低壓大功率變頻器在空壓機上的應用與研究

1、低壓大功率變頻器在空壓機上的應用與研究一、成果來源亨健煤礦位于邯鄲市境內，2006年11月加入邯礦以來，經(jīng)過一系列的技術改造，現(xiàn)在的產能為110萬噸。亨健礦的壓風機分為井上和井下。井上的壓風機為兩臺復盛公司的SA250A型40立方螺桿式空氣壓縮機。隨著煤礦的發(fā)展，產量的提高，設備耗能高的現(xiàn)象日漸凸顯，為響應國家節(jié)能減排的號召，礦領導決定對原有設備進行必要的升級改造。經(jīng)過礦領導的多方調查研究，決定選用2臺山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的JD-BP33-315低壓大功率變頻器對2臺SA-250螺桿式空氣壓縮機進行節(jié)能改造。二、性質用途 JD-BP系列低壓變頻器是山東新風光電子科技發(fā)展有限公司采

2、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PLC、實用的PI調節(jié)，靈活的輸入輸出端子、參數(shù)在線修改、自識別信號傳輸故障、停電和停機參數(shù)存儲、定長控制、擺頻控制、RS485控制、現(xiàn)場總線控制等一系列實用先進的運行、控制功能。為設備制造和終端客戶提供了集成度高的一體化解決方案，對降低系統(tǒng)采購和運營成本，提高系統(tǒng)可靠性具有極大的幫助。三、適用范圍廣泛應用于泵類、風機、磨床、壓縮機、攪拌機、提升機等設備。此次技改通過變頻器對壓縮機進行變頻調速，從而提高設備利用率，達到節(jié)能減排的效果。四、螺桿式空壓機簡介4.1 螺桿式空氣壓縮機 螺桿式空氣壓縮機由螺桿機頭

3、、電動機、油氣分離桶、冷卻系統(tǒng)、空氣調節(jié)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、安全閥及控制系統(tǒng)等組成。工作時電動機通過連軸器(或皮帶)直接帶主轉子，由于2轉子相互嚙合，主轉子直接帶動副轉子一同旋轉。冷卻液由壓縮機機殼下部的噴嘴直接噴入轉子嚙合部分，并與空氣混合，帶走因壓縮而產生的熱量，達到冷卻效果。同時形成液膜，防止轉子間金屬與金屬直接接觸及封閉轉子間和機殼間的間隙。噴入的冷卻液亦可減少高速壓縮所產生的噪音。螺桿機頭通過吸氣過濾器和進氣控制閥吸氣，同時油注入空氣壓縮室，對機頭進行冷卻、密封以及對螺桿及軸承進行潤滑，壓縮室產生壓縮空氣。壓縮后生成的油氣混合氣體排放到油氣分離桶內，由于機械離心力和重力的作用，絕大多數(shù)的

4、油從油氣混合體中分離出來?？諝饨?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頭內。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頭內。當油被分離出來后，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，通過自動排水器或手動排出。4.2 螺桿式空氣壓縮機工作原理螺桿壓縮機的工作循環(huán)可分為進氣，壓縮和排氣三個過程。隨著轉子旋轉，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。（1）進氣過程：轉子轉動時，陰陽轉子的齒溝空間在轉至進氣端壁開

5、口時，其空間最大，此時轉子齒溝空間與進氣口的相通，因在排氣時齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時，齒溝處于真空狀態(tài)，當轉至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉子的齒溝內。當氣體充滿了整個齒溝時，轉子進氣側端面轉離機殼進氣口，在齒溝的氣體即被封閉。（2）壓縮過程：陰陽轉子在吸氣結束時，其陰陽轉子齒尖會與機殼封閉，此時氣體在齒溝內不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸件小，齒溝內的氣體被壓縮壓力提高。（3）排氣過程：當轉子的嚙合端面轉到與機殼排氣口相通時，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，此時陰陽轉子的嚙合面與機殼排氣口的齒溝空間為0，即完

