1 概述

空壓機是一種利用電能將氣體在壓縮腔內進行壓縮并使氣體具有一定壓力的設備?？諌簷C作為工業基礎設備，在冶金、礦山、紡織、生化等行業中有著廣泛的應用，它擔負著為工廠所有氣動部件提供氣源的職責，但是由于其自身結構的原因存在著明顯的技術弱點。傳統的空壓機供氣控制方式幾乎全部是采用加載、卸載的控制方式，即當輸出壓力大于設定壓力時，卸壓閥自動打開卸壓，使電動機空載運行，造成了能源的極大浪費;當輸出壓力低于設定壓力時，電動機又加載運行，由于電動機在工頻啟動時，啟動電流大，對電網沖擊比較大，電動機的軸承很容易磨損壞。此外由于頻繁加、減載，空壓機的進氣閥也極易損壞。

隨著變頻器技術的不斷發展和成熟，變頻調速技術在各種行業中的應用越來越廣泛。此外PLC 具有強大的工業控制功能，觸摸屏編程簡單，可以方便的實現人機交互的功能。由變頻器、PLC與觸摸屏組合所構成的閉環控制節能系統，已成為一種自動控制的發展趨勢。

2 傳統空壓機供氣系統中存在的缺點

傳統空壓機供氣系統如圖1 所示。

傳統空壓機供氣系統的工作狀態主要有兩種：一種是加載狀態，另一種是空載狀態。其電能浪費主要有如下幾個方面。

2.1 加載時的電能消耗

加載狀態是指在壓力為最小值后，將壓力繼續上升到最大壓力值的狀態。在加壓過程中,一定會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，其壓力需要經過減壓閥減壓，這一過程同樣也是一個耗能過程。

2.2 卸載時的電能消耗

在傳統空壓機供氣系統中，為了不頻繁啟動電機，所以在用氣量少時仍然要求電機空載運行，這種狀況當然是在浪費電能。另外，當壓力達到壓力最大值時，空壓機通過關閉進氣閥使電機處于空轉狀態，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空的方法來降壓卸載，顯然，這種調節方法也會造成很大的能量浪費。據測算，根據空壓機卸載時占運行時間的比例的不同，卸載損耗約占空壓機滿載運行時的10%耀30%。即在空壓機運行中，很多時間是處于空載狀態，在作無用功。

2.3 壓力波動的電能消耗

傳統空壓機的供氣系統對壓力的控制采取的是對上限、下限值的控制，即首先根據生產設備所要求的最低壓力，設定空壓機輸出壓力的下限，也就是空壓機開始加載的壓力;再在最低壓力上加0.1 MPa 左右，作為空壓機輸出壓力的上限，即開始卸載的壓力。這樣，空壓機的輸出工作壓力將在上下限之間波動。由于空壓機的功率消耗和輸出壓力成正比，所以輸出的壓力越高消耗的功率也越大。

3 空壓機變頻調速恒壓供氣原理

針對傳統空壓機供氣系統存在的缺點，采用PLC 與變頻器調速相結合構成了自動恒壓供氣系統，如圖2 所示。

此恒壓供氣系統中變頻器采用ABB-ACS550變頻器，根據PLC 發送過來的數據調節空壓機的轉速以達到調整產氣量的目的，從而使供氣量與用氣量平衡實現恒壓供氣，并且還可以將變頻器內部的運行參數反饋到PLC。

PLC 選用西門子S7-200小型PLC。PLC 作為控制單元，是整個系統的控制核心，主要作用是：

1)完成對系統各種數據的采集以及數字量與模擬量的相互轉換;

2)完成對整個系統的邏輯控制及PID 調節的運算;

3)向觸摸屏提供所采集及處理的數據，并執行觸摸屏發出的各種指令;

