變頻器在螺桿空壓機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用

1 概述

空壓機(jī)是一種利用電能將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使氣體具有一定壓力的設(shè)備。空壓機(jī)作為工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備，在冶金、礦山、紡織、生化等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，它擔(dān)負(fù)著為工廠所有氣動(dòng)部件提供氣源的職責(zé)，但是由于其自身結(jié)構(gòu)的原因存在著明顯的技術(shù)弱點(diǎn)。傳統(tǒng)的空壓機(jī)供氣控制方式幾乎全部是采用加載、卸載的控制方式，即當(dāng)輸出壓力大于設(shè)定壓力時(shí)，卸壓閥自動(dòng)打開卸壓，使電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行，造成了能源的極大浪費(fèi);當(dāng)輸出壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，電動(dòng)機(jī)又加載運(yùn)行，由于電動(dòng)機(jī)在工頻啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊比較大，電動(dòng)機(jī)的軸承很容易磨損壞。此外由于頻繁加、減載，空壓機(jī)的進(jìn)氣閥也極易損壞。

隨著變頻器技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，變頻調(diào)速技術(shù)在各種行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。此外PLC 具有強(qiáng)大的工業(yè)控制功能，觸摸屏編程簡(jiǎn)單，可以方便的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。由變頻器、PLC與觸摸屏組合所構(gòu)成的閉環(huán)控制節(jié)能系統(tǒng)，已成為一種自動(dòng)控制的發(fā)展趨勢(shì)。

2 傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)中存在的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)如圖1 所示。

傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要有兩種：一種是加載狀態(tài)，另一種是空載狀態(tài)。其電能浪費(fèi)主要有如下幾個(gè)方面。

2.1 加載時(shí)的電能消耗

加載狀態(tài)是指在壓力為最小值后，將壓力繼續(xù)上升到最大壓力值的狀態(tài)。在加壓過(guò)程中,一定會(huì)向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)元件前，其壓力需要經(jīng)過(guò)減壓閥減壓，這一過(guò)程同樣也是一個(gè)耗能過(guò)程。

2.2 卸載時(shí)的電能消耗

在傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)中，為了不頻繁啟動(dòng)電機(jī)，所以在用氣量少時(shí)仍然要求電機(jī)空載運(yùn)行，這種狀況當(dāng)然是在浪費(fèi)電能。另外，當(dāng)壓力達(dá)到壓力最大值時(shí)，空壓機(jī)通過(guò)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(guò)放空閥放空的方法來(lái)降壓卸載，顯然，這種調(diào)節(jié)方法也會(huì)造成很大的能量浪費(fèi)。據(jù)測(cè)算，根據(jù)空壓機(jī)卸載時(shí)占運(yùn)行時(shí)間的比例的不同，卸載損耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的10%耀30%。即在空壓機(jī)運(yùn)行中，很多時(shí)間是處于空載狀態(tài)，在作無(wú)用功。

2.3 壓力波動(dòng)的電能消耗

傳統(tǒng)空壓機(jī)的供氣系統(tǒng)對(duì)壓力的控制采取的是對(duì)上限、下限值的控制，即首先根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備所要求的最低壓力，設(shè)定空壓機(jī)輸出壓力的下限，也就是空壓機(jī)開始加載的壓力;再在最低壓力上加0.1 MPa 左右，作為空壓機(jī)輸出壓力的上限，即開始卸載的壓力。這樣，空壓機(jī)的輸出工作壓力將在上下限之間波動(dòng)。由于空壓機(jī)的功率消耗和輸出壓力成正比，所以輸出的壓力越高消耗的功率也越大。

3 空壓機(jī)變頻調(diào)速恒壓供氣原理

針對(duì)傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，采用PLC 與變頻器調(diào)速相結(jié)合構(gòu)成了自動(dòng)恒壓供氣系統(tǒng)，如圖2 所示。

此恒壓供氣系統(tǒng)中變頻器采用ABB-ACS550變頻器，根據(jù)PLC 發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)整產(chǎn)氣量的目的，從而使供氣量與用氣量平衡實(shí)現(xiàn)恒壓供氣，并且還可以將變頻器內(nèi)部的運(yùn)行參數(shù)反饋到PLC。

PLC 選用西門子S7-200小型PLC。PLC 作為控制單元，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要作用是：

1)完成對(duì)系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)字量與模擬量的相互轉(zhuǎn)換;

2)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制及PID 調(diào)節(jié)的運(yùn)算;

3)向觸摸屏提供所采集及處理的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行觸摸屏發(fā)出的各種指令;

4)將PID運(yùn)算的數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，作為調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率的控制信號(hào)。

