低壓大功率變頻器在空壓機(jī)上的應(yīng)用與研究教學(xué)文案

1、低壓大功率變頻器在空壓機(jī)上的應(yīng)用與研究一、成果來源亨健煤礦位于邯鄲市境內(nèi)， 2006年 11 月加入邯礦以來，經(jīng)過一 系列的技術(shù)改造， 現(xiàn)在的產(chǎn)能為 110 萬噸。亨健礦的壓風(fēng)機(jī)分為井上 和井下。井上的壓風(fēng)機(jī)為兩臺(tái)復(fù)盛公司的 SA250A型40立方螺桿式空 氣壓縮機(jī)。隨著煤礦的發(fā)展，產(chǎn)量的提高，設(shè)備耗能高的現(xiàn)象日漸凸 顯，為響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召， 礦領(lǐng)導(dǎo)決定對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行必要的 升級(jí)改造。 經(jīng)過礦領(lǐng)導(dǎo)的多方調(diào)查研究， 決定選用 2臺(tái)山東新風(fēng)光電 子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 JD-BP33-315 低壓大功率變頻器對(duì) 2 臺(tái) SA-250螺桿式空氣壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。二、性質(zhì)用途JD-BP 系列

2、低壓變頻器是山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司采用 全新理念自主開發(fā)的一系列高性能，簡易型、低噪音新型變頻器。在 提高穩(wěn)定性的前提下增加了簡易 PLG實(shí)用的PI調(diào)節(jié)，靈活的輸入 輸出端子、參數(shù)在線修改、 自識(shí)別信號(hào)傳輸故障、停電和停機(jī)參數(shù)存 儲(chǔ)、定長控制、擺頻控制、RS485控制、現(xiàn)場總線控制等一系列實(shí)用 先進(jìn)的運(yùn)行、 控制功能。 為設(shè)備制造和終端客戶提供了集成度高的一 體化解決方案， 對(duì)降低系統(tǒng)采購和運(yùn)營成本， 提高系統(tǒng)可靠性具有極 大的幫助。三、適用范圍廣泛應(yīng)用于泵類、 風(fēng)機(jī)、磨床、壓縮機(jī)、攪拌機(jī)、 提升機(jī)等設(shè)備。此次技改通過變頻器對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，從而提高設(shè)備利用率， 達(dá)到節(jié)能減排的效果

3、。四、螺桿式空壓機(jī)簡介4.1 螺桿式空氣壓縮機(jī)螺桿式空氣壓縮機(jī)由螺桿機(jī)頭、 電動(dòng)機(jī)、油氣分離桶、 冷卻系統(tǒng)、 空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、 安全閥及控制系統(tǒng)等組成。工作時(shí)電動(dòng)機(jī) 通過連軸器 （或皮帶）直接帶主轉(zhuǎn)子，由于 2轉(zhuǎn)子相互嚙合，主轉(zhuǎn)子直 接帶動(dòng)副轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。 冷卻液由壓縮機(jī)機(jī)殼下部的噴嘴直接噴入轉(zhuǎn) 子嚙合部分，并與空氣混合，帶走因壓縮而產(chǎn)生的熱量，達(dá)到冷卻效 果。同時(shí)形成液膜， 防止轉(zhuǎn)子間金屬與金屬直接接觸及封閉轉(zhuǎn)子間和 機(jī)殼間的間隙。 噴入的冷卻液亦可減少高速壓縮所產(chǎn)生的噪音。 螺桿 機(jī)頭通過吸氣過濾器和進(jìn)氣控制閥吸氣， 同時(shí)油注入空氣壓縮室， 對(duì) 機(jī)頭進(jìn)行冷卻、 密封以及對(duì)螺桿及軸承

4、進(jìn)行潤滑， 壓縮室產(chǎn)生壓縮空 氣。壓縮后生成的油氣混合氣體排放到油氣分離桶內(nèi)， 由于機(jī)械離心 力和重力的作用， 絕大多數(shù)的油從油氣混合體中分離出來。 空氣經(jīng)過 由硅酸硼玻璃纖維做成的油氣分離筒芯， 幾乎所有的油霧都被分離出 來。從油氣分離筒芯分離出來的油通過回油管回到螺桿機(jī)頭內(nèi)。 在回 油管上裝有油過濾器， 回油經(jīng)過油過濾器過濾后， 潔凈的油才流回至 螺桿機(jī)頭內(nèi)。 當(dāng)油被分離出來后， 壓縮空氣經(jīng)過最小壓力控制閥離開 油氣筒進(jìn)入后冷卻器。 后冷卻器把壓縮空氣冷卻后排到貯氣罐供各用 氣單位使用。 冷凝出來的水集中在貯氣罐內(nèi)， 通過自動(dòng)排水器或手動(dòng) 排出。4.2 螺桿式空氣壓縮機(jī)工作原理 螺桿壓縮機(jī)

5、的工作循環(huán)可分為進(jìn)氣， 壓縮和排氣三個(gè)過程。 隨著 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對(duì)相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。（1）進(jìn)氣過程 ：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端壁 開口時(shí)，其空間最大，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)氣口的相通，因在排氣 時(shí)齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時(shí)，齒溝處于真空狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)至 進(jìn)氣口時(shí)，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣 體充滿了整個(gè)齒溝時(shí)， 轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機(jī)殼進(jìn)氣口， 在齒溝的氣 體即被封閉。（2）壓縮過程 ：陰陽轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時(shí)，其陰陽轉(zhuǎn)子齒尖會(huì)與機(jī)殼 封閉，此時(shí)氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動(dòng)。嚙 合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸件小， 齒溝內(nèi)

