王冠宇

（浙江省諸暨市盾安換熱器有限公司，浙江 諸暨 311800）

作為我國當(dāng)前機(jī)械制造及加工行業(yè)中不可或缺的重要設(shè)備，電動(dòng)機(jī)能夠帶動(dòng)相關(guān)機(jī)械設(shè)備工作[1]。由于技術(shù)發(fā)展所限，電動(dòng)機(jī)基本上是以固定的速度進(jìn)行拖動(dòng)，在控制精度要求不高的情況下尚可滿足相關(guān)設(shè)備的需要，但近年來隨著工業(yè)智能化及自動(dòng)化的快速發(fā)展，固定轉(zhuǎn)速拖動(dòng)的方式以難以適應(yīng)當(dāng)前機(jī)械制造加工業(yè)的生產(chǎn)需要，因此，在實(shí)際生產(chǎn)就需要利用變頻調(diào)速來提高轉(zhuǎn)速控制的精度，所謂變頻調(diào)速技術(shù)，就是利用變頻器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，即讓電機(jī)按照既定的程序或方式進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)速度的可調(diào)性。同時(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造還可以調(diào)整供氣量，使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比關(guān)系，達(dá)到良好的節(jié)約電能的效果。本文對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了變頻節(jié)能改造分析，提出了一種空壓機(jī)變頻節(jié)能改造新方法。

1 變頻改造的可行性分析

由流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知，縮機(jī)、風(fēng)機(jī)及泵類等設(shè)備都屬于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其壓力、功率和流量滿足如下關(guān)系：流量和轉(zhuǎn)速是正比例關(guān)系，壓力和轉(zhuǎn)速的平方是正比例關(guān)系，軸功率和轉(zhuǎn)速的立方是正比例關(guān)系，因此，若電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有所下降時(shí)，其軸功率將發(fā)生大幅度的下降，例如當(dāng)流量為加載流量的 75%時(shí)軸功率將下降到額定功率的 49%[2]。從上述原理中可以得到對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻控制設(shè)計(jì)的思路，即將壓力傳感器安裝在空壓機(jī)的出口處，以此來獲得所需要的電流信號(hào)。若系統(tǒng)的用氣量減小，則此時(shí)將出現(xiàn)空壓機(jī)出口壓力升高的現(xiàn)象，壓力傳感器的阻值將降低，通過24V直流的電源就可以將壓力傳感器的阻值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流信號(hào)，從而增大了其對(duì)變頻器的輸入信號(hào)，最后通過與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較后得到偏差來減小變頻器調(diào)節(jié)輸出電源的頻率，此時(shí)即可降低電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)減小了排氣量。

當(dāng)系統(tǒng)的用氣量增大時(shí)，其整體壓力將逐漸降低，此時(shí)變頻器所輸出的電源頻率將逐漸升高，進(jìn)而使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和排氣量都增大，此時(shí)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速即可滿足系統(tǒng)的用氣要求，當(dāng)所調(diào)節(jié)的用氣量和供氣量保持平衡時(shí)，變頻器即會(huì)在該點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，這樣就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的恒壓運(yùn)行，同時(shí)能夠保證系統(tǒng)一直運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下。整個(gè)控制系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

2 變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)空壓機(jī)改造的應(yīng)用

2.1 空壓機(jī)變頻控制改造的需求

通?？諌簷C(jī)所帶的負(fù)荷是非常大的，且其起動(dòng)方式多為星形三角起動(dòng)，當(dāng)起動(dòng)完成后要迅速進(jìn)行負(fù)載的裝載，這就使得空壓機(jī)的起動(dòng)電流瞬間達(dá)到其額定運(yùn)行電流的4～7倍，對(duì)電源造成嚴(yán)重的沖擊，加速設(shè)備的老化的同時(shí)影響正常生產(chǎn)，降低了相關(guān)設(shè)備的使用壽命[3]。由于普通的空壓機(jī)是無法進(jìn)行調(diào)速的，因此無法對(duì)其使用壓力或流量來實(shí)現(xiàn)降速的目的，同時(shí)在正常運(yùn)行的過程中空壓機(jī)也是無法進(jìn)行頻繁起動(dòng)的，這就使得空壓機(jī)需長期保持高損耗運(yùn)行，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

由于變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)電效果好，調(diào)速能力和適應(yīng)能力強(qiáng)，且平滑的變速性能和軟起動(dòng)方式能夠降低起動(dòng)和變速中對(duì)機(jī)械的沖擊，減小了設(shè)備的損耗，延長了設(shè)備的使用壽命。同時(shí)由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)頻率可以改變，在氣量較小的時(shí)候可以降低電機(jī)的速度，這就是實(shí)現(xiàn)了在不需要對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行加載和卸載的條件下完成了對(duì)空壓機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)，進(jìn)而大幅提高了電機(jī)的運(yùn)行功率，使氣壓供氣系統(tǒng)保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工況下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目標(biāo)。

