變頻器在空壓機(jī)恒壓供氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用;比如在我們金屬包裝類行業(yè)中，它擔(dān)負(fù)著為廠內(nèi)生產(chǎn)線所有氣動(dòng)元件(包括各種氣動(dòng)閥門)，提供氣源的職責(zé);因此它運(yùn)行的好壞直接影響生產(chǎn)線能否高效運(yùn)轉(zhuǎn)?？諌簷C(jī)的種類有很多，但其供氣控制方式幾乎都是采用加、卸載控制方式。例如我廠使用的南京三達(dá)活塞式空壓機(jī)、美國(guó)壽力ls-10型螺桿壓縮機(jī)和atlas copco ga-110型螺桿式空壓機(jī)都采用了這種控制方式。根據(jù)我們多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(wěn)定等諸多問題。隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，高效低耗的技術(shù)已愈來愈受到人們的關(guān)注。在空壓機(jī)供氣領(lǐng)域能否應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，節(jié)省電能同時(shí)改善空壓機(jī)性能、提高供氣品質(zhì)就成為我們關(guān)心的一個(gè)話題。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，我們選擇了一臺(tái)atlas copco ga-110型固定式螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行了研究。

2 空壓機(jī)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(jī)電氣控制原理圖(如圖3所示)為例，對(duì)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線圈得電，其瞬時(shí)閉合延時(shí)斷開的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，km4和km6線圈得電動(dòng)作壓縮機(jī)電機(jī)開始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(chǔ)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(jī)從輕載開始啟動(dòng)。當(dāng)kt2到達(dá)設(shè)定時(shí)間(一般為5秒后)其延時(shí)斷開的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，延時(shí)閉合的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，km6線圈斷電釋放，km5線圈得電動(dòng)作，空壓機(jī)電機(jī)從y形自動(dòng)改接成△形運(yùn)行。此時(shí)yv2斷電關(guān)閉，從儲(chǔ)氣罐放出的控制氣體被切斷，進(jìn)氣閥全開，機(jī)組滿載運(yùn)行。(注：進(jìn)氣控制閥yv2只在起動(dòng)過程起作用，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(dāng)超過設(shè)定的最小壓力值pmin(也稱為加載壓力)時(shí)，壓力調(diào)節(jié)器動(dòng)作，將控制氣輸送到進(jìn)氣閥，通過進(jìn)氣閥內(nèi)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(dāng)管線壓力繼續(xù)上升超過壓力調(diào)節(jié)開關(guān)(sp2)設(shè)定的最大壓力值pmax(也稱為卸載壓力)時(shí)，壓力調(diào)節(jié)開關(guān)跳開，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，將分離罐內(nèi)壓縮空氣放掉。當(dāng)管線壓力下降低于pmin時(shí)，壓力調(diào)節(jié)開關(guān)sp2復(fù)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，放空閥關(guān)閉，機(jī)組全負(fù)荷運(yùn)行。

3 加、卸載供氣控制方式存在的問題

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+δ)pmin

δ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：

(1) 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(cè)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。

3.2 其它不足之處

(1)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。

(2)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。

4 恒壓供氣控制方案的設(shè)計(jì)

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，本人認(rèn)為可應(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p轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送給pid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)送到變頻調(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)，該方案可以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。

變頻與工頻電源的切換電路如圖2所示; 空壓機(jī)電氣控制原理圖如圖3所示;變頻調(diào)速控制系統(tǒng)接線圖見圖4。

5 系統(tǒng)元器件的選配及系統(tǒng)的安裝與調(diào)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(jī)電動(dòng)機(jī)功率110kw，頻率50hz，額定電壓380v，額定電流204a，4極，轉(zhuǎn)速1470r/min，我們選用一臺(tái)富士牌frn110g1e-4c型重過載變頻器。因?yàn)閍tlas copco ga-110型空壓機(jī)是一種大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，因此選用能承受重過載的變頻器(110kw)。

(1)變頻器的主要參數(shù)

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(qiáng)迫風(fēng)冷。

輸出：標(biāo)準(zhǔn)適用電機(jī)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，過載能力為額定輸出電流的150%，運(yùn)行60s，最大輸出電壓對(duì)應(yīng)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(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)的核心元件，應(yīng)用高速微處理器實(shí)現(xiàn)正弦波脈寬調(diào)制(spwm)技術(shù)，具有無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(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)，構(gòu)成計(jì)算機(jī)監(jiān)控、群控系統(tǒng)。

c)自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。

d)自動(dòng)調(diào)整加減速時(shí)間。

e)禁止電機(jī)反轉(zhuǎn)。

f)帶過載(過熱保護(hù))。

g)內(nèi)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(hào)：dg1300-bz-a-2-2，量程：0~1mpa，輸出4~20ma的模擬信號(hào)。精確度0.5%fs。廠家：廣州森納士壓力儀器有限公司。

