空氣壓縮機(jī)的變頻調(diào)速及應(yīng)用

1、空氣壓縮機(jī)的變頻調(diào)速及應(yīng)用Application of frequency conversion timing of air compressors 王廷才 刁紅宇河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南陽理工學(xué)院摘要:針對空氣壓縮機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問題，論述了變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制方式的安裝調(diào)試及空壓機(jī)變頻改造后增加了效益。關(guān) 鍵 詞:空氣壓縮機(jī)   變頻調(diào)速  中圖分類號 TH452 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號：1006-8155（2005）03-0036-05Abstract:Key words: Air compressor frequency

2、conversion timing 1 引言空氣壓縮機(jī)在工礦企業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。它擔(dān)負(fù)著為各種氣動元件和氣動設(shè)備提供氣源的重任。因此空氣壓縮機(jī)運(yùn)行的好壞直接影響生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量?？諝鈮嚎s機(jī)是一種把空氣壓入儲氣罐中，使之保持一定壓力的機(jī)械設(shè)備，屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其運(yùn)行功率與轉(zhuǎn)速成正比： (1)式中 PL空氣壓縮機(jī)功率TL空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩 nL空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速所以就運(yùn)行功率而言，采用變頻調(diào)速控制的節(jié)能效果遠(yuǎn)不如風(fēng)機(jī)泵類二次方負(fù)載顯著，但空氣壓縮機(jī)大都處于長時間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，傳統(tǒng)的工作方式為進(jìn)氣閥開、關(guān)控制方式，即壓力達(dá)到上限時關(guān)閥，使壓縮機(jī)進(jìn)入輕載運(yùn)行；壓力達(dá)到下限時開閥，使壓縮機(jī)進(jìn)入滿載運(yùn)行。

3、這種頻繁地加減負(fù)荷過程，不僅使供氣壓力波動，而且還會使空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)頻繁地變換。又由于設(shè)計時壓縮機(jī)不能排除在滿負(fù)荷狀態(tài)下長時間運(yùn)行的可能性，所以只能按最大需求來選擇電動機(jī)的容量，故選擇的電動機(jī)容量一般都較大。而在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時間所占的比例卻非常高，這就造成巨大的能源浪費(fèi)。 值得指出的是，供氣壓力的穩(wěn)定性對產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大，通常生產(chǎn)工藝對供氣壓力有一定要求，若供氣壓力偏低，就不能滿足工藝要求，而且可能出現(xiàn)廢品，所以為了避免氣壓不足，一般供氣壓力較要求值要高些，從而造成供氣成本高，能耗大，同時也存在著一定的不安全因素。 變頻調(diào)速是80年代初發(fā)展起來的新技術(shù)，具有易操作、免維護(hù)、控

4、制精度高等優(yōu)點(diǎn)。普通電動機(jī)采用變頻調(diào)速后，在其拖動負(fù)載無須任何改動的情況下，便可按照生產(chǎn)工藝要求來調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出以滿足工況要求。因此完全可以用變頻器驅(qū)動的方案取代加、卸載供氣控制方式的方案，從而電機(jī)可根據(jù)用氣量的大小來自動調(diào)整轉(zhuǎn)速以保證供氣壓力恒定，使電機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可有效地克服電機(jī)頻繁改變運(yùn)行狀態(tài)所帶來的諸多弊端，達(dá)到系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行的目的。2 空氣壓縮機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問題2.1 浪費(fèi)能量 空氣壓縮機(jī)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是能夠保證用戶正常工作的最低壓力值，pmax是設(shè)定的最高壓力值。一般情況下，pmax和pmin之間關(guān)

5、系可用下式表示:pmax(1)pmin                   (2)式中值在10%25%之間。若采用變頻調(diào)速技術(shù)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，即等于pmin的數(shù)值。由此可見，加、卸載供氣控制方式浪費(fèi)的能量主要在三個部分:（1） 壓縮空氣壓力超過pmin所消耗的能量當(dāng)儲氣罐中空氣壓力達(dá)到pmin后，加、卸載供氣控制方式還要使其壓力繼續(xù)上升，直到pmax。這一過程需要電