通過以上分析我們可以發(fā)現(xiàn)對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行變頻改造可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、降低運(yùn)行成本，延長設(shè)備的使用壽命，提高控制的精度等特點(diǎn)，能夠從根本上改善空壓機(jī)的運(yùn)行工況和成本。

2.2 空壓機(jī)的變頻調(diào)速改造要求

在對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造時(shí)，應(yīng)保證儲(chǔ)氣罐出口壓力穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍在生產(chǎn)要求范圍之內(nèi)，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)具備工頻和變頻兩種控制回路，工頻控制作為變頻控制出現(xiàn)故障時(shí)的備用控制，根據(jù)空壓機(jī)工況和轉(zhuǎn)矩特征進(jìn)行改造，在變頻器的輸入端可加載一些抗干電磁干擾元件以增強(qiáng)空壓機(jī)對(duì)外界干擾的抵抗能力，若生產(chǎn)工藝發(fā)生改變，則應(yīng)保證改造后的變頻控制系統(tǒng)利用橫氣壓和變流方式實(shí)現(xiàn)對(duì)供氣氣壓的調(diào)整。

3 空壓機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造的實(shí)例分析

3.1 對(duì)空壓站的改造

在對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行改造時(shí)如果其空壓站的設(shè)備型號(hào)是統(tǒng)一的，則此時(shí)只需配備一臺(tái)變頻空壓機(jī)，也就是只需對(duì)一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行改造，其他設(shè)備只需配合即可達(dá)到改造的目標(biāo)。若空壓站所產(chǎn)生的耗氣量小于一臺(tái)空壓機(jī)的空氣量，則此時(shí)可以利用變頻空壓機(jī)完成供氣，反之則需要起動(dòng)普通空壓機(jī)來完成補(bǔ)償，使其處在加載狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)與變頻設(shè)備聯(lián)動(dòng)的工況，此種方式就是利用變頻空壓機(jī)來維護(hù)供氣系統(tǒng)的平衡而降低能耗。

3.2 具體控制措施

在對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行起動(dòng)時(shí)，由于其內(nèi)部仍保留著少量氣壓，這就要求變頻器反應(yīng)速度較快，因此，此時(shí)多選用LG變頻器。采用閉環(huán)自動(dòng)的調(diào)節(jié)方式，根據(jù)對(duì)壓力傳感器所檢測(cè)的空壓機(jī)出口信號(hào)進(jìn)行變換來調(diào)節(jié)單臺(tái)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過PLC及變頻器的控制來保證電機(jī)的最小輸出功率。不但實(shí)現(xiàn)了精確的壓力控制，而且通過電機(jī)的軟起動(dòng)延長了相關(guān)設(shè)備的使用壽命，且當(dāng)PLC及變頻器發(fā)生故障時(shí)，可將運(yùn)行方式自動(dòng)切換到原軟起動(dòng)柜工頻電源運(yùn)行，保證了壓縮機(jī)能夠正常工作，相關(guān)的改造方案如圖2所示。

圖2 改造方案圖

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

應(yīng)用這種新方法對(duì)空壓機(jī)變頻節(jié)能進(jìn)行改造，其經(jīng)濟(jì)效益如下：

1）年平均總電量=總功率×實(shí)際用電功率比例×每天平均運(yùn)行時(shí)間×每年平均運(yùn)行天數(shù)=97kW×0.75×20h/天×300 天/年= 436500 kW·h /年；

2）年平均耗電費(fèi)用=年總用電量×電價(jià)=436500 kW·h /年×0.79 元/kW·h= 344835 元/年；

3）節(jié)電設(shè)備年折舊費(fèi)=節(jié)電設(shè)備總價(jià)/10年=90000元/10年=9000元/年；

4）年節(jié)電效益=(年耗電量×電價(jià))×預(yù)期節(jié)電率-節(jié)電設(shè)備年折舊費(fèi)=436500元/年×15%-9000元/年=65475 元/年-9000 元/年=56475 元/年；

5）投資成本（合計(jì)）：90000元；

6）投資回收期=投資成本÷年節(jié)電效益=90000元÷56475元/年= 1.59（約為18個(gè)月）預(yù)期總收益=產(chǎn)品有效使用年限×年節(jié)電效益=10年×56475元/年=564750元。

由于該節(jié)電產(chǎn)品使用年限可達(dá)10年以上，因此其會(huì)帶來非常大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

通過對(duì)電機(jī)輸入電流頻率的改變實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，達(dá)到了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制的目的。利用該項(xiàng)技術(shù)能夠解決空壓機(jī)起動(dòng)、加載和卸載過程中出現(xiàn)的大量消耗電能的現(xiàn)象，不但降低了工況改變所帶來的能源浪費(fèi)，而且?guī)砹丝捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 李強(qiáng),屈寶存,葛智強(qiáng)．PLC和變頻器在空壓機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2006(7).

[2] 許振.交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展[J].微特電機(jī),2005(4).

[3] 胡炫,朱虎,楊志．高壓變頻器在發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用與節(jié)能分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2010(2).