一、引言：

　　空氣壓縮機是一種利用電動(dòng)機將氣體在壓縮腔內進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備，主要有吸氣、壓縮、作功輸送和排氣四個(gè)主要過(guò)程。已有幾百年的應用歷史，在機械結構方面也經(jīng)過(guò)了100年的發(fā)展，原理是成熟的，但大容量的空壓機在工作過(guò)程的帶載啟動(dòng)和泄載一直是一個(gè)難題。在結構上分常見(jiàn)有活塞式、螺桿式、和離心式等。它的用途廣泛，可以用于冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石油化工等各個(gè)行業(yè)?？諌簷C占大型工業(yè)設備（風(fēng)機、水泵、鍋爐、空壓機等）耗電量的15%。經(jīng)考察，大部分空壓機自身存在著(zhù)以下幾個(gè)缺點(diǎn):

　?。?） 當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)機空轉，屬非經(jīng)濟運行，造成嚴重的能源浪費。

　?。?） 異步電動(dòng)機易頻繁的啟動(dòng)、停止，影響電機的使用壽命;

　?。?） 工作條件惡劣，自動(dòng)排空放氣時(shí)噪音極大，造成環(huán)境污染。

　?。?） 自動(dòng)化程度低，輸出壓力的調節是靠人為調節閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現的，調節速度慢，波動(dòng)大，不穩定，精度低;

　?。?） 空壓機工頻啟動(dòng)電流大，對電網(wǎng)沖擊大，電機軸承磨損大，設備維護量大。

　?。?）上下限壓力不易調節。壓力調得太小則易造成不斷的起停而燒毀電機及電磁開(kāi)關(guān)；調節的太大則易造成管路的高壓力、高的傳送損失、漏氣、管路破裂的危險，而且壓力范圍太大也無(wú)法滿(mǎn)足現代化工藝要求。

　　綜上所述：可用VVVF對現用的空壓機系統進(jìn)行改造，以建立恒壓供氣系統，從而達到節電、減少噪音、降低設備磨損、減少電網(wǎng)沖擊、提高功率因數、起到穩定產(chǎn)品質(zhì)量的效果。

　　二、空壓機變頻改造原理介紹（以螺桿機為例）：

　　2.1　空壓機的工作原理

  
圖1　螺桿式空壓機的工作原理圖

　　螺桿式空壓機的工作原理圖如圖1所示，空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器和吸氣調節閥而吸入，該調節閥主要用于調節氣缸、轉子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽(yáng)轉子旋轉相對于氣缸里偏心方式運轉?；惭b在轉子的槽中，并通過(guò)離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統能夠確保壓縮機良好的冷卻及潤滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經(jīng)壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經(jīng)過(guò)油氣分離器進(jìn)行分離之后，油氣經(jīng)過(guò)油冷卻器冷卻再經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器流回儲油罐，空氣經(jīng)過(guò)氣冷卻器（空氣冷卻裝置）進(jìn)行冷卻而進(jìn)入儲氣罐。

　　2.2　空壓機變頻節能原理

　　變頻調速技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，并在許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用?？諌簷C變頻節能系統原理框圖如圖2。

圖2　空壓機變頻節能系統原理框圖

　　由于許多螺桿式空壓機運行方式是加載、減載方式。減載時(shí)電機空轉,那么能源都被白白的浪費了，而電動(dòng)機轉速自身不能改變，只能通過(guò)改變電機頻率來(lái)調節轉速。變頻控制即通過(guò)改變電動(dòng)機的轉速來(lái)控制空壓機單位時(shí)間的出風(fēng)量，從而達到控制管路的壓力。原理如下:通過(guò)壓力變送器測得的管網(wǎng)壓力值與壓力的設定值相比較，得到偏差，經(jīng)PID調節器計算出變頻器作用于異步電動(dòng)機的頻率值。由變頻器輸出的相應頻率和幅值的交流電，使電動(dòng)機上得到相應的轉速。那么空壓機輸出相應的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同。

　　三、變頻改造注意事項以及設計原則

　　3.1　應明確空壓機是大轉動(dòng)慣量的恒轉矩負載，這種啟動(dòng)特點(diǎn)很容易引起變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現跳過(guò)流保護的情況，建議采用具有高啟動(dòng)轉矩的恒轉矩變頻，保證既能實(shí)現恒壓供氣的連續性，又可保證 設備可靠穩定的運行;不推薦用變轉矩的變頻。

　　3.2　空壓機不允許長(cháng)時(shí)間在低頻下運行，空壓機轉速過(guò)低，一方面使空壓機穩定性變差，另一方面也使缸體潤滑度變差，會(huì )加快磨損。所以工作下限應不低于25Hz;

　　3.3　建議功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動(dòng)出現頻繁跳閘的情況，也便于日后的系統工況擴展。

　　3.4　為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減少電機運行的噪音，提高電機的穩定性;

　　3.5　設計的系統應具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現異常保護時(shí)，不至于影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

　　3.6　電機變頻運行狀態(tài)保持儲氣罐出口壓力穩定，壓力波動(dòng)范圍不能超過(guò)±0.02Mpa。

　　3.7　一臺變頻器能控制兩臺空壓機組，可在柜體內用轉換開(kāi)關(guān)切換。

　　3.8　為了防止非正弦波干擾空壓機控制器，變頻器輸入端應有抑制電磁干擾的有效措施?？刂凭€(xiàn)信號線(xiàn)采用屏蔽線(xiàn)纜，布線(xiàn)時(shí)要和動(dòng)力電路分開(kāi)，防止干擾引入

