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(yáng)理工學(xué)院摘要:針對(duì)空氣壓縮機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問(wèn)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(hào) TH452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào)：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(dòng)元件和氣動(dòng)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(chǔ)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，傳統(tǒng)的工作方式為進(jìn)氣閥開(kāi)、關(guān)控制方式，即壓力達(dá)到上限時(shí)關(guān)閥，使壓縮機(jī)進(jìn)入輕載運(yùn)行；壓力達(dá)到下限時(shí)開(kāi)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(guò)程，不僅使供氣壓力波動(dòng)，而且還會(huì)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(jì)時(shí)壓縮機(jī)不能排除在滿負(fù)荷狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以只能按最大需求來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的容量，故選擇的電動(dòng)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(shí)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大，通常生產(chǎn)工藝對(duì)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(shí)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(lái)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(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速后，在其拖動(dòng)負(fù)載無(wú)須任何改動(dòng)的情況下，便可按照生產(chǎn)工藝要求來(lái)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(dòng)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(lái)自動(dòng)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(lái)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(wèn)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(lái)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(jiàn)，加、卸載供氣控制方式浪費(fèi)的能量主要在三個(gè)部分:（1） 壓縮空氣壓力超過(guò)pmin所消耗的能量當(dāng)儲(chǔ)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(guò)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(dòng)元件的額定氣壓在pmin左右，高于pmin的氣體進(jìn)入氣動(dòng)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(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)，空氣壓縮機(jī)通過(guò)如下方法來(lái)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(dòng)螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，據(jù)測(cè)算，空氣壓縮機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空氣壓縮機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的10%15%，在卸載期間，空氣壓縮機(jī)做無(wú)用功，無(wú)謂地消耗能量。同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過(guò)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(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力難免要產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)，從而使供氣壓力精度達(dá)不到工藝要求，這就會(huì)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(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。    （2） 頻繁地開(kāi)/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(jì)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(jì)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(duì)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(shí)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(duì)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(dòng)機(jī)的電源電壓，就可以方便地改變空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速?？諝鈮嚎s機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí)，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(duì)象，壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給變頻器內(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(hào)去控制變頻器的輸出電壓和頻率，調(diào)整電動(dòng)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(dòng)，避免了啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來(lái)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(shí)，生產(chǎn)工藝過(guò)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(shí)，可由工頻電源通過(guò)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(guò)額定值，電動(dòng)機(jī)不會(huì)過(guò)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(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量相同即可。若考慮更大的余量，也可以選擇比電動(dòng)機(jī)容量大一個(gè)級(jí)別

10、的變頻器，但價(jià)格要高出不少。我院改造的壓縮機(jī)電機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)S286TSC-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(tái)三菱FR-A540-22K型變頻器，配用電動(dòng)機(jī)容量22kW，額定容量32.8kVA，額定電流43A，額定過(guò)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(duì)機(jī)械特性的硬度無(wú)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(shuō)

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(duì)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(duì)外輸出控制端子IPF、OL和FU都是晶體管集電極開(kāi)路門輸出，只能用于36V以下的直流電路內(nèi)，而我國(guó)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(lái)過(guò)渡，即由這3個(gè)繼電器分別控制3個(gè)交流接觸器：KA1控制KM1，KA2控制KM2，KA3控制KM3。當(dāng)KM1、KM2 接通時(shí)，空氣壓縮機(jī)在變頻器控制下運(yùn)行，當(dāng)KM3 接通

12、時(shí)，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(bào)警異常輸出端，正常時(shí)A-C間不通，異常時(shí)A-C間通。（5）端子MRS，當(dāng)與公共端SD接通時(shí)（ON），變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行切換有效，不通時(shí)（OFF）操作無(wú)效。（6）端子CS，當(dāng)與公共端SD接通時(shí)（ON），變頻運(yùn)行，不通時(shí)（OFF）工頻運(yùn)行。（7）端子STF，當(dāng)與公共端SD接通時(shí)（ON），電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，不通時(shí)（OFF）電動(dòng)機(jī)停止。（8）端子OH，當(dāng)與公共端SD接通時(shí)（ON），電動(dòng)機(jī)正常，不通時(shí)（OFF）電動(dòng)機(jī)過(guò)載。（9）端子RES，當(dāng)與公共端SD接通時(shí)（ON），初始化，不通時(shí)（OFF）正常運(yùn)行。（10）端子RT，當(dāng)與公共端SD接通時(shí)（ON），

