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1  引言
     空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用。在供水行業(yè)中，它擔(dān)負(fù)著為水廠所有氣動(dòng)元件，包括各種氣動(dòng)閥門，提供氣源的職責(zé)。因此它運(yùn)行的好壞直接影響水廠生產(chǎn)工藝。
    空壓機(jī)的種類有很多，但其供氣控制方式幾乎都是采用加、卸載控制方式。例如我廠使用的南京三達(dá)活塞式空壓機(jī)、美國(guó)壽力螺桿壓縮機(jī)和Atlas螺桿式空壓機(jī)都采用了這種控制方式。根據(jù)我們多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該供氣控制方式雖然原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，但存在能耗高，進(jìn)氣閥易損壞、供氣壓力不穩(wěn)定等諸多問(wèn)題。
隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，高效低耗的技術(shù)已愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注。在空壓機(jī)供氣領(lǐng)域能否應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，節(jié)省電能同時(shí)改善空壓機(jī)性能、提高供氣品質(zhì)就成為我們關(guān)心的一個(gè)話題。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，我們選擇了一臺(tái)美國(guó)壽力LS-10型固定式螺桿空壓機(jī)進(jìn)行了研究。

2  空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式簡(jiǎn)介
    作者以美國(guó)壽力LS-10型固定式螺桿空壓機(jī)電控原理圖(如圖3所示)為例,對(duì)加、卸載供氣控制方式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
SA1轉(zhuǎn)至自動(dòng)位置，按下起動(dòng)按鈕SB2，KT1線圈得電，其瞬時(shí)閉合延時(shí)斷開(kāi)的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，KM3和KM1線圈得電動(dòng)作壓縮機(jī)電機(jī)開(kāi)始Y形起動(dòng);此時(shí)進(jìn)氣控制閥YV1得電動(dòng)作，控制氣體從小儲(chǔ)氣罐中放出進(jìn)入進(jìn)氣閥活塞腔，關(guān)閉進(jìn)氣閥，使壓縮機(jī)從輕載開(kāi)始起動(dòng)。當(dāng)KT達(dá)到設(shè)定時(shí)間(一般為6秒后)其延時(shí)斷開(kāi)的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)，延時(shí)閉合的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，KM3線圈斷電釋放，KM2線圈得電動(dòng)作，空壓機(jī)電機(jī)從Y形自動(dòng)改接成△形運(yùn)行。此時(shí)YV1斷電關(guān)閉，從儲(chǔ)氣罐放出的控制氣被切斷，進(jìn)氣閥全開(kāi)，機(jī)組滿載運(yùn)行。(注:進(jìn)氣控制閥YV1只在起動(dòng)過(guò)程起作用，而卸載控制閥YV4卻在起動(dòng)完畢后起作用。)
    若所需氣量低于額定排氣量，排氣壓力上升，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的小壓力值Pmin(也稱為加載壓力)時(shí)，壓力調(diào)節(jié)器動(dòng)作，將控制氣輸送到進(jìn)氣閥，通過(guò)進(jìn)氣閥內(nèi)的活塞，部分關(guān)閉進(jìn)氣閥，減少進(jìn)氣量，使供氣與用氣趨于平衡。當(dāng)管線壓力繼續(xù)上升超過(guò)壓力調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)(SP4)設(shè)定的大壓力值Pmax(也稱為卸載壓力)時(shí)，壓力調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，電磁閥YV4掉電。這樣，控制氣直接進(jìn)入進(jìn)氣閥，將進(jìn)氣口完全關(guān)閉;同時(shí)，放空閥在控制氣的作用下打開(kāi)，將分離罐內(nèi)壓縮空氣放掉。
當(dāng)管線壓力下降低于Pmin時(shí)，壓力調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)SP4復(fù)位(閉合)，YV4接通電源，這時(shí)通往進(jìn)氣閥和放空閥的控制氣都被切斷。這樣進(jìn)氣閥重新全部打開(kāi)，放空閥關(guān)閉，機(jī)組全負(fù)荷運(yùn)行。

3  加、卸載供氣控制方式存在的問(wèn)題
3.1 能耗分析
    我們知道，加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin～Pmax之間來(lái)回變化。Pmin是低壓力值，即能夠保證用戶正常工作的低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關(guān)系可以用下式來(lái)表示:
Pmax＝(1＋δ)Pmin  (1)
δ是一個(gè)百分?jǐn)?shù)，其數(shù)值大致在10%～25%之間。
    而若采用變頻調(diào)速技術(shù)可連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量的話，則可將管網(wǎng)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、卸載供氣控制方式下的空壓機(jī)較之變頻系統(tǒng)控制下的空壓機(jī)，所浪費(fèi)的能量主要在2個(gè)部分:
(1) 壓縮空氣壓力超過(guò)Pmin所消耗的能量
在壓力達(dá)到Pmin后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會(huì)繼續(xù)上升(直到Pmax)。這一過(guò)程中必將會(huì)向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致能量損失。
另一方面，高于Pmin的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)元件前，其壓力需要經(jīng)過(guò)減壓閥減壓至接近Pmin。這一過(guò)程同樣是一個(gè)耗能過(guò)程。
(2) 卸載時(shí)調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量
    通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到Pmax時(shí)，空壓機(jī)通過(guò)如下方法來(lái)降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過(guò)放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。
關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)空轉(zhuǎn)雖然可以使空壓機(jī)不需要再壓縮氣體作功，但空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是要帶動(dòng)螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，據(jù)我們測(cè)算，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的10%～15%(這還是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機(jī)10%的時(shí)間處于空載狀態(tài)，在作無(wú)用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。
3.2 其它不足之處
    (1) 靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)。用氣精度達(dá)不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，會(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。
    (2) 頻繁采用打開(kāi)和關(guān)閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。

4  恒壓供氣控制方案的設(shè)計(jì)
    針對(duì)原有供氣控制方式存在的諸多問(wèn)題，經(jīng)過(guò)上述對(duì)比分析，本人認(rèn)為可應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制。采用這一方案時(shí)，我們可以把管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，壓力變送器YB將儲(chǔ)氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給PID智能調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定值P0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)送變頻調(diào)速器VVVF，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P始終接近設(shè)定壓力P0。同時(shí)，該方案可增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護(hù)系統(tǒng)，另外，采用該方案后，空壓機(jī)電機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來(lái)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空壓機(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊。
具體的控制系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1     恒壓供氣控制系統(tǒng)流程圖

    變頻與工頻電源的切換電路如圖2所示; 空壓機(jī)電控原理圖如圖3所示;變頻調(diào)速控制系統(tǒng)接線圖見(jiàn)圖4。

5  系統(tǒng)元器件的選配及系統(tǒng)的安裝與調(diào)試
5.1 元器件的選型
(1) 變頻器

圖2      變頻和工頻電源的切換電路
    LS-10型固定式螺桿壓縮機(jī)電機(jī)型號(hào):LS286TSC-4，功率22kW，頻率50Hz，額定電壓380V，額定電流42A，4極，轉(zhuǎn)速1470r/min，我們選用一臺(tái)“臺(tái)達(dá)牌”VFD300B43A型變頻器。因?yàn)長(zhǎng)S-10型空壓機(jī)是一種大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，因此選用加大一級(jí)變頻器(30kW)，變頻器的外部接線如圖5所示。
a) 變頻器的主要參數(shù)
    l 輸出:大適用電機(jī)輸出功率30kW，輸出額定容量45.7kVA，輸出額定電流60A