4)將PID運算的數據結果轉換成模擬信號，作為調節變頻器的輸出頻率的控制信號。

此外，PLC控制系統可以根據供氣壓力要求，控制空壓機的運行臺數，如圖3 所示。當1?？諌簷C調速到50 Hz 運行后仍然不能滿足供氣壓力要求時，即將1#空壓機切換為工頻運行，再變頻啟動2#空壓機，當1#、2#均在50 Hz 運行時壓力仍然不能滿足要求時，將2#空壓機也切換為工頻運行，然后再去控制3# 空壓機變頻運行;反之當用氣量減少供氣壓力將要變高時，便停掉1#空壓機，控制3#空壓機變頻運行，直至到控制最后一臺空壓機運行?？諌簷C切換順序可以在PLC程序中設定。

空壓機恒壓供氣系統中的壓力變送器、震蕩傳感器等檢測到的實際參數值被轉變成電信號后都會上傳至PLC。

4 變頻調速恒壓供氣特點

1)空壓機屬于恒轉矩負載，即轉矩在不同速度下保持不變，但所需功率和速度成正比，采用變頻調速使電機轉速降低，因而達到了節能的目的。

2)自動恒壓供氣系統的壓力設定可以是一點，即可以將滿足生產設備要求的最低壓力作為設定壓力，PLC 將根據管網壓力上下波動的趨勢，調節變頻器輸出的轉速快慢，從而消除了空壓機的卸載運行，節約了電能。

3)由于恒壓供氣使得管網壓力穩定，可以降低甚至消除壓力的波動，從而使系統中所有運行的空壓機都在一個滿足生產要求的較低的壓力下運行，這樣減少了壓力向上波動造成的功率損失。

4)由于壓縮機不能排除在滿負載狀態下長時間運行的可能性，所以只能按最大需求來決定電動機的容量，故電動機設計容量一般偏大，但在實際運行中，輕載運行的時間所占的比例非常高。采用變頻調速后，大大提高運行時的工作效率，因此節能潛力很大。

5)單電動機拖動系統大多不能根據負載的輕重連續地調節。而采用了變頻調速后，則可以十分方便地進行連續調節，能保持壓力、溫度等參數的穩定，從而大大提高壓縮機的工作性能。

5 改造實例

以曾經進行變頻節能改造的1 臺110 kW 空壓機為例，改造后系統運行曲線如圖4所示，變頻改造前后運行數據如表1 所列。

圖中曲線淤為變頻器運行頻率曲線(0 Hz 對應0%，50 Hz對應100%)，直線于為壓力設定值0.6 MPa，曲線盂為實際壓力值。從圖中可以看出為了保證實際值和設定值相等，變頻器運行頻率會隨負荷的變化而變化，運行頻率在35 Hz和40 Hz之間變化。

從表1 中的數據可以看出，經變頻節能改造后的自動恒壓供氣系統，節電效果明顯。

6 變頻改造注意事項

1)空壓機是大轉動慣量負載，變頻器在啟動這類負載時易出現跳閘過流保護的情況，建議采用具有高啟動轉矩的無速度傳感器矢量變頻器，這樣既能保證實現恒壓供氣的連續性，又可保證設備可靠穩定的運行。

2)空壓機電機不允許長時間在低頻下運行，所以工作下限應不低于20 Hz。

3)建議選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動時出現變頻器頻繁跳閘的情況。

4)為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，這樣還可以減少電機運行的噪音。

5)設計的系統應具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻器出現異?；虮Ｗo動作時，將變頻運行方式切換為工頻運行，從而不會影響生產。

7 結語

空壓機采用PLC控制的變頻調速自動控制系統，實現了自動恒壓供氣，使用方便，工作可靠，系統壓力恒定，具有較好的控制效果。最主要的是實現了高效節能，節能效果可達30%左右，同時由于采用變頻器實現了電機軟起動，所以減少了設備損耗，延長了空壓機的使用壽命。而觸摸屏的應用使用戶能夠簡單直觀地監控整個空壓機系統的運行狀況，從而提高了整個被控系統以及企業的自動化程度和硬件檔次。

作者簡介：

姜洪松，男，工程師，現就職于希杰(聊城)生物科技有限公司，負責項目的應用。