摘要：螺桿式空壓機是目前空壓機市場(chǎng)上的主要機種，市場(chǎng)占有率很高，具有結構簡(jiǎn)單、可靠性高、使用壽命長(cháng)、維修方便等特點(diǎn)。在空壓機系統中引入變頻器的控制系統，實(shí)現恒壓供氣，可以有效地提高空壓機的供氣質(zhì)量、減少電能消耗及延長(cháng)部件和整機的使用壽命。本文以某空壓機生產(chǎn)廠(chǎng)家為例介紹奧卓爾QD800系列變頻器在空壓機行業(yè)的控制方法和優(yōu)勢。
一、 螺桿式空壓機及其傳統的控制方式介紹
螺桿式空壓機取代易損件多、可靠性差的活塞式空壓機，已經(jīng)成為必然趨勢。目前西方發(fā)達國家螺桿空壓機市場(chǎng)占有率為80%，并持續保持上升趨勢。
空壓機系統傳統的控制方式一般由電機運行控制和加卸載供氣控制方式組成。電機運行控制依靠接觸器和斷開(kāi)和吸合來(lái)實(shí)現。加、卸載供氣控制方式為進(jìn)氣閥開(kāi)關(guān)控制方式，即壓力達到上限時(shí)關(guān)閥，壓縮機空載運行；壓力抵達下限時(shí)開(kāi)閥，壓縮機加載運行?？諝鈮嚎s機的排氣量和壓力，在運轉中是不斷變化的，常因工況變化導致用氣量變化，所以空氣壓縮機工作時(shí)總是在重復滿(mǎn)載－卸荷工作方式。滿(mǎn)載時(shí)的工作電流接近電動(dòng)機的額定電流，卸荷時(shí)的空轉電流約為30-50％電動(dòng)機額定電流。
這樣的工作方式必然產(chǎn)生出諸多弊端，如：
1.起動(dòng)電流很大：對電網(wǎng)的穩定及其它用電設備的產(chǎn)生巨大的沖擊；
2.機械沖擊很大：電動(dòng)機及壓縮機經(jīng)常的啟停，對于機械部件和氣路及元器件沖擊很大，增加空壓機和供氣系統的維護工作和成本，同時(shí)影響系統的使用壽命；
3.無(wú)法做到恒壓供氣：經(jīng)常卸載和加載的方法來(lái)調節.這樣使整個(gè)氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化,不能保持恒定的供氣壓力，在一定程度上間接的影響了產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量；
4.能耗浪費嚴重：卸載時(shí)電機在工頻下空載運行，加載時(shí)因為壓力上限值的原因，電機要在超出系統壓力的水平的負載水平上運行，因此這兩個(gè)工作狀態(tài)都會(huì )對產(chǎn)生能源的浪費，而當供氣需求變化較大時(shí)，產(chǎn)生的浪費尤為明顯。據有關(guān)資料統計顯示，空壓機負載率平均僅為60%。
二、 變頻調速和恒壓供氣
針對傳統供氣控制方式存在的諸多問(wèn)題，越來(lái)越多的空壓機廠(chǎng)商開(kāi)始應用變頻調速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制。
采用恒壓供氣方案時(shí)，一般以管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器將儲氣罐的壓力P轉變?yōu)殡娦盘査徒o空壓機控制器，控制器將采集來(lái)的壓力與壓力設定值作比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運算，產(chǎn)生控制信號送至變頻器，通過(guò)變頻器控制電機的工作頻率與轉速，從而使實(shí)際壓力始終接近設定壓力。
這樣的工作模式可以顯著(zhù)地提高壓縮空氣質(zhì)量和電能的利用率。同時(shí)，采用該方案后，有以下優(yōu)勢：
1.有功節電：由于空壓機工作的特殊性，在電機轉速降低的情況下，有功節電（有功節電的意義在于可以直接節約電費開(kāi)支，降低生產(chǎn)成本）明顯，另外大大減小了壓縮氣體通過(guò)卸荷閥的能量損耗。
2.平穩的重載啟動(dòng)：QD800系列變頻器具有優(yōu)異的矢量控制性能，低頻響應好，加上功率裕量大，完全可以滿(mǎn)足甚至勝任低頻運轉時(shí)的轉矩需求。因此完全適用于“重載啟動(dòng)”。
3.降低噪音：可以減少電機運行的噪聲，改善生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。
4.優(yōu)越的軟啟動(dòng)、軟停止特性：QD800變頻器的啟動(dòng)、停止時(shí)間是任意可調的（0～10min），也就是說(shuō)啟動(dòng)時(shí)的加速度和停車(chē)時(shí)的減速度是任意可調的，所以啟動(dòng)、停止平穩無(wú)沖擊，從而延長(cháng)了空壓機使用壽命。
5.降低故障率：采用變頻器調速系統，可以大大減少閥門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉次數，從而減少了系統因閥門(mén)的頻繁開(kāi)啟閉合引起機械磨損而造成的故障。
三、 變頻調速恒壓供氣原理
