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    MD380系列變頻器空壓機改造

     

    一、概述

    隨著電力電子技術的發展,變頻器在調速領域中的應用越來越廣泛。它具有性能穩定,操作方便,節能效果明顯等優點。它是一種較為成熟的高科技產品,越來越受到國內外工程技術人員和管理人員的關注,?諌簷C是一種工礦企業中最常用的空氣動力提供設備, 電動機的容量一般都較大,而且大多數是常年連續運行的,故節電潛力很大,變頻器在空壓機上的節能技術改造取得了顯著的經濟效益和綜合效益。

    通?諌簷C分為螺桿式空壓機和活塞式空壓機。

    螺桿式空壓機工作原理

    螺桿式空壓機是由一對相互平行嚙合的陰陽轉子(或稱螺桿)在氣缸內轉動,使轉子齒槽之間的空氣不斷地產生周期性的容積變化,空氣則沿著轉子軸線由吸入側輸送至輸出側,實現螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程?諌簷C的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端,陰轉子的槽和陽轉子的齒被主電機驅動而旋轉。

    活塞式空壓機工作原理

    活塞式空壓機是由電動機帶動皮帶輪通過聯軸器直接驅動曲軸,帶動連桿與活塞桿,使活塞在壓縮機氣缸內作往復運動,完成吸入、壓縮、排出等過程,將無壓或低壓氣體升壓,并輸出到儲壓罐內。其中,活塞組件,活塞與汽缸內壁及汽缸蓋構成容積可變的工作腔,在曲柄連桿帶動下,在汽缸內作往復運動以實現汽缸內氣體的壓縮。(此種改造一般效果不如螺桿式明顯)

    1、空壓機系統控制的整個過程

    空壓機主電機運行方式為星型到三角降壓起動后再全壓運行. 加、卸載供氣控制方式為進氣閥開關控制方式,即壓力達到上限時關閥,壓縮機空載運行;壓力抵達下限時開閥,壓縮機加載運行。供氣系統具體工作流程為:當按下啟動按鈕,空壓機在卸載模式下啟動,這時進氣閥處于關閉位置,而排氣閥處于打開位置。等降壓完成后空壓機開始加載運行,系統壓力開始上升。如果系統壓力上升到壓力上限值,控制器使進氣閥關閉,壓縮機空載運行,直到系統壓力降到壓力下限值后,控制器使進氣閥重新打開,排氣閥關閉,壓縮機打開,壓縮機滿載運行,不斷重復上述過程。空氣壓縮機的排氣量和壓力,在運轉中也不是不變的,常因工況變化導致用氣量變化,所以空氣壓縮機工作時總是在重復滿載-卸荷工作方式。滿載時的工作電流接近電動機的額定電流,卸荷時的空轉電流約為30-50%電動機額定電流,這部分電流不是做有用功,而是機械在額定轉速下的空轉損耗。這種機械式調節裝置雖然也能起到壓力調節作用,但是壓力調節精度低,壓力波動大。壓縮機總是在額定轉速下工作,機械磨損大,電耗高。 

    2、沒有采用變頻器控制時有以下缺點

    1.2.1 工頻起動設備時的沖擊大,對電機軸承的磨損大,所以設備維護成本較高。

    1.2.2  雖然都是降壓啟動,但起動時的電流仍然很大,會影響電網的穩定及其它用電設備的運行安全.而且大多數是連續運行,由于一般空氣壓縮機的拖動電機本身不能調速,電機又不允許頻繁啟動,所以只有使用經常卸載和加載的方法來調節.這樣使整個氣網壓力經常變化,不能保持恒定的供氣壓力,另外也影響壓縮機的使用壽命?諌簷C的有些調節方式(如調節閥門或調節卸載等方式)即使在需要流量較小的情況下,由于電機轉速不變,電機功率下降幅度比較小。

    1.2.3  由于空壓機不能排除在滿負荷下長時間運行的可能性,所以只能按最大需要設計電動機的容量,設計余量一般都偏大,這樣會導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行, 因此就不能直接使用氣壓力與供氣壓力達到穩定,造成供氣壓力忽大忽小,也不能降速調節輸出功率實現真正匹配,造成電能嚴重浪費。

    3、采用變頻器進行轉速控制的優點 
     
    1.3.1  壓縮機的使用壽命延長

    空壓機裝了變頻器后,變頻器也沖當了軟起動器, 變頻器從低頻起動壓縮機,它的起動加速時間可以調整,從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊,增強系統的可靠性,使壓縮機的使用壽命延長。此外,變頻控制能夠減少機組起動時電流波動,這一波動電流會影響電網和其它設備的用電,

    1.3.2  提高壓力控制精度

    變頻器基于交直交電源變換原理,可根據控制對象的需要輸出頻率連續可調的交流電壓。通過改變空壓機的電機轉速來調節流量,空壓機的供氣量也隨著改變,由于利用壓力變送器對儲氣罐里的壓力不間斷的采樣.當用氣量的改變,供氣量會根著而改變,達到真正的供需的動態平衡,消除了氣罐里壓力的不穩定

    1.3.3  節約能源

    在節能的同時,使整個系統達到最佳。因此,用變頻器輸出可調的交流電壓作為空壓機電動機的電源電壓,可方便地改變空壓機的轉速,實現真正的匹配來達到節電目的.