6、成排氣過程，在此同時轉子的嚙合面與機殼進氣口之間的齒溝長度又達到最長，進氣過程又再進行。從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉運動的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉子在機殼內作回轉運動來達到。4.3 螺桿式空氣壓縮機的缺點（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PminPmax之間來回變化。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之間關系可以用下式來表示:Pmax(1)Pmin（是一個百分數(shù)，其數(shù)值大致在10%25%之間）。而若采用變頻調速技術可連續(xù)調節(jié)供氣

7、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較之變頻系統(tǒng)控制下的空壓機，所浪費的能量主要在2個部分: 壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量在壓力達到Pmin后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升(直到Pmax)。這一過程中必將會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的氣體在進入氣動元件前，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耗能過程。（2） 卸載時調節(jié)方法不合理所消耗的能量 通常情況下，當壓力達到Pmax時，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使電機處于空轉狀態(tài)，同時將分離罐中多

8、余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節(jié)方法要造成很大的能量浪費。關閉進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螺桿做回轉運動，據(jù)我們測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%15%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機10%的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節(jié)能空間。 （3） 其它不足之處 靠機械方式調節(jié)進氣閥，使供氣量無法連續(xù)調節(jié)，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調節(jié)進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。 頻

9、繁采用打開和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。五、新成果的創(chuàng)新點，螺桿式空氣壓縮機變頻器的應用 針對原有供氣控制方式存在的諸多問題，經(jīng)過上述對比分析，應用變頻調速技術進行恒壓供氣控制。采用這一方案時，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(jié)器，與壓力設定值P0作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產生控制信號送變頻調速器VVVF，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉速，從而使實際壓力P始終接近設定壓力P0。同時，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(tǒng)，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

10、器來啟動，實現(xiàn)了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊。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，并將輸出信號傳輸給高壓變頻器上的PID，PID檢測出口壓力的變化，并自動調整輸出電壓，變頻器根據(jù)PID的輸出電壓變化來控制電機運行頻率，從而自動調節(jié)空壓機的轉速改變出口的壓力。當變頻器調節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障時，變頻器給出跳閘信號，再人為的轉到工頻運行。圖2 變頻器主回路圖圖中QF為高壓控制斷路器，QS1、QS2、QS3為單刀單擲刀閘，其中工、變頻回路的刀閘實現(xiàn)電磁和機械互鎖。當QS1閉合時，QS3不能合，只能合QS2；QS

11、3吸合時QS1、QS2不能合。這就確保了主回路的安全與可靠。六、主要效益指標6.1社會效益眾所周知，能源的開發(fā)和控制是一個世界性的課題，它直接關系到人類的生存和發(fā)展。沒有哪一個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。能源的儲量是有限的，解決能源問題的重點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，中國這個能源消耗市場，節(jié)電不僅是良好的外部政策環(huán)境，同時擁有無可估量的用戶需求。當前中國能效方面是一個巨大的空白市場，誰能占領這個市場，誰將獲得無法估量的回報。6.2 經(jīng)濟效益1采用變頻器調速的空壓機，穩(wěn)定工作的時候頻率在42.5Hz46.05Hz的頻率范圍，管線壓力基本

12、保持在0.68Mpa,供氣質量提高。2因為采用變頻器調整，使得壓力穩(wěn)定，不用頻繁調節(jié)進氣閥，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因為有了變頻器調速技術，可使管網(wǎng)壓力維持在能滿足供氣的壓力下，也沒有卸壓空轉所浪費的能量，相對于沒有變頻器的空壓機節(jié)能25%30%的電能。每臺空壓機每天的工作時間按照16個小時計算，每年可以節(jié)能16*250*2*0.25*365=730000kw.h，每度電按照0.53元計算，一年可以節(jié)省38.69萬元。5地面上的兩個空壓機可以提供足夠的氣量完全取代井下的兩個20立方米空壓機，每天可以節(jié)省6個空壓機司機用工，井下每個工100元計，一年可以節(jié)省21.9萬元。七、推廣應用 現(xiàn)在的能源越來越少，節(jié)能減排已經(jīng)成為時代的主流。做為能源更