流量是供氣系統的基本控制對象，供氣流量需要隨時(shí)滿(mǎn)足用氣流量。在供氣系統中，儲氣管中的氣壓能夠充分反映供氣能力與用氣需求之間的關(guān)系：
若供氣流量 > 用氣流量 → 儲氣管氣壓上升
若供氣流量 < 用氣流量 → 儲氣管氣壓下降
若供氣流量 = 用氣流量 → 儲氣管氣壓不變
所以，保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿(mǎn)足用氣需求，這就是恒壓供氣系統所要達到的目的。
空氣壓縮機采用變頻調速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí)，系統原理框圖如圖1所示。
圖1：恒壓供氣系統原理圖
變頻調速系統將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內部的PID調節器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率，調整電動(dòng)機的轉速，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。
另外，采用該方案后，空氣壓縮機電動(dòng)機從靜止到穩定轉速可由變頻器實(shí)現軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)時(shí)的大電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機帶來(lái)的機械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機在變頻器調速控制方式下工作。變頻器一旦出現故障，生產(chǎn)工藝不允許空氣壓縮機停機，因此，系統設置了工頻與變頻切換功能，這樣當變頻器出現故障時(shí)，可由工頻電源通過(guò)接觸器直接供電，使空氣壓縮機照常工作。
整個(gè)控制過(guò)程如下：
用氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設定值與返饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機電機轉速↑ —— 供氣流量↑—— 管路氣壓趨于穩定。
圖2：工變頻方案供氣壓力對比圖
四、 空壓機使用變頻器時(shí)應注意事項
1.保證啟動(dòng)力矩：空壓機是大轉動(dòng)慣量負載，這種啟動(dòng)特點(diǎn)就很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現跳過(guò)流保護的情況，建議選用具有高啟動(dòng)轉矩的無(wú)速度傳感器矢量變頻器，保證即能實(shí)現恒壓供氣連續性，又保證設備可靠穩定的運行；
2.設置頻率下限：空壓機不允許長(cháng)時(shí)間在低頻下運行，當空壓機的轉速過(guò)低，一方面將使空壓機的工作穩定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會(huì )加快磨損，所以工作的下限頻率應不低于20Hz；
3.選配交直流電抗器：選配直流電抗器可有效提高網(wǎng)側功率因數，降低線(xiàn)損；選配輸出交流電抗器可有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，還可以減小電機運行噪音和溫升，提高電動(dòng)機的穩定性。大功率電機建議選配輸出交流電抗器。
五、 變頻器控制方式說(shuō)明
5.1、變頻空壓機系統接線(xiàn)方案
圖3：變頻器推薦接線(xiàn)圖
5.2、系統調試步驟
5.2.1主變頻調試
第一步：按照系統接線(xiàn)圖接線(xiàn)，并檢查接線(xiàn)是否正確。調試前務(wù)必檢查接線(xiàn)正確及把地線(xiàn)接好（變頻地和外殼地連好）；
注：頻率給定信號為4~20mA電流信號，相應的模擬量輸入端口選擇電流信號。
第二步：首先F05.01=1,恢復出廠(chǎng)設置，輸入電機參數，進(jìn)行電機參數自辨識。
注：一定要按照電機銘牌設置電機參數，以保證變頻器矢量控制性能。
第三步：根據實(shí)際要求設置變頻器參數。
5.2.2 變頻器參數表 給出了一份參數設置表，可作參考。
第四步：按QUICK/JOG鍵，點(diǎn)動(dòng)看方向，如果方向不正確，更改電機接線(xiàn)。
第五步: 試運行，查看整個(gè)運行過(guò)程中空壓機是否運行平穩，輸出電流電壓是否正常。
5.2.2變頻器參數表
變頻器調制參數，見(jiàn)表1 變頻器參數表：
六、結束語(yǔ)
奧卓爾QD800系列變頻器在螺桿式空壓機上的應用，相比于工頻運行模式，有著(zhù)得天獨厚的優(yōu)勢。同時(shí)由于變頻器優(yōu)異的控制性能，在低頻力矩、變頻器自保護、負載突變轉矩響應方面的表現也堪稱(chēng)完美。工頻切換回路的保留也給了系統更靈活的配置選擇。
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