13、進(jìn)入PID運(yùn)行狀態(tài)，不通時(shí)（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(hào):DG1300-BZ-A-2-2，量程:01MPa，輸出420mA的模擬信號(hào)。精確度0.5%FS。壓力變送器的連接說(shuō)明如下：（1）10E端與5號(hào)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(hào)從4號(hào)端（電流信號(hào)）輸入。（3）壓力給定信號(hào)通過(guò)面板上的鍵盤進(jìn)行設(shè)定，也可以通過(guò)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(dòng)機(jī)過(guò)載，在電動(dòng)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(duì)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(guò)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(shuō)來(lái)，其范圍約為30HzL40Hz式中 L設(shè)置下限頻率（3）加、減速時(shí)間空氣壓縮機(jī)有時(shí)需要在儲(chǔ)氣罐已經(jīng)有一定壓力的情況下啟動(dòng)，這時(shí)通常要求快一點(diǎn)加速，故加速時(shí)間應(yīng)盡可能縮短（以啟動(dòng)過(guò)程不因過(guò)電流而跳閘為原則）；減速時(shí)間可參照加速時(shí)間進(jìn)行預(yù)置（以制動(dòng)過(guò)程不因過(guò)電壓而跳閘為原則）。（4）升、降速方式空氣壓縮機(jī)對(duì)升、降速方式無(wú)

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(shí)間預(yù)置為0.3s；Pr.137 :預(yù)置為“0.5”，啟動(dòng)等待時(shí)間預(yù)置為0.5s；Pr.138 :預(yù)置為“1”，使報(bào)警時(shí)切換功能有效。即讓KA2斷開(kāi)，KA3閉合；Pr.139 :預(yù)置為“9999”，使到達(dá)某一頻率的自動(dòng)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(hào)；Pr.186 :預(yù)置為“6”，使CS端子用于自動(dòng)再起動(dòng)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(guò)程（1）首先使旋鈕開(kāi)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(shí)，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(dòng)機(jī)。（3）閉合旋鈕開(kāi)關(guān)SA1，變頻器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)始軟啟動(dòng)電動(dòng)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(shí)，“報(bào)警輸出”端A-C之間接通，繼電器KA0吸合，其動(dòng)斷觸點(diǎn)使端子CS斷開(kāi)，允許進(jìn)行變頻和工頻之間的切換；同時(shí)蜂嗚器和指示燈進(jìn)行聲光報(bào)警。（5）繼電器KA1、KA2斷開(kāi)，KA3吸合，使接觸器KM1、KM2斷開(kāi)，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(bào)警，并對(duì)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(gè)電抗器。安裝時(shí)控制柜與壓縮機(jī)之間的主配線不要超過(guò)30m，主配線與控制線要分開(kāi)走線，且保持一定距離?？刂苹芈返呐渚€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(dòng)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(dòng)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(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制兩部分調(diào)試。開(kāi)環(huán)：此時(shí)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(guò)去。接著對(duì)PID參數(shù)

19、的進(jìn)行整定，根據(jù)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)對(duì)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間無(wú)要求，可以采用PI調(diào)節(jié)方式，以減少對(duì)變頻器的沖擊。在對(duì)PID進(jìn)行參數(shù)整定的過(guò)程中，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法，將比例帶設(shè)定在70%，積分時(shí)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(gè)突變(相當(dāng)于一個(gè)階躍信號(hào))，然后觀察其響應(yīng)過(guò)程(即壓力變化過(guò)程)。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，在比例帶為40%，積分時(shí)間常數(shù)Ti=12s時(shí)，觀察到壓力的響應(yīng)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(nèi)波動(dòng)，對(duì)擾動(dòng)反應(yīng)達(dá)到了預(yù)期的效果。在調(diào)試過(guò)程中，將下限頻率調(diào)至40Hz，然后用紅外線測(cè)溫儀對(duì)空氣壓縮機(jī)電機(jī)的溫升進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)，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(duì)空氣壓縮機(jī)機(jī)組的工作并無(wú)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(gòu)成本、維護(hù)成本和能源成本。其中能源成本大約占?jí)嚎s機(jī)運(yùn)行成本的80%。通過(guò)變頻技