    4、空壓機變頻節能原理

    采用變頻器控制空壓機的轉速以達到節能是一種較為科學的控制方法。根據空壓機運行特性知:

    Q1 / Q2 = n1 / n2

    H1 / H2 = n1 / n22

    P1 / P2 = n1 / n23

    式中Q———空壓機供給管網的供氣量;

    H———管網氣壓力;

    P———電機消耗功率;

    n———空壓機轉速

    由上式可知,當電機轉速降至額定轉速的70%,則空壓機供給管網風量降為70%,管網壓力降為49%,電機消耗功率則降為65.7%,去除電機機械損耗和電機銅、鐵損耗等影響,我們這里按上述損耗為8%,節能效率接近42.3%,這就是調速節能的原理所在。

    空氣壓縮機采用變頻調速技術進行恒壓供氣控制時,系統原理框圖如圖1所示!

     

    恒壓供氣節能原理

    如上所述,氣流量是供氣系統的基本控制對象,供氣流量需要隨時滿足用氣流量。在供氣系統中,儲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系:

       供氣流量 > 用氣流量      儲氣罐氣壓↑

       供氣流量 < 用氣流量      儲氣罐氣壓↓

       供氣流量 = 用氣流量      儲氣罐氣壓不變

    用氣需求↑ —— 儲氣罐氣壓↓—— 壓力設定值與返饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機電機轉速↑ —— 供氣流量↑—— 這時氣壓又趨于穩定

    特別注意,在壓力容差范圍內,變頻器的PID不調節,即保持輸出頻率不變。

    所以,保持管道中的氣壓恒定,就可保證該供氣能力恰好滿足用氣需求,這就是恒壓供氣系統所要達到的目的.

                                                                                                                      

    5.具體方案如下圖:

     


     

    空壓機電機的電路上安裝了“工頻”、“變頻”接觸器,這樣可以有“工頻電運行”與“變頻運行”.工頻運行模式下,變頻器不工作,整套系統按原有方式起停、工頻運行;節電運行模式下,空壓機由變頻器直接拖動,系統根據用氣量的變化,自動調節空壓機的電機轉速,使得儲氣罐始終保持恒定壓力的氣壓輸出。長期實踐證明,在供氣系統中接入變頻節能系統,利用變頻技術改變空壓機轉速來調節管道中的壓力,以取代閥門調節方式,能取得明顯的節能效果,一般節電率都在30%以上。變頻調速系統將管網壓力作為控制對象,裝在儲氣罐出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變為電信號送給變頻器內部的PID調節器,與壓力給定值進行比較,并根據差值的大小,按既定的PID控制模式進行運算,產生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和輸出變頻率,調整電動機的轉速,從而使實際壓力始終維持在給定壓力。另外,采用該方案后,空氣壓縮機電動機從靜止到穩定轉速可由變頻器實現軟啟動,避免了啟動時的大電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。正常情況下,空氣壓縮機在變頻器調速控制方式下工作。變頻器一旦出現故障,生產工藝不允許空氣壓縮機停機,因此系統設置了工頻與變頻切換功能,這樣當變頻器出現故障時,可由工頻電源通過接觸器直接供電,使空氣壓縮機照常工作。

     

    空壓機變頻改造注意事項

      1)空壓機是大轉動慣量負載,這種啟動特點就很容易引起V/F控制方式的變頻器在與電機相同功率時,在啟動時可能出現跳過流保護的情況,建議選用變頻器將其放大一個等級,這樣就保證即能實現恒壓供氣連續性,又保證設備可靠穩定的運行;

      2)空壓機不允許長時間在低頻下運行,當空壓機的轉速過低,一方面將使空壓機的工作穩定性變差,另一方面也使缸體的潤滑變差,會加快磨損。所以工作的下限頻率應不低于20Hz;

    3)為了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,建議選用輸出交流電抗器,還可以減小電機運行噪音和溫升,提高電動機的穩定性。

     

    6、 節能效果及綜合效益分析
       改造前,該公司共有6,其中37KW共有3,30KW共有2,22KW1,總193KW,22K一般不開機,其它所有空壓機工作時都是80%滿載運行,車間用氣量很大,幾乎沒有空載運行時間,也不存在頻繁的加載和卸載,并且機房是在樓頂,如果到了天氣較熱時變頻器散熱效果會很差,變頻器在這樣的環境下工作會嚴重縮短壽命,通常機房在樓頂時節能改造時變頻器應相對放大一個等級,相對來說節能效果也不會太高。綜合上述特殊性,我們建議在該節能改造方案實施之前,可以先試裝一臺37KW變頻器改造其中一臺37KW空壓機,這樣的好處在于:首先,實測變頻節能改造的真實效果;其次,檢驗變頻器散熱效果如何、判定在節能改造時變頻器是否應相對放大一個等級、盡可能的把節能改造費用降為最小。

    節能變頻改造后空壓機運行頻率經常在40HZ左右,運行電流平均為65%滿載,空壓機平均每天工作24小時,每月工作26天?諌簷C每月用電量計算如下:
      W=W×24×26
        =171×0.8×24×26
        =85363 ()
      W=171×0.65×24×26
       =69357(度)
      每月節省電量= W前-W
      =8536369357
      =16006(度)
      按每度電0.6元計算,每月可節省電費=16006×0.6=9603(元)


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