓機(jī)保持在設(shè)定的壓力值下工作，壓力穩(wěn)定可靠性高，且可無(wú)級(jí)設(shè)定，隨時(shí)可調(diào)?？諌簷C(jī)的排氣量由空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制，氣缸內(nèi)閥片不再反復(fù)地開(kāi)啟和關(guān)閉，閥座、彈簧等工作條件也大大地得到改善，有效地避免了高溫和高壓氣體急劇的流動(dòng)和沖擊，減少了維修的工作量。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還考慮了變頻和工頻的自由切換功能，一旦變頻控制系統(tǒng)發(fā)生故障，立即可以切換到工頻狀態(tài)下工作，確保供氣的可靠性。系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明變頻調(diào)速技術(shù)在空壓機(jī)上的應(yīng)用是成功的，其節(jié)電率由兩部分組成。

但要檢驗(yàn)一下轉(zhuǎn)速降過(guò)大時(shí)是否存在出口壓力波動(dòng)過(guò)大影響正常使用，以及是否造成對(duì)潤(rùn)滑油的供應(yīng)不足(指飛濺供油，對(duì)單獨(dú)供油泵時(shí)不存在此問(wèn)題)。