一、引言
空氣壓縮機是空氣供給系統(tǒng)的心臟，俗稱氣泵，它可以將空氣的壓力從普通的大氣壓提升到預定的壓力值，以供生產(chǎn)使用，空氣壓縮機被廣泛應用于電力、紡織、鋼鐵、食品、制藥等工業(yè)現(xiàn)場。空壓機在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用，種類有很多，但其供氣控制方式大多采用的是加、卸載控制方式。該供氣控制方式雖然動作原理簡單，但存在電能浪費大，啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊大，供氣壓力不穩(wěn)定，進氣閥容易損壞等諸多問題。根據(jù)國家節(jié)能減排的要求，大多數(shù)企業(yè)都采用最新的電力電子技術和自動控制技術來實現(xiàn)設備低耗高效的生產(chǎn)運行。
二、工藝介紹
空壓機供氣系統(tǒng)具體工作流程為：當按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動器線圈并打開斷油閥，空壓機在卸載模式下啟動，這時進氣閥處于關閉位置，而放氣閥打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力。等降壓n秒（由時間繼電器控制）后空壓機開始加載運行，系統(tǒng)壓力開始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開關上限值，即起跳壓力，控制器使進氣閥關閉，油氣分離器放氣，壓縮機空載運行，直到系統(tǒng)壓力降到壓力開關下限值后，即回跳壓力下，控制器使進氣閥打開，油氣分離器放氣閥關閉，壓縮機打開，油氣分離器放氣閥關閉，壓縮機滿載運行。
在管道供氣系統(tǒng)中，最基本的控制對象是流量，供氣系統(tǒng)的基本任務就是滿足用戶對流量的需求。目前，常見的氣體流量控制方式有加、卸載供氣控制方式和轉速控制方式兩種。
加、卸載供氣控制方式即為進氣閥開關控制方式，即壓力達到上限時關閥，壓縮機進入輕載運行；壓力抵達下限時開閥，壓縮機進入滿載運行。
經(jīng)常卸載和加載導致整個氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命。空壓機的有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門或調(diào)節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉速不變，電機功率下降幅度比較小。
加載時的電能消耗分析：在壓力達到最小值后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過程中,一定要向外界釋放更多的熱量，從而導致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓,這一過程同樣是一個耗能過程。
卸載時電能的消耗分析：當壓力達到壓力最大值時，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使電機處于空轉狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮成很大的能量浪費。據(jù)我們測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%～25%(這空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機20%的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節(jié)能空間。
靠機械方式調(diào)節(jié)進氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。頻繁采用打開和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。
三、空壓機節(jié)能計算理論
1)流量與轉子轉速的關系式為：
Qth=(丌/2)DLλN
(1)式中：Qth――理論流量，m?/min D――葉輪外徑，m
L――葉輪長度，m N――葉輪轉速r/min
λ――面積利用系數(shù)；表示氣缸空間的有效利用程度（圓弧一漸開線型線的面積利用系數(shù)λ＝0.563～0.521）
2)實際流量Q為：
Q＝Qthη
(2)式中：η――容積效率，一般為0.7～0.9
由（１）和（２）可知，對每一臺空壓機，其氣缸容積利用系數(shù)都是一個定值，當可忽略容積效率的變化時，空壓機的流量正比于轉速．
3)功率特性
空壓機的軸功率為：
P =( QthΔH)/6000β
(3)式中： P――軸功率，KW Qth――理論流量，m?/min
ΔH――進出口壓差，Pa β――機械效率，一般為0.9
由式（１）和（３）可知，當空壓機轉速變化時，其軸功率與轉速成正比
4)轉矩特性
空壓機的轉矩為：
M=9552(P/N)
