论述冶金用空压机变频技术

2021-11-12巫亮云

中国金属通报 2021年13期

巫亮云

（广西华磊新材料有限公司动力厂，广西平果 531499）

在我国冶金行业发展过程中普遍会出现空压机的功率过大、耗电量过高以及所需要投资的成本较多的问题。这是因为空压机通常是将三相异步电动机作为起步的动力，或者利用Y－△这项技术在启动机器时对其进行降压处理。如果在使用时直接驱动动力可能会造成电流波动过大，从而无法很好的维持机械冲击与电气保护，同时在运行中压力还会出现不稳定的情况。而采取变频控制技术则能很好的避免这些问题。这项技术具有一定的优越性，在运行过程中可以保持机器处于稳定的状态，使得控制的精度随之提高，并且对电动机的保护也更加全面和可靠。综合考虑，使用变频控制技术对控制的过程和结果都是百利而无一害的。

1 空压机工作原理

在使用空压机时需要采取科学有效的控制措施来保持其平稳运行，而目前最常使用的是装置是压力检测装置，其主要原理是当缸内的压力超过正常的范围的时候，就会启动该装置致使空压机停止运行的状态或者阻止空压机自行开始工作，以此来保证空压机可以处在正常的压力范围内运行。一般情况下，在使用空压机时都会在内部放置大量的检测控制装置以维持机器内部平稳的运行状态，而最常见的使用措施就是对其进行启停控制。若想很好地保障空压机维持平稳运行的状态，则需要对其每个部分和各个要点的工作情况进行大致了解，从而选择最恰当的方式。而要想控制好整机电气，电路板的集成作用是不可忽视的。在出口处设置压力限定范围，一旦压力超出该范围后就会自动关闭进气口，随后进一步打开内循环系统保持内部稳定，这样就能使其维持在一个恰当又合适的状态中。

压力通常在输送气体时发挥极为重要的作用，可以说是输送气体的主力军。如果想要利用好压力对气体产生的推动作用，就要将压力值控制在人为可控的适当范围内。在使用空压机时，使用者需要了解其内部处于何种状态以及压力所处的大致范围。正常情况下，使用空压机时通常会因为机器重复进行某项工作而导致内部压力呈折线上升趋势增加，这时就能够通过观察折线上升和下降的状态了解空压机内部运行的状态:折线上升则代表空压机已经开始自动工作，下降则代表空压机已经停止运行。

2 变频技术的使用特点

2.1 变频技术的论述

变频技术的合理运用可以有效控制设施的频率，所以在使用该项技术的过程中需要充分了解变频器的运用原理（此时可以参照直流电源和交流电源转换两个理论）。与此同时，变频技术还容纳了电子控制法和微计算机控制法来对设备输出的功率进行合理控制。在使用时可以将变频器与接口部分相连，通过转换变化频率对空压机的转速进行科学地控制，这样能够对能源起到很好的节约作用。

2.2 变频技术存在的优势

（1）冲击性较小。在对空压机进行变频处理之后，可以有效缓解空压机内部机械冲击的强大力量。

（2）节能效果良好。为了确保空压机的转速处在适当范围内，以及合理地控制排量和电源的频率状态，工作人员需要借助变频技术对其进行操作处理，这能够有效降低系统所受到的过大压力。同时当空压机持续保持在低压力的运行状态下，这项技术的使用也能够降低资源的使用量，从而达到节约资源的作用。

（3）压力调节准确性较高。旧式空压机的变化频率波动幅度较大，很难确定在一个固定的范围之内，所以会给工作人员造成极大的工作负担。他们必须对压力进行有效的、合理的控制，以此来确保其在可控范围内运动。这种做法能够有效节约资源的使用，在避免浪费的同时维护空压机平稳的运行。

（4）较少噪音。值得注意的是，变频技术还能够调控电机在运转时所产生的速度，如果速度过快在使用过程中会出现噪音，严重者还会造成噪音污染。为了解决这一问题，可以将智能监控系统融入变频技术之中，利用变频的控制器将速度保持在正常范围内，并且同时加强对空压机出风量的控制。具体操作如下图1。

图1 变频技术操作示意图

上图1中各项操作可以说一目了然，总的来说，就是需要先设定一个合理的压力，再利用PID对设备输出的功率，而在进行调节操作之前，还需要计算出频率的相关数值。只有按照步骤进行如上操作，才能够保障电动机的转速达到正常的范围。在将预期管理压力控制到合理范围之后，还需要对空压机的压力进一步进行控制。这是由于在使用空压机的管路时，管路内部的压力会产生波动，随之带动转速发生变化，所以要先控制好转速使其达到稳定状态后，自然而然地将压力控制在稳定的范围状态内。旧式空压机的内部仍不完善，为了保证其平稳运行则需要增加实时监控系统检测内部情况。

