变频器在供气控制系统中的应用

空压机在工业生产中有着广泛地应用；比如在我们金属包装类行业中，它担负着为厂内生产线所有气动元件（包括各种气动阀门），提供气源的职责；因此它运行的好坏直接影响生产线能否高效运转。空压机的种类有很多，但其供气控制方式几乎都是采用加、卸载控制方式。例如我厂使用的南京三达活塞式空压机、美国寿力ls-10型螺杆压缩机和atlascopcoga-110型螺杆式空压机都采用了这种控制方式。根据我们多年的运行经验，该供气控制方式虽然原理简单、操作简便，但存在能耗高，进气阀易损坏、供气压力不稳定等诸多问题。随着社会的发展和进步，高效低耗的技术已愈来愈受到人们的关注。在空压机供气领域能否应用变频调速技术，节省电能同时改善空压机性能、提高供气品质就成为我们关心的一个话题。结合生产实际，我们选择了一台atlascopcoga-110型固定式螺杆式空压机进行了研究。

　　空压机加、卸载供气控制方式简介

　　本人以atlascopcoga-110型固定式螺杆空压机电气控制原理图（如图3所示）为例，对加、卸载供气控制方式进行简单介绍。按下起动按钮sb2，kt1线圈得电，其瞬时闭合延时断开的动合触点闭合，km4和km6线圈得电动作压缩机电机开始y形起动；此时进气控制阀yv2得电动作，控制气体从小储气罐中放出进入进气阀活塞腔，关闭进气阀，使压缩机从轻载开始启动。当kt2到达设定时间（一般为5秒后）其延时断开的动断触点断开，延时闭合的动合触点闭合，km6线圈断电释放，km5线圈得电动作，空压机电机从y形自动改接成△形运行。此时yv2断电关闭，从储气罐放出的控制气体被切断，进气阀全开，机组满载运行。（注：进气控制阀yv2只在起动过程起作用，而卸载控制阀yv1却在起动完毕后起作用）。

　　若所需气量低于额定排气量，排气压力上升，当超过设定的最小压力值pmin（也称为加载压力）时，压力调节器动作，将控制气输送到进气阀，通过进气阀内的活塞，部分关闭进气阀，减少进气量，使供气与用气趋于平衡。当管线压力继续上升超过压力调节开关（sp2）设定的最大压力值pmax（也称为卸载压力）时，压力调节开关跳开，电磁阀yv1掉电。这样，控制气直接进入进气阀，将进气口完全关闭；同时，放空阀在控制气的作用下打开，将分离罐内压缩空气放掉。当管线压力下降低于pmin时，压力调节开关sp2复位（闭合），yv1接通电源，这时通往进气阀和放空阀的控制气都被切断。这样进气阀重新全部打开，放空阀关闭，机组全负荷运行。

　　加、卸载供气控制方式存在的问题

　　1能耗分析

　　我们知道，加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在pmin～pmax之间来回变化。pmin是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下，pmax、pmin之间关系可以用下式来表示：

　　pmax＝（1＋δ）pmin

　　δ是一个百分数，其数值大致在10%～25%之间。

　　而若采用变频调速技术可连续调节供气量的话，则可将管网压力始终维持在能满足供气的工作压力上，即pmin附近。

　　由此可知，在加、卸载供气控制方式下的空压机较之变频系统控制下的空压机，所浪费的能量主要在2个部分：

　　（1）压缩空气压力超过pmin所消耗的能量

　　在压力达到pmin后，原控制方式决定其压力会继续上升（直到pmax）。这一过程中必将会向外界释放更多的热量，从而导致能量损失。另一方面，高于pmin的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压至接近pmin。这一过程同样是一个耗能过程。

　　（2）卸载时调节方法不合理所消耗的能量

　　通常情况下，当压力达到pmax时，空压机通过如下方法来降压卸载：关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再压缩气体作功，但空压机在空转中还是要带动螺杆做回转运动，据我们测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%～15%（这还是在卸载时间所占比例不大的情况下）。换言之，该空压机10%的时间处于空载状态，在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。

　　2其它不足之处

　　（1）靠机械方式调节进气阀，使供气量无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力不可避免地产生较大幅度的波动。用气精度达不到工艺要求。再加上频繁调节进气阀，会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。

　　（2）频繁采用打开和关闭放气阀，放气阀的耐用性得不到保障。

　　恒压供气控制方案的设计

　　针对原有供气控制方式存在的诸多问题，经过上述对比分析，本人认为可应用变频调速技术进行恒压供气控制。采用这一方案时，我们可以把管网压力作为控制对象，压力变送器yb将储气罐的压力p转变为标准电信号送给pid调节器，与压力设定值p0作比较，并根据差值的大小按既定的pid控制模式进行运算，产生控制信号送到变频调速器vvvf，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力p始终接近设定压力p0。同时，该方案可以增加工频与变频切换功能，并保留原有的控制和保护系统，另外，采用该方案后，空压机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击。