(4)由于空壓機的軸功率與轉速在正比，因此式（４）可知，當轉速變化時，轉矩不變，即空壓機屬于恒轉矩運行．
可見空壓機風量Q和電機的轉速n是成正比關系的，而軸功率P與轉速也是成正比關系。所以當需要80％的額定風量時，通過變頻調(diào)節(jié)電機的轉速至額定轉速的80％，即調(diào)節(jié)頻率到40赫茲即可，這時所需功率將僅為原來的80％．
考慮減速后效率下降和調(diào)速裝置的附加損耗，通過實踐的統(tǒng)計，一般空壓機通過變頻調(diào)速控制可節(jié)能10％～40％；詳情見下圖1：
圖 1 節(jié)能示意圖
四、系統(tǒng)方案
通過改變空壓機的轉速來調(diào)節(jié)流量，而閥門的開度保持不變（一般保持最大開度）。
當空壓機轉速改變時，供氣系統(tǒng)的揚程特性隨之改變，而管阻特性不變。在這種控制方式下，通過變頻調(diào)速技術改變空壓機電機的轉速，空壓機的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變，達到真正的供需平衡。
采用的是深圳市 電氣股份有限公司的CHH100-0630-10高壓變頻器。
4.1一次控制方案
本項目切換控制旁路系統(tǒng)采用一拖一手動方案，變頻與工頻能夠手動切換，其一次原理圖如下圖2所示：
圖 2 高壓變頻一拖一手動切換控制圖
變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關、一拖一手動切換旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機組成。一拖一手動切換旁路柜是由三個高壓隔離開關QS1、QS2、QS3組成。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯(lián)鎖要求設計，變頻器輸入輸出高壓隔離開關QS1、QS2和旁路高壓隔離開關QS3機械閉鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運行。
?在變頻運行狀況下，QS1、QS2閉合，QS3斷開。如需切換至工頻運行時(故障)，系統(tǒng)先停止變頻器輸出，斷開用戶開關, 再由機械操作依次斷開QS1、QS2，然后機械操作閉合QS3,使電機切換至工頻側，再合上用戶開關,使電機工頻運行；
?在工頻旁路運行狀況下QS3閉合，QS1、QS2斷開。如需手動切換至變頻運行時，系統(tǒng)先斷開用戶開關，由機械操作斷開QS3，然后由機械操作依次閉合QS1、QS2，使電機切換至變頻側，再合上用戶開關, 變頻器自動檢測電機運行相位和頻率，在沒有電流沖擊的情況下，電機投入變頻運行。
該系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術，10kV輸入，10kV高壓輸出，屬高－高電壓源型變頻器。
4.2二次控制方案
把管網(wǎng)壓力作為控制對象，通過裝在出氣口的壓力變送器檢測管網(wǎng)壓力，將壓力值變換為電信號傳輸給遠程監(jiān)控系統(tǒng)或變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出電壓和逆變頻率，調(diào)整電動機的轉速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力（如下圖）。特別注意，在壓力容差范圍內(nèi)，變頻器的PID不調(diào)節(jié)，即保持輸出頻率不變。整個控制過程如下：
用氣需求↑——管路氣壓↓——壓力設定值與反饋值的差值↑——PID輸出↑——變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出頻率↑——空壓機電機轉速↑——供氣流量↑——管路氣壓趨于穩(wěn)定
長期實踐證明，在供氣系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術改變空壓機的轉速來調(diào)節(jié)管道中的流量，以取代閥門調(diào)節(jié)方式，能取得明顯的節(jié)能效果，另外，變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點可實現(xiàn)對流量的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，同時減少啟動沖擊并延長機組及管組的使用壽命；變頻器有效提高電動機的功率因數(shù)。
五、空壓機變頻改造優(yōu)點
使用 高壓變頻器的對現(xiàn)用的空壓機系統(tǒng)進行改造，以建立恒壓供氣系統(tǒng)，從而達到節(jié)電、減少噪音、降低設備磨損、減少電網(wǎng)沖擊、提高功率因數(shù)、起到穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的效果，達到了預期效果，實現(xiàn)了節(jié)能預期。
六、結束語
目前國內(nèi)同行對高壓空壓機的變頻改造案例很少， 高壓變頻成功應用在空壓機改造，標志著 高壓變頻技術已達到一個新的臺階。