6、源提供壓縮機(jī)能量，這是一種能量損失。（2）減壓閥減壓消耗的能量氣動元件的額定氣壓在pmin左右，高于pmin的氣體進(jìn)入氣動元件前的壓力，這就需要用減壓閥將其減至接近pmin。這同樣是一種能量損失。（3） 卸載時調(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，空氣壓縮機(jī)通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使空氣壓縮機(jī)不需要再壓縮氣體做功，但空氣壓縮機(jī)的電機(jī)還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，據(jù)測算，空氣壓縮機(jī)卸載時的能耗約占空氣壓縮機(jī)滿載運(yùn)行時的10%15%，在卸載期間，空氣壓縮機(jī)做無用功，無謂地消耗能量。同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空，這又是一種能量浪費(fèi)。2.2 其他損失（1） 靠

7、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，供氣壓力難免要產(chǎn)生較大幅度的波動，從而使供氣壓力精度達(dá)不到工藝要求，這就會影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至造成廢品。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，還會加速進(jìn)氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。    （2） 頻繁地開/關(guān)放氣閥，使放氣閥壽命大大縮短。3  空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速控制方式的設(shè)計3.1 空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)概述變頻器是基于交-直-交電源變換原理，集電力電子和微計算機(jī)控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。變頻器可根據(jù)控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。由電機(jī)知識知道，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率有成正比的關(guān)系： n =

8、60 f（1-S）P (3)式中n轉(zhuǎn)速f輸入交流電頻率S電機(jī)轉(zhuǎn)差率P電機(jī)磁極對數(shù)因此，用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空壓機(jī)電動機(jī)的電源電壓，就可以方便地改變空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速。空氣壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)原理框圖變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小按預(yù)先設(shè)定好的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和頻率，調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力上。另外，采用該方案后，空氣壓縮機(jī)電機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)

9、軟啟動，避免了啟動時大電流對電網(wǎng)的沖擊和啟動給空氣壓縮機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機(jī)在變頻調(diào)速控制方式下工作?？紤]到一旦變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，生產(chǎn)工藝過程又不允許空氣壓縮機(jī)停機(jī)，因此系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻系統(tǒng)的切換功能，這樣當(dāng)變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機(jī)仍能正常工作。3.2 變頻器的選擇由于空氣壓縮機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，故變頻器可選用通用型的。又因?yàn)榭諝鈮嚎s機(jī)的轉(zhuǎn)速也不允許超過額定值，電動機(jī)不會過載，一般變頻器出廠標(biāo)注的額定容量都具有一定的余量安全系數(shù)，所以選擇變頻器容量與所驅(qū)動的電動機(jī)容量相同即可。若考慮更大的余量，也可以選擇比電動機(jī)容量大一個級別

10、的變頻器，但價格要高出不少。我院改造的壓縮機(jī)電機(jī)型號為LS286TSC-4，功率22kW，頻率50Hz，額定電壓380V，額定電流42A，4極，轉(zhuǎn)速1470r/min。選用一臺三菱FR-A540-22K型變頻器，配用電動機(jī)容量22kW，額定容量32.8kVA，額定電流43A，額定過電流能力150%（1 min），內(nèi)置有PID調(diào)節(jié)器。3.3 變頻器的運(yùn)行控制方式選擇由于空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不宜太低，對機(jī)械特性的硬度無任何要求，故可采用V/F控制方式。3.4 空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。圖2 空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖3.5 變頻器的端子連接說

11、明（1）R、S、T為變頻器的三相交流電源輸入端子，U、V、W為變頻電壓輸出端子。（2）變頻器的接線端子R1、S1為控制電源引入端，一般在變頻器通電前，須事先對變頻器的有關(guān)功能進(jìn)行預(yù)置，故R1、S1應(yīng)接至接觸器主觸點(diǎn)KM1的前面。（3）變頻器對外輸出控制端子IPF、OL和FU都是晶體管集電極開路門輸出，只能用于36V以下的直流電路內(nèi)，而我國尚未生產(chǎn)線圈電壓為直流低壓的接觸器。而采用線圈電壓為24V的繼電器KA1、KA2和KA3來過渡，即由這3個繼電器分別控制3個交流接觸器：KA1控制KM1，KA2控制KM2，KA3控制KM3。當(dāng)KM1、KM2 接通時，空氣壓縮機(jī)在變頻器控制下運(yùn)行，當(dāng)KM3 接通

