1 引言
空壓機在工業生產中有著廣泛地應用。在供水行業中，它擔負著為水廠所有氣動元件，包括各種氣動閥門，提供氣源的職責。因此它執行的好壞直接影響水廠生產工藝。
空壓機的種類有很多，但其供氣控制方式幾乎都是採用加、解除安裝控制方式。例如我廠使用的南京三達活塞式空壓機、美國壽力螺桿壓縮機和atlas螺桿式空壓機都採用了這種控制方式。根據我們多年的執行經驗，該供氣控制方式雖然原理簡單、操作簡便，但存在能耗高，進氣閥易損壞、供氣壓力不穩定等諸多問題。
隨著社會的發展和進步，高效低耗的技術已愈來愈受到人們的關注。在空壓機供氣領域能否應用變頻調速技術，節省電能同時改善空壓機效能、提高供氣品質就成為我們關心的乙個話題。結合生產實際，我們選擇了一台美國壽力ls-10型固定式螺桿空壓機進行了研究。
2 空壓機加、解除安裝供氣控制方式簡介
作者以美國壽力ls-10型固定式螺桿空壓機電控原理,對加、解除安裝供氣控制方式進行簡單介紹。
sa1轉至自動位置，按下起動按鈕sb2，kt1線圈得電，其瞬時閉合延時斷開的動合觸點閉合，km3和km1線圈得電動作壓縮機電機開始y形起動;此時進氣控制閥yv1得電動作，控制氣體從小儲氣罐中放出進入進氣閥活塞腔，關閉進氣閥，使壓縮機從輕載開始起動。當kt達到設定時間(一般為6秒後)其延時斷開的動斷觸點斷開，延時閉合的動合觸點閉合，km3線圈斷電釋放，km2線圈得電動作，空壓機電機從y形自動改接成△形執行。此時yv1斷電關閉，從儲氣罐放出的控制氣被切斷，進氣閥全開，機組滿載執行。
(注:進氣控制閥yv1只在起動過程起作用，而解除安裝控制閥yv4卻在起動完畢後起作用。)
若所需氣量低於額定排氣量，排氣壓力上公升，當超過設定的最小壓力值pmin(也稱為載入壓力)時，壓力調節器動作，將控制氣輸送到進氣閥，通過進氣閥內的活塞，部分關閉進氣閥，減少進氣量，使供氣與用氣趨於平衡。當管線壓力繼續上公升超過壓力調節開關(sp4)設定的最大壓力值pmax(也稱為解除安裝壓力)時，壓力調節開關跳開，電磁閥yv4掉電。這樣，控制氣直接進入進氣閥，將進氣口完全關閉;同時，放空閥在控制氣的作用下開啟，將分離罐內壓縮空氣放掉。
當管線壓力下降低於pmin時，壓力調節開關sp4復位(閉合)，yv4接通電源，這時通往進氣閥和放空閥的控制氣都被切斷。這樣進氣閥重新全部開啟，放空閥關閉，機組全負荷執行。
3 加、解除安裝供氣控制方式存在的問題
3.1 能耗分析
我們知道，加、解除安裝控制方式使得壓縮氣體的壓力在pmin～pmax之間來回變化。pmin是最低壓力值，即能夠保證使用者正常工作的最低壓力。一般情況下，pmax、pmin之間關係可以用下式來表示:
pmax＝(1＋δ)pmin (1)
δ是乙個百分數，其數值大致在10%～25%之間。
而若採用變頻調速技術可連續調節供氣量的話，則可將管網壓力始終維持在能滿足供氣的工作壓力上，即pmin附近。
由此可知，在加、解除安裝供氣控制方式下的空壓機較之變頻系統控制下的空壓機，所浪費的能量主要在2個部分:
(1) 壓縮空氣壓力超過pmin所消耗的能量
在壓力達到pmin後，原控制方式決定其壓力會繼續上公升(直到pmax)。這一過程中必將會向外界釋放更多的熱量，從而導致能量損失。
另一方面，高於pmin的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過減壓閥減壓至接近pmin。這一過程同樣是乙個耗能過程。
(2) 解除安裝時調節方法不合理所消耗的能量
通常情況下，當壓力達到pmax時，空壓機通過如下方法來降壓解除安裝:關閉進氣閥使電機處於空轉狀態，同時將分離罐中多餘的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。
關閉進氣閥使電機空轉雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體作功，但空壓機在空轉中還是要帶動螺桿做迴轉運動，據我們測算，空壓機解除安裝時的能耗約佔空壓機滿載執行時的10%～15%(這還是在解除安裝時間所佔比例不大的情況下)。換言之，該空壓機10%的時間處於空載狀態，在作無用功。很明顯在加解除安裝供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節能空間。
3.2 其它不足之處
(1) 靠機械方式調節進氣閥，使供氣量無法連續調節，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調節進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。
(2) 頻繁採用開啟和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。
4 恆壓供氣控制方案的設計
針對原有供氣控制方式存在的諸多問題，經過上述對比分析，本人認為可應用變頻調速技術進行恆壓供氣控制。採用這一方案時，我們可以把管網壓力作為控制物件，壓力變送器yb將儲氣罐的壓力p轉變為電訊號送給pid智慧型調節器，與壓力設定值p0作比較，並根據差值的大小按既定的pid控制模式進行運算，產生控制訊號送變頻調速器vvvf，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉速，從而使實際壓力p始終接近設定壓力p0。同時，該方案可增加工頻與變頻切換功能，並保留原有的控制和保護系統，另外，採用該方案後，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻器來啟動，實現了軟啟動，避免了啟動衝擊電流和啟動給空壓機帶來的機械衝擊。
5 系統元器件的選配及系統的安裝與除錯
5.1 元器件的選型
(1) 變頻器
ls-10型固定式螺桿壓縮機電機型號:ls286tsc-4，功率22kw，頻率50hz，額定電壓380v，額定電流42a，4極，轉速1470r/min，我們選用一台「台達牌」vfd300b43a型變頻器。因為ls-10型空壓機是一種大轉動慣量負載，因此選用加大一級變頻器(30kw)。
a) 變頻器的主要引數
l 輸出:最大適用電機輸出功率30kw，輸出額定容量45.7kva，輸出額定電流60a，輸出頻率範圍0.
