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摘要：螺桿式空壓機(jī)是目前空壓機(jī)市場(chǎng)上的主要機(jī)種，市場(chǎng)占有率很高，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、維修方便等特點(diǎn)。在空壓機(jī)系統(tǒng)中引入變頻器的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供氣，可以有效地提高空壓機(jī)的供氣質(zhì)量、減少電能消耗及延長(zhǎng)部件和整機(jī)的使用壽命。本文以某空壓機(jī)生產(chǎn)廠家為例介紹奧卓爾QD800系列變頻器在空壓機(jī)行業(yè)的控制方法和優(yōu)勢(shì)。

一、  螺桿式空壓機(jī)及其傳統(tǒng)的控制方式介紹

螺桿式空壓機(jī)取代易損件多、可靠性差的活塞式空壓機(jī)，已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。目前西方發(fā)達(dá)國(guó)家螺桿空壓機(jī)市場(chǎng)占有率為80%，并持續(xù)保持上升趨勢(shì)。

空壓機(jī)系統(tǒng)傳統(tǒng)的控制方式一般由電機(jī)運(yùn)行控制和加卸載供氣控制方式組成。電機(jī)運(yùn)行控制依靠接觸器和斷開(kāi)和吸合來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(dá)到上限時(shí)關(guān)閥，壓縮機(jī)空載運(yùn)行；壓力抵達(dá)下限時(shí)開(kāi)閥，壓縮機(jī)加載運(yùn)行?？諝鈮嚎s機(jī)的排氣量和壓力，在運(yùn)轉(zhuǎn)中是不斷變化的，常因工況變化導(dǎo)致用氣量變化，所以空氣壓縮機(jī)工作時(shí)總是在重復(fù)滿載－卸荷工作方式。滿載時(shí)的工作電流接近電動(dòng)機(jī)的額定電流，卸荷時(shí)的空轉(zhuǎn)電流約為30-50％電動(dòng)機(jī)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(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設(shè)備的產(chǎn)生巨大的沖擊；

2.機(jī)械沖擊很大：電動(dòng)機(jī)及壓縮機(jī)經(jīng)常的啟停，對(duì)于機(jī)械部件和氣路及元器件沖擊很大，增加空壓機(jī)和供氣系統(tǒng)的維護(hù)工作和成本，同時(shí)影響系統(tǒng)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(diào)節(jié).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(fèi)嚴(yán)重：卸載時(shí)電機(jī)在工頻下空載運(yùn)行，加載時(shí)因?yàn)閴毫ι舷拗档脑?，電機(jī)要在超出系統(tǒng)壓力的水平的負(fù)載水平上運(yùn)行，因此這兩個(gè)工作狀態(tài)都會(huì)對(duì)產(chǎn)生能源的浪費(fèi)，而當(dāng)供氣需求變化較大時(shí)，產(chǎn)生的浪費(fèi)尤為明顯。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)顯示，空壓機(jī)負(fù)載率平均僅為60%。 

二、  變頻調(diào)速和恒壓供氣

針對(duì)傳統(tǒng)供氣控制方式存在的諸多問(wèn)題，越來(lái)越多的空壓機(jī)廠商開(kāi)始應(yīng)用變頻調(diào)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(duì)象，壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給空壓機(jī)控制器，控制器將采集來(lái)的壓力與壓力設(shè)定值作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)送至變頻器，通過(guò)變頻器控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力始終接近設(shè)定壓力。

這樣的工作模式可以顯著地提高壓縮空氣質(zhì)量和電能的利用率。同時(shí)，采用該方案后，有以下優(yōu)勢(shì)：

1.有功節(jié)電：由于空壓機(jī)工作的特殊性，在電機(jī)轉(zhuǎn)速降低的情況下，有功節(jié)電（有功節(jié)電的意義在于可以直接節(jié)約電費(fèi)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(wěn)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(yīng)好，加上功率裕量大，完全可以滿足甚至勝任低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)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(diào)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(diào)的，所以啟動(dòng)、停止平穩(wěn)無(wú)沖擊，從而延長(zhǎng)了空壓機(jī)使用壽命。

5.降低故障率：采用變頻器調(diào)速系統(tǒng)，可以大大減少閥門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉次數(shù)，從而減少了系統(tǒng)因閥門(mén)的頻繁開(kāi)啟閉合引起機(jī)械磨損而造成的故障。 

三、  變頻調(diào)速恒壓供氣原理

流量是供氣系統(tǒng)的基本控制對(duì)象，供氣流量需要隨時(shí)滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中，儲(chǔ)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(chǔ)氣管氣壓上升

若供氣流量 < 用氣流量   →   儲(chǔ)氣管氣壓下降

若供氣流量 = 用氣流量   →   儲(chǔ)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足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達(dá)到的目的。

空氣壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí)，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

 圖1：恒壓供氣系統(tǒng)原理圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率，調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)電動(dòng)機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)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(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機(jī)在變頻器調(diào)速控制方式下工作。變頻器一旦出現(xiàn)故障，生產(chǎn)工藝不允許空氣壓縮機(jī)停機(jī)，因此，系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻切換功能，這樣當(dāng)變頻器出現(xiàn)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(jī)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(shè)定值與返饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速↑ —— 供氣流量↑—— 管路氣壓趨于穩(wěn)定。

圖2：工變頻方案供氣壓力對(duì)比圖

四、  空壓機(jī)使用變頻器時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)

1.保證啟動(dòng)力矩：空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)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(xiàn)跳過(guò)流保護(hù)的情況，建議選用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無(wú)速度傳感器矢量變頻器，保證即能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣連續(xù)性，又保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行；

2.設(shè)置頻率下限：空壓機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行，當(dāng)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)低，一方面將使空壓機(jī)的工作穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體的潤(rùn)滑變差，會(huì)加快磨損，所以工作的下限頻率應(yīng)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(cè)功率因數(shù)，降低線損；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(jī)運(yùn)行噪音和溫升，提高電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。大功率電機(jī)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(jī)系統(tǒng)接線方案

圖3：變頻器推薦接線圖

5.2、系統(tǒng)調(diào)試步驟

5.2.1主變頻調(diào)試

第一步：按照系統(tǒng)接線圖接線，并檢查接線是否正確。調(diào)試前務(wù)必檢查接線正確及把地線接好（變頻地和外殼地連好）；

注：頻率給定信號(hào)為4~20mA電流信號(hào)，相應(yīng)的模擬量輸入端口選擇電流信號(hào)。

第二步：首先F05.01=1,恢復(fù)出廠設(shè)置，輸入電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自辨識(shí)。

注：一定要按照電機(jī)銘牌設(shè)置電機(jī)參數(shù)，以保證變頻器矢量控制性能。

第三步：根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置變頻器參數(shù)。

5.2.2 變頻器參數(shù)表 給出了一份參數(shù)設(shè)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(jī)接線。

第五步: 試運(yùn)行，查看整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中空壓機(jī)是否運(yùn)行平穩(wěn)，輸出電流電壓是否正常。

5.2.2變頻器參數(shù)表                                           

變頻器調(diào)制參數(shù)，見(jiàn)表1 變頻器參數(shù)表：

六、結(jié)束語(yǔ)

奧卓爾QD800系列變頻器在螺桿式空壓機(jī)上的應(yīng)用，相比于工頻運(yùn)行模式，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。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(hù)、負(fù)載突變轉(zhuǎn)矩響應(yīng)方面的表現(xiàn)也堪稱完美。工頻切換回路的保留也給了系統(tǒng)更靈活的配置選擇。