6、的氣體被壓縮壓力提 高。（ 3）排氣過程 ：當(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機(jī)殼排氣口相通時(shí)，被壓 縮的氣體開始排出， 直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面， 此時(shí)陰 陽轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼排氣口的齒溝空間為 0，即完成排氣過程，在 此同時(shí)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長度又達(dá)到最長， 進(jìn)氣 過程又再進(jìn)行。從上述工作原理可以看出， 螺桿壓縮機(jī)是一種工作容積作回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械。 氣體的壓縮依靠容積的變化來實(shí)現(xiàn)， 而容 積的變化又是借助壓縮機(jī)的一對(duì)轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來達(dá)到。4.3 螺桿式空氣壓縮機(jī)的缺點(diǎn)（1）能耗分析我們知道，力口、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在 PminPmax 之間來

7、回變化。 Pmin 是最低壓力值，即能夠保證用戶正常工作的最 低壓力。一般情況下，Pmax Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示:Pmax =（1 + S ）Pmin （ 5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 : 壓縮空氣壓力超過 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 一過程中必將會(huì)向外界釋放更多的熱量， 從而

8、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)過減壓閥減 壓至接近Pmin。這一過程同樣是一個(gè)耗能過程。（ 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)通過如下方法來降壓 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

9、壓機(jī) 10%的時(shí)間處于空載狀態(tài)，在作無 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) 其它不足之處 靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無法連續(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。 頻繁采用打開和關(guān)閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。五、新成果的創(chuàng)新點(diǎn)，螺桿式空氣壓縮機(jī)變頻器的應(yīng)用針對(duì)原有供氣控制方式存在的諸多問題，經(jīng)過上述對(duì)比分析，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

10、P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?號(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)流程圖在排風(fēng)管道出口安裝壓力變送器以檢測氣體壓力變化，并將輸出 信號(hào)傳輸給高壓變頻器上的 PID, PID檢測出口壓力的變化

11、，并自動(dòng) 調(diào)整輸出電壓，變頻器根據(jù) PID的輸出電壓變化來控制電機(jī)運(yùn)行頻 率，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速改變出口的壓力。當(dāng)變頻器調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，變頻器給出跳閘信號(hào)，再人為的轉(zhuǎn)到工頻運(yùn)行。圖中QF為高壓控制斷路器，QS1 QS2 QS為單刀單擲刀閘，其中工、 變頻回路的刀閘實(shí)現(xiàn)電磁和機(jī)械互鎖。當(dāng)QS閉合時(shí)，QS不能合，只能合QS2 QS3R合時(shí)QS1 QS環(huán)能合。這就確保了主回路的安全 與可靠。六、主要效益指標(biāo)6.1 社會(huì)效益眾所周知， 能源的開發(fā)和控制是一個(gè)世界性的課題， 它直接關(guān)系 到人類的生存和發(fā)展。 沒有哪一個(gè)國家不在奮力尋求解決能源問題的 有效方案。能源的有效方案。能源的儲(chǔ)量是有限的

12、，解決能源問題的 重點(diǎn)自然就落到了能源控制和節(jié)能上。節(jié)電節(jié)能控制受到政府的重 視，中國這個(gè)能源消耗市場，節(jié)電不僅是良好的外部政策環(huán)境，同時(shí) 擁有無可估量的用戶需求。當(dāng)前中國能效方面是一個(gè)巨大的空白市 場，誰能占領(lǐng)這個(gè)市場，誰將獲得無法估量的回報(bào)。6.2 經(jīng)濟(jì)效益1 .采用變頻器調(diào)速的空壓機(jī)，穩(wěn)定工作的時(shí)候頻率在42.5Hz46.05Hz的頻率范圍，管線壓力基本保持在 0.68Mpa,供氣質(zhì)量提高。2. 因?yàn)椴捎米冾l器調(diào)整，使得壓力穩(wěn)定，不用頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，減 少維修量。3. 不用頻繁的打開放氣閥，放氣閥耐用性得到保障。4. 因?yàn)橛辛俗冾l器調(diào)速技術(shù)，可使管網(wǎng)壓力維持在能滿足供氣的壓 力下，也沒有卸壓空轉(zhuǎn)所浪費(fèi)的能量， 相對(duì)于沒有變頻器的空壓機(jī)節(jié) 能 25%30%的電能。每臺(tái)空壓機(jī)每天的工作時(shí)間按照 16個(gè)小時(shí)計(jì)算， 每年可以節(jié)能 16*250*2*0.25*365=730000kw.h ，每度電按照 0.53 元 計(jì)算，一年可以節(jié)省 38.69 萬元。5地面上的兩個(gè)空壓機(jī)可以提供足夠的氣量完全取代井下的兩個(gè)20立方米空壓機(jī)，每天可以節(jié)省 6 個(gè)空壓機(jī)司機(jī)用工，井下每個(gè)工 100 元計(jì)，一年可以節(jié)省 21.9 萬元。七、推廣應(yīng)用現(xiàn)在的能源越來越少，節(jié)能減排已經(jīng)成為時(shí)代的主流。做為能 源