此外，PLC控制系統(tǒng)可以根據(jù)供氣壓力要求，控制空壓機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，如圖3 所示。當(dāng)1裕空壓機(jī)調(diào)速到50 Hz 運(yùn)行后仍然不能滿足供氣壓力要求時(shí)，即將1#空壓機(jī)切換為工頻運(yùn)行，再變頻啟動(dòng)2#空壓機(jī)，當(dāng)1#、2#均在50 Hz 運(yùn)行時(shí)壓力仍然不能滿足要求時(shí)，將2#空壓機(jī)也切換為工頻運(yùn)行，然后再去控制3# 空壓機(jī)變頻運(yùn)行;反之當(dāng)用氣量減少供氣壓力將要變高時(shí)，便停掉1#空壓機(jī)，控制3#空壓機(jī)變頻運(yùn)行，直至到控制最后一臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行?？諌簷C(jī)切換順序可以在PLC程序中設(shè)定。

空壓機(jī)恒壓供氣系統(tǒng)中的壓力變送器、震蕩傳感器等檢測(cè)到的實(shí)際參數(shù)值被轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后都會(huì)上傳至PLC。

4 變頻調(diào)速恒壓供氣特點(diǎn)

1)空壓機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即轉(zhuǎn)矩在不同速度下保持不變，但所需功率和速度成正比，采用變頻調(diào)速使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，因而達(dá)到了節(jié)能的目的。

2)自動(dòng)恒壓供氣系統(tǒng)的壓力設(shè)定可以是一點(diǎn)，即可以將滿足生產(chǎn)設(shè)備要求的最低壓力作為設(shè)定壓力，PLC 將根據(jù)管網(wǎng)壓力上下波動(dòng)的趨勢(shì)，調(diào)節(jié)變頻器輸出的轉(zhuǎn)速快慢，從而消除了空壓機(jī)的卸載運(yùn)行，節(jié)約了電能。

3)由于恒壓供氣使得管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，可以降低甚至消除壓力的波動(dòng)，從而使系統(tǒng)中所有運(yùn)行的空壓機(jī)都在一個(gè)滿足生產(chǎn)要求的較低的壓力下運(yùn)行，這樣減少了壓力向上波動(dòng)造成的功率損失。

4)由于壓縮機(jī)不能排除在滿負(fù)載狀態(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)決定電動(dòng)機(jī)的容量，故電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)容量一般偏大，但在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時(shí)間所占的比例非常高。采用變頻調(diào)速后，大大提高運(yùn)行時(shí)的工作效率，因此節(jié)能潛力很大。

5)單電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)大多不能根據(jù)負(fù)載的輕重連續(xù)地調(diào)節(jié)。而采用了變頻調(diào)速后，則可以十分方便地進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，能保持壓力、溫度等參數(shù)的穩(wěn)定，從而大大提高壓縮機(jī)的工作性能。

5 改造實(shí)例

以曾經(jīng)進(jìn)行變頻節(jié)能改造的1 臺(tái)110 kW 空壓機(jī)為例，改造后系統(tǒng)運(yùn)行曲線如圖4所示，變頻改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1 所列。

圖中曲線淤為變頻器運(yùn)行頻率曲線(0 Hz 對(duì)應(yīng)0%，50 Hz對(duì)應(yīng)100%)，直線于為壓力設(shè)定值0.6 MPa，曲線盂為實(shí)際壓力值。從圖中可以看出為了保證實(shí)際值和設(shè)定值相等，變頻器運(yùn)行頻率會(huì)隨負(fù)荷的變化而變化，運(yùn)行頻率在35 Hz和40 Hz之間變化。

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)變頻節(jié)能改造后的自動(dòng)恒壓供氣系統(tǒng)，節(jié)電效果明顯。

6 變頻改造注意事項(xiàng)

1)空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，變頻器在啟動(dòng)這類負(fù)載時(shí)易出現(xiàn)跳閘過(guò)流保護(hù)的情況，建議采用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無(wú)速度傳感器矢量變頻器，這樣既能保證實(shí)現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。

2)空壓機(jī)電機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行，所以工作下限應(yīng)不低于20 Hz。

3)建議選用比空壓機(jī)功率大一等級(jí)的變頻器，以免空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)變頻器頻繁跳閘的情況。

4)為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，這樣還可以減少電機(jī)運(yùn)行的噪音。

5)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻器出現(xiàn)異?；虮Ｗo(hù)動(dòng)作時(shí)，將變頻運(yùn)行方式切換為工頻運(yùn)行，從而不會(huì)影響生產(chǎn)。

7 結(jié)語(yǔ)

空壓機(jī)采用PLC控制的變頻調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)恒壓供氣，使用方便，工作可靠，系統(tǒng)壓力恒定，具有較好的控制效果。最主要的是實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能，節(jié)能效果可達(dá)30%左右，同時(shí)由于采用變頻器實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟起動(dòng)，所以減少了設(shè)備損耗，延長(zhǎng)了空壓機(jī)的使用壽命。而觸摸屏的應(yīng)用使用戶能夠簡(jiǎn)單直觀地監(jiān)控整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，從而提高了整個(gè)被控系統(tǒng)以及企業(yè)的自動(dòng)化程度和硬件檔次。

作者簡(jiǎn)介：

姜洪松，男，工程師，現(xiàn)就職于希杰(聊城)生物科技有限公司，負(fù)責(zé)項(xiàng)目的應(yīng)用。