12、時，空氣壓縮機(jī)在工頻電源控制下運(yùn)行。（4）A、B、C為故障報警異常輸出端，正常時A-C間不通，異常時A-C間通。（5）端子MRS，當(dāng)與公共端SD接通時（ON），變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行切換有效，不通時（OFF）操作無效。（6）端子CS，當(dāng)與公共端SD接通時（ON），變頻運(yùn)行，不通時（OFF）工頻運(yùn)行。（7）端子STF，當(dāng)與公共端SD接通時（ON），電動機(jī)正轉(zhuǎn)，不通時（OFF）電動機(jī)停止。（8）端子OH，當(dāng)與公共端SD接通時（ON），電動機(jī)正常，不通時（OFF）電動機(jī)過載。（9）端子RES，當(dāng)與公共端SD接通時（ON），初始化，不通時（OFF）正常運(yùn)行。（10）端子RT，當(dāng)與公共端SD接通時（ON），

13、進(jìn)入PID運(yùn)行狀態(tài)，不通時（OFF）PID不起作用。3.6 壓力變送器的選用與連接  根據(jù)用戶要求的供氣壓力為0.6 M Pa，選擇的壓力變送器型號:DG1300-BZ-A-2-2，量程:01MPa，輸出420mA的模擬信號。精確度0.5%FS。壓力變送器的連接說明如下：（1）10E端與5號端為壓力變送器提供電源DC10V。但須注意，若壓力變送器需要DC24V電源，應(yīng)另行配置。（2）壓力反饋信號從4號端（電流信號）輸入。（3）壓力給定信號通過面板上的鍵盤進(jìn)行設(shè)定，也可以通過外接電位器進(jìn)行設(shè)定，采用了前者。3.7 KR熱繼電器保護(hù)為防止在工頻運(yùn)行狀態(tài)下電動機(jī)過載，在電動機(jī)的電

14、源接入電路中串有KR熱繼電器保護(hù)。3.8 變頻器的功能預(yù)置使用前，必須對變頻器的以下功能進(jìn)行預(yù)置：（1）上限頻率由于空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速一般不允許超過額定值，故HN式中 H設(shè)置上限頻率N額定頻率（2）下限頻率空氣壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速后，其下限頻率的預(yù)置要視壓縮機(jī)的機(jī)種的工況而定，一般說來，其范圍約為30HzL40Hz式中 L設(shè)置下限頻率（3）加、減速時間空氣壓縮機(jī)有時需要在儲氣罐已經(jīng)有一定壓力的情況下啟動，這時通常要求快一點(diǎn)加速，故加速時間應(yīng)盡可能縮短（以啟動過程不因過電流而跳閘為原則）；減速時間可參照加速時間進(jìn)行預(yù)置（以制動過程不因過電壓而跳閘為原則）。（4）升、降速方式空氣壓縮機(jī)對升、降速方式無

15、特殊要求，可設(shè)置為線性方式。（5）操作模式由于變頻器的切換功能只能在外部運(yùn)行下有效，因此設(shè)置：Pr.79 :預(yù)置為“2”，使變頻器進(jìn)入“外部運(yùn)行模式”。（6）切換功能Pr.135 :預(yù)置為“1”，使切換功能有效；Pr.136 :預(yù)置為“0.3”，使切換KA2、KA3互鎖時間預(yù)置為0.3s；Pr.137 :預(yù)置為“0.5”，啟動等待時間預(yù)置為0.5s；Pr.138 :預(yù)置為“1”，使報警時切換功能有效。即讓KA2斷開，KA3閉合；Pr.139 :預(yù)置為“9999”，使到達(dá)某一頻率的自動切換功能失效。（7）輸入多功能端子Pr.185 :預(yù)置為“7”，使JOG端子變?yōu)镺H端子，用于接受外部熱繼電器的

