變頻器在空壓機恒壓供氣控制系統中的應用

1 引言

空壓機在工業(yè)生產(chǎn)中有著(zhù)廣泛地應用;比如在我們金屬包裝類(lèi)行業(yè)中，它擔負著(zhù)為廠(chǎng)內生產(chǎn)線(xiàn)所有氣動(dòng)元件(包括各種氣動(dòng)閥門(mén))，提供氣源的職責;因此它運行的好壞直接影響生產(chǎn)線(xiàn)能否高效運轉?？諌簷C的種類(lèi)有很多，但其供氣控制方式幾乎都是采用加、卸載控制方式。例如我廠(chǎng)使用的南京三達活塞式空壓機、美國壽力ls-10型螺桿壓縮機和atlas copco ga-110型螺桿式空壓機都采用了這種控制方式。根據我們多年的運行經(jīng)驗，該供氣控制方式雖然原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，但存在能耗高，進(jìn)氣閥易損壞、供氣壓力不穩定等諸多問(wèn)題。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atlas copco ga-110型固定式螺桿式空壓機進(jìn)行了研究。

2 空壓機加、卸載供氣控制方式簡(jiǎn)介

本人以atlas copco ga-110型固定式螺桿空壓機電氣控制原理圖(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。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，km4和km6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yv2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)始啟動(dòng)。當kt2到達設定時(shí)間(一般為5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，km6線(xiàn)圈斷電釋放，km5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)yv2斷電關(guān)閉，從儲氣罐放出的控制氣體被切斷，進(jìn)氣閥全開(kāi)，機組滿(mǎn)載運行。(注：進(jìn)氣控制閥yv2只在起動(dòng)過(guò)程起作用，而卸載控制閥yv1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)(sp2)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yv1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)sp2復位(閉合)，yv1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

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)闃藴孰娦盘査徒opid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)生控制信號送到變頻調速器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)，該方案可以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。

變頻與工頻電源的切換電路如圖2所示; 空壓機電氣控制原理圖如圖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

5.1.1 變頻器

atlas copco

ga-110型固定式螺桿壓縮機電動(dòng)機功率110kw，頻率50hz，額定電壓380v，額定電流204a，4極，轉速1470r/min，我們選用一臺富士牌frn110g1e-4c型重過(guò)載變頻器。因為atlas copco ga-110型空壓機是一種大轉動(dòng)慣量負載，因此選用能承受重過(guò)載的變頻器(110kw)。

(1)變頻器的主要參數

輸入：3相，380~440v ac，50/60hz，電壓容許變動(dòng)范圍(-15%~+10%)，頻率容許變動(dòng)范圍±5%。輸入電流201a，采用強迫風(fēng)冷。

輸出：標準適用電機輸出功率110kw，輸出額定容量160kva，輸出額定電流210a，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。

(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。

d)自動(dòng)調整加減速時(shí)間。

e)禁止電機反轉。

f)帶過(guò)載(過(guò)熱保護)。

g)內置pid智能控制器。

5.1.2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

5.2.1 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。

5.2.2調試

(1)變頻器功能設定

f02外部輸入信號：設定為1

f03最大操作頻率：設定為50hz(對應最大電壓380v)

f04最大頻率：設定為50hz(等于電機額定頻率)

f10電子熱繼電器設為1

f11電子熱繼電器動(dòng)作值設為105

f12電子熱繼電器動(dòng)作時(shí)間設為1min

f15上限頻率：設定為50hz

f16下限頻率：設定為40hz

f42設定為00(v/f電壓頻率控制)

e21端子y2設定為1002

e31頻率檢測設定為40hz

e32頻率檢測滯后設定為1.0 hz

e43 led顯示器設為10

e44 led顯示器設為1(停止中)

e61端子12設定為3

e63端子v2設定為5

e98端子fwd設為1020，(pid控制)

h08設定為1：禁止反轉

h11減速模式設為0

h91 pid反饋線(xiàn)檢測設為2

j01 pid動(dòng)作選擇設為1

j02 pid過(guò)程指令設為1

j03 p值設為28

j04 i值設為12;其它功能遵照變頻器出廠(chǎng)設定值。

(2) pid參數的整定

在用變頻器內置pid閉環(huán)控制功能時(shí)，原來(lái)的頻率給定通道變成目標信號通道和反饋通道;預置的加減速時(shí)間無(wú)效;目標值得數值與傳感器的量程有關(guān)。

對于像空壓機、風(fēng)機和水泵等負載來(lái)說(shuō)，對控制精度并沒(méi)有那么高的要求，通常。用pi控制就足夠了。所以，可以將d設定為0即可。

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，將比例增益設定到最小，而積分時(shí)間常數設定在20~30s;逐漸加大p，一直到系統發(fā)生振蕩，然后取其半;逐漸減小i，一直到系統發(fā)生振蕩，然后增加50%。一般來(lái)說(shuō)，按照上述經(jīng)驗法來(lái)設定參數，問(wèn)題已經(jīng)基本解決。經(jīng)過(guò)多次調整，在比例增益p=28，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。

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0.65mpa，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)達到了本廠(chǎng)用氣的工藝要求。