空壓機變頻恒壓供氣控制系統的設計

1  引言
     

　 　　隨著(zhù)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。在空壓機供氣領(lǐng)域能否應用變頻調速技術(shù)，節省電能同時(shí)改善空壓機性能、提高供氣品質(zhì)就成為我們關(guān)心的一個(gè)話(huà)題。結合生產(chǎn)實(shí)際，我們選擇了一臺美國壽力LS-10型固定式螺桿空壓機進(jìn)行了研究。　　

2  空壓機加、卸載供氣控制方式簡(jiǎn)介
    作者以美國壽力LS-10型固定式螺桿空壓機電控原理圖(如圖3所示)為例,對加、卸載供氣控制方式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
SA1轉至自動(dòng)位置，按下起動(dòng)按鈕SB2，KT1線(xiàn)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(xiàn)圈得電動(dòng)作壓縮機電機開(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，使壓縮機從輕載開(kāi)始起動(dòng)。當KT達到設定時(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(xiàn)圈斷電釋放，KM2線(xiàn)圈得電動(dòng)作，空壓機電機從Y形自動(dòng)改接成△形運行。此時(shí)YV1斷電關(guān)閉，從儲氣罐放出的控制氣被切斷，進(jìn)氣閥全開(kāi)，機組滿(mǎn)載運行。(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，當超過(guò)設定的最小壓力值Pmin(也稱(chēng)為加載壓力)時(shí)，壓力調節器動(dòng)作，將控制氣輸送到進(jìn)氣閥，通過(guò)進(jìn)氣閥內的活塞，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。當管線(xiàn)壓力繼續上升超過(guò)壓力調節開(kāi)關(guān)(SP4)設定的最大壓力值Pmax(也稱(chēng)為卸載壓力)時(shí)，壓力調節開(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)，將分離罐內壓縮空氣放掉。
當管線(xiàn)壓力下降低于Pmin時(shí)，壓力調節開(kāi)關(guān)SP4復位(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，機組全負荷運行。　　

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是最低壓力值，即能夠保證用戶(hù)正常工作的最低壓力。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)百分數，其數值大致在10%～25%之間。
    而若采用變頻調速技術(shù)可連續調節供氣量的話(huà)，則可將管網(wǎng)壓力始終維持在能滿(mǎn)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較之變頻系統控制下的空壓機，所浪費的能量主要在2個(gè)部分:
(1) 壓縮空氣壓力超過(guò)Pmin所消耗的能量
在壓力達到Pmin后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會(huì )繼續上升(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)調節方法不合理所消耗的能量
    通常情況下，當壓力達到Pmax時(shí)，空壓機通過(guò)如下方法來(lái)降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機處于空轉狀態(tài)，同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過(guò)放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。
關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機空轉雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體作功，但空壓機在空轉中還是要帶動(dòng)螺桿做回轉運動(dòng)，據我們測算，空壓機卸載時(shí)的能耗約占空壓機滿(mǎn)載運行時(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，空壓機電機存在很大的節能空間。
3.2 其它不足之處
    (1) 靠機械方式調節進(jìn)氣閥，使供氣量無(wú)法連續調節，當用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調節進(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計
    針對原有供氣控制方式存在的諸多問(wèn)題，經(jīng)過(guò)上述對比分析，本人認為可應用變頻調速技術(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)壓力作為控制對象，壓力變送器YB將儲氣罐的壓力P轉變?yōu)殡娦盘査徒oPID智能調節器，與壓力設定值P0作比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運算，產(chǎn)生控制信號送變頻調速器VVVF，通過(guò)變頻器控制電機的工作頻率與轉速，從而使實(shí)際壓力P始終接近設定壓力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系統，另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻器來(lái)啟動(dòng)，實(shí)現了軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空壓機帶來(lái)的機械沖擊。
具體的控制系統流程圖如圖1所示。　　