与众多机器一样，空压机也包含众多参数信息。工作人员要想掌握这些参数，则需要借助实时监控系统进行了解。实时监控系统可以通过观察机体温度，了解其是否在运行过程中存在故障，其中最为常见的方法是冷却水出口的水温测定法。这种方法的主要检测方式是通过监测冷却水的水温来确保水泵保持正常运行的状态。润滑油监测法则是另一种方法，而正确地利用这一方法进行检测可以了解到润滑油的供给量是否充足，避免因为润滑油过少而阻碍机体运行。

3 螺杆空压机供气控制方式简介

螺杆式空压缩机结构复杂，运行时间长，故而所需配备的电动机功率也极大，同时其设计也显得沉重冗杂。在运行时，螺杆式空压缩机的气量会出现变化。下图将以英格索兰ML250螺杆空压机的电控图（见图2）为例阐述空压机供气控制的原理。

图2 原空压机电控原理图

现如今，最为常见的空压机启动方法有（Y－△）起动方式和三相异步电动机直接驱动两种方式。而对空压机各点的检测则包含压缩空气的温度、压力，冷却水压力、油压、油温等等方面，具体有触摸屏智能控制器集中控制、两点式控制（加、卸载控制）或起停式控制三种方式。

在启动智能控制器之后，KM1、KM3线圈就会受电进行运动，压缩机的电动机也会呈y形起伏，大约在十秒后KM3会失去电力的支持，KM2又接续开始受电运动，此时的压缩机的电动机由星型转向三角形进行波动。随后断油电磁阀受电流影响呈打开状，顺势将润滑油喷入压缩机室，此时的压缩机呈空载状况进行运动。

如果管网压力低于最小值，步进电动机的控制进气阀会逐渐打开，使空压机由空载运行转向满载运行。当压力值高于最大值时，此时气缸内的压力已经超过设定值的上限，空压机会受其影响关闭进气阀并同步打开内循环的管路，保持自循环卸载运行甚至直接停止运行。有实践结果表明，如果频繁进行加载和卸载运动或者频繁启动的话，对电网和供配电器保护设备造成的损害不可估量，更有甚者会直接导致能源的浪费。一般来说，空压机空转运行时，电力负荷保持在满负荷的30%～60%，如果重新启动则会增大空压机内部的电流，此时的电流大概会超过额定电流的5到7倍。

4 空压机能耗分析

空压机在使用加载和卸载控制方式时，会对气体进行压缩，保持其压力在pmin～pmax之间，pmin意味着压力值最低峰值，此时能保证用户进行正常的工作;pmax则相反，意味着最高峰值。而两者之间的关系可以用如下公式进行表示:

δ是一个百分数，其数值大致在10%～25%之间。

变频调速技术的应用可以帮助供气量持续进行调节，这样就能保障管网压力保持在供气的工作压力之上（即pmin附近）。

根据笔者的调查可以发现，空压机在进行加、卸载供气控制的时候，通常会在两个方面损耗能源，结果如下:

（1）压缩空气压力超过pmin所消耗的能量。在原控制方式的作用下，压力即使达到达到pmin后，压力值也会继续上升直至pmax。在上升的过程中产生的大量热量会向外界释放，这不利于节约能源目标的实现。除此之外，高于pmin的气体只有经过减压阀减压才能真正完整的进入气动元件中，在这一过程也极容易造成能源的损耗。

（2）卸载时调节方法不合理所消耗的能量。一般来说，为了防止压力达到pmax，空压机通常采取以下方法进行降压:首先需要关闭进气阀，确保电动机停止运行保持空转;然后将罐中压缩出来的多余空气从放空阀中卸出。但这一方法有利也有弊，其弊处在于会造成资源和能源的过度浪费。这是因为即使将进气阀关闭，保持电动机空转也无法长期确保空压机处于空载状态。准确来说，关闭进气阀后的空压机仍会作出回转运动，甚至占据了90%的时间。这往往白费努力，进而造成大量的能源浪费。而在卸载供气控制装置的辅助下，空压机的能源能够得到有效的利用，减少浪费的产生。

5 变频螺杆空压机的控制原理

变频控制空压机系统流程图如图3所示，变频控制空压机根据用气量自动改变主机转速，及时反映系统压力的变化，保持系统压力稳定；当系统耗气量降低时，压缩机提供的压缩空气量将大于系统的消耗量。变频压缩机将降低转速并输出压缩空气量，以保持系统压力稳定。如果系统耗气量增加，压缩机提供的压缩空气量将小于系统耗气量，变频压缩机的转速将相对增加，压缩空气量将输出以保持系统压力稳定。这种运行方式使变频压缩机能够直接、快速地反映系统的压力变化，并提供系统消耗所需的风量变化。通过这种运行方式，变频压缩机可以在输出风量和能耗之间保持最佳的运行效率。管网压力可以作为控制对象。压力变送器YB将储气罐压力P转换成电信号，送PID智能调节器与压力设定值p0进行比较。根据差值的大小，按既定的PID控制方式进行操作，并将控制信号送至变频器控制电机的工作频率和转速，使实际压力p始终接近设定压力p 0，通过变频器将空压机电机从静止启动到旋转启动，实现了软启动，避免了启动对空压机的冲击电流和机械冲击。