變頻器在活塞式空壓機中的應用
發布時間：2019-08-02 10:20:19來源：
變頻器在活塞式空壓機中的應用
1 引言某煤礦機械廠是我國煤炭機械行業中的一類大型骨干
企業，其空壓機站由3 臺132kW的活塞式空壓機組成，為全
廠提供壓縮空氣，其地位非常重要，同時能耗巨大。因此在
2005年5月，該廠對原系統的一臺空壓機進行了變頻改造， 引
入閉環控制和變頻調節，使節電率達到了29%，同時也提高
了控制系統精度，并使該空壓機站的控制系統達到先進水平。
2 空壓機運行工況分析
人們通常用的都是活塞式空壓機， 活塞在氣缸內作往復運
行，從而使氣缸內氣體容積發生變化，并與氣缸內氣閥作相
應的開閉動作配合，通過吸氣、壓縮、排氣等動作，將無
壓或低壓氣體升壓，輸出到儲壓罐內。壓力控制采用上、下
限控制方式，就是當空壓機氣缸內壓力達到設定值上限 HH
時，空壓機通過本身的油壓關閉進氣閥，電動機卸荷運行，
此時不產生壓縮空氣，電機處于空載狀態；當壓力下降到設
定值下限HL 時，空壓機打開進氣閥，產生壓縮空氣。這種
運行方式存在極大的能量浪費：
首先，這種控制方式存在壓力波動，要使壓力波動不影
響使用， 就得把壓力低限設為用氣設備可正常使用的比較低壓力
HL，假設在此壓力下空壓機滿負載消耗的功率為PL。試驗證
明，當空壓機滿負載運行、排氣壓力在某一范圍內波動時，
其輸入功率P與排氣壓力H滿足如下關系：
P = PL ×（H / HL）
即空壓機驅動軸上所需要的軸功率P 與排氣壓力H 成正
比。這樣，在實際運行中，由于用氣量的變化，空壓機排
氣壓力始終高于等于HL，導致空壓機在帶載運行時，其消耗
功率都高于等于PL。
其次，當空壓機氣缸內壓力達到設定值上限HH時，電機
卸荷，轉為空載運行，此時其用電量為滿負載的30%～60%
左右，這部分電能被白白的浪費。
也正是由于這種上、下限位式兩點控制，導致當用氣量
與額定產氣量相差較大時，空壓機會頻繁的卸載和加載，對
電動機、空壓機和電網造成很大的沖擊。
由以上分析可以看出，當用氣量與額定產氣量相差較大
時，如果用變頻器控制電機的轉速，把排氣壓力設為HL，使
空壓機產氣量隨用氣量的變化而變化， 既維持了排氣壓力的穩
定，又避開了電機的空載運行，節能潛力非常可觀。
3 空壓機閉環控制方案
筆者采用以空壓機輸出壓力為控制對象的閉環控制方案。
經壓力傳感器取出的反饋信號，送至PID 調節器，與預置的
壓力給定信號相比較，經PID調節后的4～20mA信號接至變
頻器的給定端，調節空壓機的工作頻率和轉速。當送氣管網
壓力低于壓力給定時，PID輸出控制信號將提高變頻器輸出頻
率，否則將降低變頻器輸出頻率，直至送氣管網壓力與設定
的壓力給定值相等。其系統框圖如圖1 所示。
圖1 空壓機閉環控制系統圖
4 設備選型及電氣實現
空壓機的械特性有些特殊，選擇變頻器應基于以下兩
點：
(1) 空壓機的機械特性具有恒轉矩性質，且其飛輪力矩
編號：060307
大，需要有較大的起動轉矩，所以選擇變頻器不能選擇一般
風機泵類變頻器，必須選擇恒轉矩類變頻器。
(2) 變頻器要有PID調節功能，否則就必須加外置PID調
節器，不但會增加投資成本，還會降低系統可靠性。
由此，筆者選擇了ABB ACS800變頻器，該系列變頻器
具有以下突出特點：
? 采用了直接轉矩控制技術（DTC），自起動快，起
動轉矩大，比較大起動轉矩可達到200%的額定轉矩；
? 快速的階躍轉矩上升，上升時間小于5ms；
? 通過磁通優化，可使變頻器和電動機總效率提高1%～
1 0%，同時還可降低電動機噪聲；
? 內置PID控制器，且PID參數可自調整，節約了用于
閉環控制的附加成本；
? 方便靈活的軟件組態功能，通過調用預置的應用宏，
完成標準變頻器功能的設定。
由ABB ACS800-210變頻器組成的閉環控制系統電氣原理
圖如圖 2 所示。
制作控制柜時，要把變頻器控制盤安裝到控制柜的面板
上， 既可以方便地設定送氣壓力， 又可以觀察變頻器輸出頻率、
電流和送氣管網實際壓力等信息。
5 變頻改造中應注意的問題
(1) 電機的散熱問題。電機變頻運行后，轉速降低，裝
在電機軸上的散熱風扇轉速同樣降低， 電機的散熱效果變差。
(2) 空壓機的潤滑問題。空壓機的轉速越低，潤滑油的
耗量也就越小，其潤滑效果越差。
(3) 系統壓力設定問題。由運行工況分析可知，空壓機
的排氣壓力越高， 所需的電機軸功率越大， 電機耗電也就越多，
所以在滿足生產工藝的要求下， 壓力設定值要盡可能的低一些。
針對以上問題，筆者綜合節能效果和空壓機的機械特性，
考慮了多種方案，比較后把系統壓力設定為0.6MPa，把變頻器
運行頻率下限設定為28Hz，這樣，既能滿足空壓機散熱和潤
滑的需要，又能比較大限度的降低電能損耗。
圖2 空壓機閉環控制電氣原理圖
6 節能效果及綜合效益分析
改造前，空壓機經常是加載2min，卸載2min，加載運
行時電流為230A，卸載運行時電流為110A。改造后，空壓
機運行頻率經常在30Hz～40Hz之間，運行電流平均為120A，
基本上沒有卸載時間。空壓機平均每天工作16小時，每月工
作26天。假定電機功率因數為0.85，空壓機每月用電量W計
算如下：
W前＝P×16×26/1000
＝30.5
UI×0.85×16×26/1000
＝1.73×380×(230×0.5＋110×0.5)×0.85×16×
26/1000
＝379 98（度）
W后＝1.73×380×120×0.85×16×26/1000
＝278 95（度）
每月節省電量＝W前－W后
＝37998-27895
＝10103（度）
按每度電0.6元計， 每月可節省電費＝10103×0.6＝6061.8 （元）
整套空壓機系統改造費用10 萬元左右，約一年半就能收
回設備投資。
空壓機變頻改造后，還具有以下優點：
(1) 電動機軟啟軟停，對電機、空壓機、電網的沖擊大
為減小，延長了設備的使用壽命，減少了設備的維修量和維護
費用；
(2) 進一步完善了保護功能，如熱保護，過電流、過電
壓、欠電壓、短路、缺相保護等功能；
(3) 操作簡單方便，運行平穩，電機、空壓機溫升正常，
噪音、振動減小；
(4) 空壓機不再頻繁的加載和卸載，供氣壓力穩定，提
高了產品質量。
其他作者 ：張剛（1972-），男，講師，研究方向為FCS、自動測控
技術等。
參考文獻
[1] 韓安榮. 通用變頻器及應用[M]. 北京: 機械工業出版社.
[2] 宛如意, 等. 空氣壓縮機系統的變頻調速節能改造[J]. 變頻器世界, 2001-4.
[3] ABB. ACS800固件手冊[Z].