16、控制信號；Pr.186 :預(yù)置為“6”，使CS端子用于自動再起動控制。（8）輸出多功能端子Pr.192 :預(yù)置為“17”，使IPF端子用于控制KA1；Pr.193 :預(yù)置為“18”，使OL端子用于控制KA2；Pr.194 :預(yù)置為“19”，使FU端子用于控制KA3。3.9 空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)工作過程（1）首先使旋鈕開關(guān)SA2閉合，接通MRS，允許進(jìn)行切換，由于Pr.135功能已經(jīng)預(yù)置為“1”，切換功能有效，這時，繼電器KA1、KA2吸合，KM2得電。（2）按下按鈕SB1，KM1吸合，變頻器接通電源和電動機(jī)。（3）閉合旋鈕開關(guān)SA1，變頻器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，開始軟啟動電動機(jī)，使電機(jī)緩慢升速至壓力

17、給定位置穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。（4）當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，“報警輸出”端A-C之間接通，繼電器KA0吸合，其動斷觸點(diǎn)使端子CS斷開，允許進(jìn)行變頻和工頻之間的切換；同時蜂嗚器和指示燈進(jìn)行聲光報警。（5）繼電器KA1、KA2斷開，KA3吸合，使接觸器KM1、KM2斷開，KM3吸合，進(jìn)行由變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行的切換。（6）操作人員按SB3，可解除聲光報警，并對變頻器進(jìn)行檢修。4 空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速控制方式的安裝調(diào)試4.1 安裝為防止電網(wǎng)與變頻器之間的干擾，在變頻器的輸入側(cè)最好接一個電抗器。安裝時控制柜與壓縮機(jī)之間的主配線不要超過30m，主配線與控制線要分開走線，且保持一定距離。控制回路的配線采用屏蔽雙絞線，接線距

18、離應(yīng)在20m以內(nèi)。另外控制柜內(nèi)要裝有換氣扇，變頻器接地端子要可靠接地，不與動力接地混用。4.2 調(diào)試在完成變頻器的功能設(shè)定及空載運(yùn)行后，可進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)試。調(diào)試的主要步驟：（1） 將變頻器接入系統(tǒng)；（2） 進(jìn)行工頻控制運(yùn)行；（3） 進(jìn)行變頻控制運(yùn)行，其中包括開環(huán)與閉環(huán)控制兩部分調(diào)試。開環(huán)：此時主要觀察變頻器頻率上升的情況，設(shè)備的運(yùn)行聲音是否正常，空壓機(jī)的壓力上升是否穩(wěn)定，壓力變送器顯示是否正常，設(shè)備停機(jī)是否正常等。如一切正常，則可進(jìn)行閉環(huán)的調(diào)試。閉環(huán)：主要依據(jù)變頻器頻率上升與下降的速度和空壓機(jī)壓力的升降相匹配，不要產(chǎn)生壓力振蕩，還要注意觀察機(jī)械共振點(diǎn)，將共振點(diǎn)附近的頻率跳過去。接著對PID參數(shù)

19、的進(jìn)行整定，根據(jù)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)對過渡過程時間無要求，可以采用PI調(diào)節(jié)方式，以減少對變頻器的沖擊。在對PID進(jìn)行參數(shù)整定的過程中，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法，將比例帶設(shè)定在70%，積分時間常數(shù)設(shè)定在60s；為不影響生產(chǎn)，采取改變給定值的方法使壓力給定值有個突變(相當(dāng)于一個階躍信號)，然后觀察其響應(yīng)過程(即壓力變化過程)。經(jīng)過多次調(diào)整，在比例帶為40%，積分時間常數(shù)Ti=12s時，觀察到壓力的響應(yīng)過程較為理想。壓力在給定值改變5min左右(約一個多周期)后，振幅在極小的范圍內(nèi)波動，對擾動反應(yīng)達(dá)到了預(yù)期的效果。在調(diào)試過程中，將下限頻率調(diào)至40Hz，然后用紅外線測溫儀對空氣壓縮機(jī)電機(jī)的溫升進(jìn)行了長時間嚴(yán)格的監(jiān)測，電機(jī)溫升約36之間，屬正常溫升范圍。所以40Hz下限頻率運(yùn)行對空氣壓縮機(jī)機(jī)組的工作并無多大的影響。5 空壓機(jī)變頻改造后的效益5.1 節(jié)約能源使運(yùn)行成本降低空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成：初始采購成本、維護(hù)成本和能源成本。其中能源成本大約占壓縮機(jī)運(yùn)行成本的80%。通過變頻技