5.2 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

5.2.1 安裝

控制柜安裝在空壓機(jī)房?jī)?nèi)，與原控制柜分離，但與壓縮機(jī)之間的主配線不要超過30m?？刂苹芈返呐渚€采用屏蔽雙絞線，雙絞線的節(jié)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(guī)定不與動(dòng)力接地混用，以上措施增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

5.2.2調(diào)試

(1)變頻器功能設(shè)定

f02外部輸入信號(hào)：設(shè)定為1

f03最大操作頻率：設(shè)定為50hz(對(duì)應(yīng)最大電壓380v)

f04最大頻率：設(shè)定為50hz(等于電機(jī)額定頻率)

f10電子熱繼電器設(shè)為1

f11電子熱繼電器動(dòng)作值設(shè)為105

f12電子熱繼電器動(dòng)作時(shí)間設(shè)為1min

f15上限頻率：設(shè)定為50hz

f16下限頻率：設(shè)定為40hz

f42設(shè)定為00(v/f電壓頻率控制)

e21端子y2設(shè)定為1002

e31頻率檢測(cè)設(shè)定為40hz

e32頻率檢測(cè)滯后設(shè)定為1.0 hz

e43 led顯示器設(shè)為10

e44 led顯示器設(shè)為1(停止中)

e61端子12設(shè)定為3

e63端子v2設(shè)定為5

e98端子fwd設(shè)為1020，(pid控制)

h08設(shè)定為1：禁止反轉(zhuǎn)

h11減速模式設(shè)為0

h91 pid反饋線檢測(cè)設(shè)為2

j01 pid動(dòng)作選擇設(shè)為1

j02 pid過程指令設(shè)為1

j03 p值設(shè)為28

j04 i值設(shè)為12;其它功能遵照變頻器出廠設(shè)定值。

(2) pid參數(shù)的整定

在用變頻器內(nèi)置pid閉環(huán)控制功能時(shí)，原來的頻率給定通道變成目標(biāo)信號(hào)通道和反饋通道;預(yù)置的加減速時(shí)間無效;目標(biāo)值得數(shù)值與傳感器的量程有關(guān)。

對(duì)于像空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵等負(fù)載來說，對(duì)控制精度并沒有那么高的要求，通常。用pi控制就足夠了。所以，可以將d設(shè)定為0即可。

在對(duì)pid進(jìn)行參數(shù)整定的過程中，我們首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法，將比例增益設(shè)定到最小，而積分時(shí)間常數(shù)設(shè)定在20~30s;逐漸加大p，一直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩，然后取其半;逐漸減小i，一直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩，然后增加50%。一般來說，按照上述經(jīng)驗(yàn)法來設(shè)定參數(shù)，問題已經(jīng)基本解決。經(jīng)過多次調(diào)整，在比例增益p=28，積分時(shí)間常數(shù)ti=12s時(shí)，我們觀察到壓力的響應(yīng)過程較為理想。壓力在給定值改變5min左右(約一個(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。

(3)調(diào)試中其他事項(xiàng)

從圖4可以看出，整套改造裝置并不改變空壓機(jī)原有控制原理，也就是說原空壓機(jī)系統(tǒng)保護(hù)裝置依然有效;并且工頻/變頻切換采用了電氣及機(jī)械雙重聯(lián)鎖，從而大大的提高了系統(tǒng)的安全、可靠性。我們?cè)谡{(diào)試過程中，將下限頻率調(diào)至40hz，然后用紅外線測(cè)溫儀對(duì)空壓機(jī)電機(jī)的溫升及管路的油溫進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間、嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)，電機(jī)溫升約3~6℃之間，屬正常溫升范圍，油溫基本無變化(以上數(shù)據(jù)均為以原有工頻運(yùn)行時(shí)相比較)。所以40hz下限頻率運(yùn)行對(duì)空壓機(jī)機(jī)組的工作并無多大的影響。

6 結(jié)束語

經(jīng)過一系列的反復(fù)調(diào)整，最終系統(tǒng)穩(wěn)定在40.5~42.5hz的頻率范圍，管線壓力基本保持在0.65mpa，供氣質(zhì)量得到提高。改造后空壓機(jī)的運(yùn)行安全、可靠，同時(shí)達(dá)到了本廠用氣的工藝要求。