　　四、變頻器的選型：

　　據上原則，經(jīng)過(guò)調研、比較，英格索蘭壓縮機公司（IR）最終選擇歐瑞傳動(dòng)公司生產(chǎn)的F1500-G系列315KW通用型變頻器，以滿(mǎn)足其配套及系統節能工況改造要求。

　　4.1　F1500-G變頻器的頻率精度：數字設定為±0.01%；模擬設定為上限頻率＊0.4%?？墒箟毫Σ▌?dòng)范圍滿(mǎn)足設計要求。

　　4.2　系統設計了變頻和工頻兩套主回路。（參見(jiàn)產(chǎn)品柜圖）

　　4.3　系統設計了閉環(huán)與開(kāi)環(huán)兩套控制回路。

　　4.4　使用轉換開(kāi)關(guān)可使變頻器任意控制兩臺空壓機組中的一臺。

　　4.5　F1500-G型變頻器適用恒轉矩特性負載，該變頻器還具有轉矩補償和提升的功能。

　　4.6　在該變頻器上端加裝輸入電抗器，有效的抑制了變頻器對電網(wǎng)的干擾。

　　4.7　在該變頻器下端加裝輸出電抗器，保障了低頻運行時(shí)電機溫度噪音不超過(guò)允許范圍。

　　4.8　選用315KW的變頻器控制250KW的電動(dòng)機，在一定程度上滿(mǎn)足了將來(lái)工況擴展要求。

　　五、改造及配套方案原理

　　5.1　由變頻器，壓力變送器、電機、螺旋轉子組成壓力閉環(huán)控制系統自動(dòng)調節電機轉速，使儲氣罐內空氣壓力穩定在設定范圍內，進(jìn)行恒壓控制。

　　反饋壓力與設定壓力進(jìn)行比較運算，實(shí)時(shí)控制變頻的輸出頻率，從而調節電機轉速，使儲氣罐內空氣壓力穩定在設定壓力上。

　　5.2　充分利用歐瑞傳動(dòng)F1500-G通用恒轉矩變頻所擁有的閉環(huán)轉開(kāi)環(huán)功能特點(diǎn)，將控制板端子OP1—OP8（對應功能碼F408-F415）任一端子定義為19（閉環(huán)切換到開(kāi)環(huán)功能），將運行調整模式從PI調節切換至F204所設定的調整模式，當該功能端子與CM斷開(kāi)時(shí)，為閉環(huán)控制；與CM短接時(shí)，為開(kāi)環(huán)控制。此定義端子接原系統空壓機內部控制板的加減載信號。變頻隨著(zhù)系統板的控制信號，變換工作在閉環(huán)（PI）與開(kāi)環(huán)（F204=1數字頻率設定，鍵盤(pán)UP\DOWN調節，掉電保存結果。）狀態(tài)。加減載信號由原空壓機的信號采樣控制板控制，保存原釋放閥系統，在必要時(shí)也參與調節，增強了系統的可靠性！如果生產(chǎn)現場(chǎng)工況用氣量極少，那么變頻自動(dòng)進(jìn)行PI調節使輸出頻率降低，如此時(shí)的壓力MPa值還未降至預計值，此時(shí)由空壓機的壓力采樣控制板輸出減載信號指令輸出到變頻的閉環(huán)轉開(kāi)環(huán)端子，使變頻運行在固定的數字頻率設定值27HZ，運行在此一底限頻率值，能比較好地解決加速時(shí)間慢的問(wèn)題，同時(shí)也解決了電機長(cháng)期在低頻下運行的溫升問(wèn)題，和空壓機齒輪泵供油的潤滑問(wèn)題。此信號同時(shí)也去控制釋放閥。如果生產(chǎn)現場(chǎng)的用氣量正常，則依靠變頻自身的PI功能，系統壓力會(huì )穩定在預設值范圍內。則此時(shí)來(lái)講，閉環(huán)轉開(kāi)環(huán)的轉換功能也就用不上了，變頻持續工作在閉環(huán)PI狀態(tài)下。

　　5.3　控制板端子配線(xiàn)：

　　OP7——定義為FWD（RUN/STOP）,接控制板的運行/停機信號；

　　OP8——定義為閉環(huán)轉開(kāi)環(huán)信號，由原空壓機加減載內部控制板取來(lái)。

　　CM——控制信號的參考地。

　　GND——壓力反饋控制4－20MA信號負輸入端。

　　AN2——壓力反饋控制4-20MA信號正輸入端。

　　TB & TC——外接指示儀表，故障表征輸出。

　　六、系統調試：

　　調試工作分成兩部分：

　　第一，先根據工藝要求、電機參數、負載特性預調變頻器參數。（變頻控制參數表詳見(jiàn)附表1）

　　第二，系統聯(lián)動(dòng)調試。

　　在完成變頻器設定參數調整及空載運行后，進(jìn)行系統聯(lián)動(dòng)調試。調試的主要步驟：

　　6.1　將變頻器接入系統。

　　6.2　進(jìn)行工頻旁路的運行。注意此時(shí)電機的轉向，應確保變頻與工頻回路的電機轉向一致。

　　6.3　進(jìn)行變頻回路的運行，其中包括開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制兩部分調試：

　　開(kāi)環(huán)：此時(shí)主要觀(guān)察變頻器頻率上升的情況，設備的運行聲音是否正常，空壓機的壓力上升是否穩定，壓力變送器顯示是否正常，設備停機是否正常等。如一切正常，則可進(jìn)行閉環(huán)的調試。

　　閉環(huán)：主要依據變頻器頻率上升與下降的速度和空壓機壓力的升降相匹配，不要產(chǎn)生壓力振蕩，還要注意觀(guān)察機械共振點(diǎn)，將共振點(diǎn)附近的頻率跳過(guò)去。