10~400hz，過載能力為額定輸出電流的150%，執行60s，最大輸出電壓對應輸入電源。
l 輸入:3相，380~460v ac，50/60hz，電壓容許變動範圍±10%，頻率容許變動範圍±5%。輸入電流60a，採用強迫風冷。
(2) 該變頻器的主要特點:
a) 採用了新一代電力元件igbt作為驅動交流電動機的核心元件，應用高速微處理器實現正弦波脈寬調變(spwm)技術，具有無感測器向量控制及電壓/頻率(v/f)控制。
b) 配有rs-485介面，可與計算機聯結，構成計算機監控、群控系統。
c) 自動轉矩補償。 e) 禁止電機反轉。
d) 自動調整加減速時間。 f) 帶過載(過熱保護)。
(2) pid智慧型控制器
蘭利牌pid智慧型控制器乙個，型號:al808，單路輸入、輸出，輸出為4~20ma模擬訊號，測量精度0.2%。
(3) 壓力變送器
壓力變送器乙個型號:dg1300-bz-a-2-2，量程:0~1mpa，輸出4~20ma的模擬訊號。精確度0.5%fs。
5.2 系統的安裝與除錯
(1) 安裝
控制櫃安裝在空壓機房內，與原控制櫃分離，但與壓縮機之間的主配線不要超過30m。控制迴路的配線採用遮蔽雙絞線，雙絞線的節距在15m以下。另外控制櫃上裝有換氣裝置，變頻器接地端子按規定不與動力接地混用，以上措施增強了系統的穩定性、可靠性。
(2) 除錯
a)變頻器功能設定
00-09設定為00(v/f電壓頻率控制)
01-00最大操作頻率:設定為50hz(對應最大電壓380v)
01-01最大頻率:設定為50hz(等於電機額定頻率)
01-07上限頻率:設定為48hz
01-08下限頻率:設定為40hz
01-09第一加速時間:設定為10s
01-10第一減速時間:設定為10s
02-00設定為02，即由外部4~20ma輸入(aci)
02-01設定為01:執行指令由外部端子控制
02-02設定為00(以減速制動方式停止)
02-04設定為01:禁止反轉
02-07設定為00:aci斷線時減速至0hz
06-04設定為:150%(過載保護)，其它功能遵照變頻器出廠設定值。
b) pid引數的整定
由於用於控制變頻器，根據在不允許輸出訊號頻繁變化的應用系統中應選擇pi調節方式原則，因此只能採用pi調節方式，以減少對變頻器的衝擊。
在對pid進行引數整定的過程中，我們首先根據經驗法，將比例帶設定在70%，積分時間常數設定在60s;為不影響生產，我們採取改變給定值的方法使壓力給定值有個突變(相當於乙個階躍訊號)，然後觀察其響應過程(即壓力變化過程)。經過多次調整，在比例帶p=40%，積分時間常數ti=12s時，我們觀察到壓力的響應過程較為理想。壓力在給定值改變5min左右(約乙個多週期)後，振幅在極小的範圍內波動，對擾動反應達到了預期的效果。
(3) 除錯中其他事項
可以看出，整套改造裝置並不改變空壓機原有控制原理，也就是說原空壓機系統保護裝置依然有效。並且工頻/變頻切換採用了電氣及機械雙重聯鎖，從而大大的提高了系統的安全、可靠性。
我們在除錯過程中，將下限頻率調至40hz，然後用紅外線測溫儀對空壓機電機的溫公升及管路的油溫進行了長時間、嚴格的監測，電機溫公升約3~6℃之間，屬正常溫公升範圍，油溫基本無變化(以上資料均為以原有工頻執行時相比較)。所以40hz下限頻率執行對空壓機機組的工作並無多大的影響。
6 結束語
經過一系列的反覆調整，最終系統穩定在40.5~42.5hz的頻率範圍，管線壓力基本保持在0.
62mpa，供氣質量得到提高。改造後空壓機的執行安全、可靠，同時達到了水廠用氣的工藝要求。
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