圖1     恒壓供氣控制系統流程圖　　

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

5  系統元器件的選配及系統的安裝與調試
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電機型號:LS286TSC-4，功率22kW，頻率50Hz，額定電壓380V，額定電流42A，4極，轉速1470r/min，我們選用一臺“臺達牌”VFD300B43A型變頻器。因為LS-10型空壓機是一種大轉動(dòng)慣量負載，因此選用加大一級變頻器(30kW)，變頻器的外部接線(xiàn)如圖5所示。
a) 變頻器的主要參數
    l 輸出:最大適用電機輸出功率30kW，輸出額定容量45.7kVA，輸出額定電流60A，輸出頻率范圍0.10~400Hz，過(guò)載能力為額定輸出電流的150%，運行60s，最大輸出電壓對應輸入電源。
    l 輸入:3相，380~460V AC，50/60Hz，電壓容許變動(dòng)范圍±10%，頻率容許變動(dòng)范圍±5%。輸入電流60A，采用強迫風(fēng)冷。
(2) 該變頻器的主要特點(diǎn):
    a) 采用了新一代電力元件IGBT作為驅動(dòng)交流電動(dòng)機的核心元件，應用高速微處理器實(shí)現正弦波脈寬調制(SPWM)技術(shù)，具有無(wú)傳感器矢量控制及電壓/頻率(V/f)控制。
    b) 配有RS-485接口，可與計算機聯(lián)結，構成計算機監控、群控系統。
    c) 自動(dòng)轉矩補償。 e) 禁止電機反轉。
    d) 自動(dòng)調整加減速時(shí)間。  f) 帶過(guò)載(過(guò)熱保護)。
(2) PID智能控制器
    蘭利牌PID智能控制器一個(gè)，型號:AL808，單路輸入、輸出，輸出為4~20mA模擬信號，測量精度0.2%，廠(chǎng)家:深圳市亞特克電子有限公司。
(3) 壓力變送器
    壓力變送器一個(gè)型號:DG1300-BZ-A-2-2，量程:0~1Mpa，輸出4~20mA的模擬信號。精確度0.5%FS。廠(chǎng)家:廣州森納士壓力儀器有限公司。　　

5.2 系統的安裝與調試　　

圖3      空壓機電控原理圖　　

圖4    控制系統接線(xiàn)圖　　

(1) 安裝
    控制柜安裝在空壓機房?jì)?，與原控制柜分離，但與壓縮機之間的主配線(xiàn)不要超過(guò)30m?？刂苹芈返呐渚€(xiàn)采用屏蔽雙絞線(xiàn)，雙絞線(xiàn)的節距在15m以下。另外控制柜上裝有換氣裝置，變頻器接地端子按規定不與動(dòng)力接地混用，以上措施增強了系統的穩定性、可靠性。
(2) 調試
    a)變頻器功能設定
00-09設定為00(V/f電壓頻率控制)
01-00最大操作頻率:設定為50Hz(對應最大電壓380V)
01-01最大頻率:設定為50Hz(等于電機額定頻率)
01-07上限頻率:設定為48Hz
01-08下限頻率:設定為40Hz
01-09第一加速時(shí)間:設定為10S
01-10第一減速時(shí)間:設定為10S
02-00設定為02，即由外部4~20mA輸入(ACI)
02-01設定為01:運行指令由外部端子控制
02-02設定為00(以減速制動(dòng)方式停止)
02-04設定為01:禁止反轉                    02-07設定為00:ACI斷線(xiàn)時(shí)減速至0Hz
06-04設定為:150%(過(guò)載保護)，其它功能遵照變頻器出廠(chǎng)設定值。
    b) PID參數的整定
    由于用于控制變頻器，根據在不允許輸出信號頻繁變化的應用系統中應選擇PI調節方式原則，因此只能采用PI調節方式，以減少對變頻器的沖擊。
    在對PID進(jìn)行參數整定的過(guò)程中，我們首先根據經(jīng)驗法，將比例帶設定在70%，積分時(shí)間常數設定在60s;為不影響生產(chǎn)，我們采取改變給定值的方法使壓力給定值有個(gè)突變(相當于一個(gè)階躍信號)，然后觀(guān)察其響應過(guò)程(即壓力變化過(guò)程)。經(jīng)過(guò)多次調整，在比例帶P=40%，積分時(shí)間常數Ti=12s時(shí)，我們觀(guān)察到壓力的響應過(guò)程較為理想。壓力在給定值改變5min左右(約一個(gè)多周期)后，振幅在極小的范圍內波動(dòng)，對擾動(dòng)反應達到了預期的效果。
(3) 調試中其他事項
    從圖4可以看出，整套改造裝置并不改變空壓機原有控制原理，也就是說(shuō)原空壓機系統保護裝置依然有效。并且工頻/變頻切換采用了電氣及機械雙重聯(lián)鎖，從而大大的提高了系統的安全、可靠性。
我們在調試過(guò)程中，將下限頻率調至40Hz，然后用紅外線(xiàn)測溫儀對空壓機電機的溫升及管路的油溫進(jìn)行了長(cháng)時(shí)間、嚴格的監測，電機溫升約3~6℃之間，屬正常溫升范圍，油溫基本無(wú)變化(以上數據均為以原有工頻運行時(shí)相比較)。所以40Hz下限頻率運行對空壓機機組的工作并無(wú)多大的影響。　　

圖5    變頻器的外部接線(xiàn)圖　　

6  結束語(yǔ)
    經(jīng)過(guò)一系列的反復調整，最終系統穩定在40.5~42.5Hz的頻率范圍，管線(xiàn)壓力基本保持在0.62Mpa，供氣質(zhì)量得到提高。改造后空壓機的運行安全、可靠，同時(shí)達到了水廠(chǎng)用氣的工藝要求。