空壓機變頻恒壓供氣控制系統的設計

1  引言
     

　 　　隨著社會的發展和進步，高效低耗的技術已愈來愈受到人們的關注。在空壓機供氣領域能否應用變頻調速技術，節省電能同時改善空壓機性能、提高供氣品質就成為我們關心的一個話題。結合生產實際，我們選擇了一臺美國壽力LS-10型固定式螺桿空壓機進行了研究。　　

2  空壓機加、卸載供氣控制方式簡介
    作者以美國壽力LS-10型固定式螺桿空壓機電控原理圖(如圖3所示)為例,對加、卸載供氣控制方式進行簡單介紹。
SA1轉至自動位置，按下起動按鈕SB2，KT1線圈得電，其瞬時閉合延時斷開的動合觸點閉合，KM3和KM1線圈得電動作壓縮機電機開始Y形起動;此時進氣控制閥YV1得電動作，控制氣體從小儲氣罐中放出進入進氣閥活塞腔，關閉進氣閥，使壓縮機從輕載開始起動。當KT達到設定時間(一般為6秒后)其延時斷開的動斷觸點斷開，延時閉合的動合觸點閉合，KM3線圈斷電釋放，KM2線圈得電動作，空壓機電機從Y形自動改接成△形運行。此時YV1斷電關閉，從儲氣罐放出的控制氣被切斷，進氣閥全開，機組滿載運行。(注:進氣控制閥YV1只在起動過程起作用，而卸載控制閥YV4卻在起動完畢后起作用。)
    若所需氣量低于額定排氣量，排氣壓力上升，當超過設定的最小壓力值Pmin(也稱為加載壓力)時，壓力調節器動作，將控制氣輸送到進氣閥，通過進氣閥內的活塞，部分關閉進氣閥，減少進氣量，使供氣與用氣趨于平衡。當管線壓力繼續上升超過壓力調節開關(SP4)設定的最大壓力值Pmax(也稱為卸載壓力)時，壓力調節開關跳開，電磁閥YV4掉電。這樣，控制氣直接進入進氣閥，將進氣口完全關閉;同時，放空閥在控制氣的作用下打開，將分離罐內壓縮空氣放掉。
當管線壓力下降低于Pmin時，壓力調節開關SP4復位(閉合)，YV4接通電源，這時通往進氣閥和放空閥的控制氣都被切斷。這樣進氣閥重新全部打開，放空閥關閉，機組全負荷運行。　　

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之間關系可以用下式來表示:
Pmax＝(1＋δ)Pmin  (1)
δ是一個百分數，其數值大致在10%～25%之間。
    而若采用變頻調速技術可連續調節供氣量的話，則可將管網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較之變頻系統控制下的空壓機，所浪費的能量主要在2個部分:
(1) 壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量
在壓力達到Pmin后，原控制方式決定其壓力會繼續上升(直到Pmax)。這一過程中必將會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的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過減壓閥減壓至接近Pmin。這一過程同樣是一個耗能過程。
(2) 卸載時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，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使電機處于空轉狀態，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。
關閉進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螺桿做回轉運動，據我們測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%～15%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機10%的時間處于空載狀態，在作無用功。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) 靠機械方式調節進氣閥，使供氣量無法連續調節，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調節進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。
    (2) 頻繁采用打開和關閉放氣閥，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題，經過上述對比分析，本人認為可應用變頻調速技術進行恒壓供氣控制。采用這一方案時，我們可以把管網壓力作為控制對象，壓力變送器YB將儲氣罐的壓力P轉變為電信號送給PID智能調節器，與壓力設定值P0作比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產生控制信號送變頻調速器VVVF，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉速，從而使實際壓力P始終接近設定壓力P0。同時，該方案可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啟動，實現了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊。
具體的控制系統流程圖如圖1所示。　　

圖1     恒壓供氣控制系統流程圖　　

    變頻與工頻電源的切換電路如圖2所示; 空壓機電控原理圖如圖3所示;變頻調速控制系統接線圖見圖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
(1) 變頻器　　

圖2      變頻和工頻電源的切換電路　　

    LS-10型固定式螺桿壓縮機電機型號:LS286TSC-4，功率22kW，頻率50Hz，額定電壓380V，額定電流42A，4極，轉速1470r/min，我們選用一臺“臺達牌”VFD300B43A型變頻器。因為LS-10型空壓機是一種大轉動慣量負載，因此選用加大一級變頻器(30kW)，變頻器的外部接線如圖5所示。
a) 變頻器的主要參數
    l 輸出:最大適用電機輸出功率30kW，輸出額定容量45.7kVA，輸出額定電流60A，輸出頻率范圍0.10~400Hz，過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。
    l 輸入:3相，380~460V AC，50/60Hz，電壓容許變動范圍±10%，頻率容許變動范圍±5%。輸入電流60A，采用強迫風冷。
(2) 該變頻器的主要特點:
    a) 采用了新一代電力元件IGBT作為驅動交流電動機的核心元件，應用高速微處理器實現正弦波脈寬調制(SPWM)技術，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，可與計算機聯結，構成計算機監控、群控系統。
    c) 自動轉矩補償。 e) 禁止電機反轉。
    d) 自動調整加減速時間。  f) 帶過載(過熱保護)。
(2) PID智能控制器
    蘭利牌PID智能控制器一個，型號:AL808，單路輸入、輸出，輸出為4~20mA模擬信號，測量精度0.2%，廠家:深圳市亞特克電子有限公司。
(3) 壓力變送器
    壓力變送器一個型號:DG1300-BZ-A-2-2，量程:0~1Mpa，輸出4~20mA的模擬信號。精確度0.5%FS。廠家:廣州森納士壓力儀器有限公司。　　

5.2 系統的安裝與調試　　

圖3      空壓機電控原理圖　　

圖4    控制系統接線圖　　

(1) 安裝
    控制柜安裝在空壓機房內，與原控制柜分離，但與壓縮機之間的主配線不要超過30m。控制回路的配線采用屏蔽雙絞線，雙絞線的節距在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力接地混用，以上措施增強了系統的穩定性、可靠性。
(2) 調試
    a)變頻器功能設定
00-09設定為00(V/f電壓頻率控制)
01-00最大操作頻率:設定為50Hz(對應最大電壓380V)
01-01最大頻率:設定為50Hz(等于電機額定頻率)
01-07上限頻率:設定為48Hz
01-08下限頻率:設定為40Hz
01-09第一加速時間:設定為10S
01-10第一減速時間:設定為10S
02-00設定為02，即由外部4~20mA輸入(ACI)
02-01設定為01:運行指令由外部端子控制
02-02設定為00(以減速制動方式停止)
02-04設定為01:禁止反轉                    02-07設定為00:ACI斷線時減速至0Hz
06-04設定為:150%(過載保護)，其它功能遵照變頻器出廠設定值。
    b) PID參數的整定
    由于用于控制變頻器，根據在不允許輸出信號頻繁變化的應用系統中應選擇PI調節方式原則，因此只能采用PI調節方式，以減少對變頻器的沖擊。
    在對PID進行參數整定的過程中，我們首先根據經驗法，將比例帶設定在70%，積分時間常數設定在60s;為不影響生產，我們采取改變給定值的方法使壓力給定值有個突變(相當于一個階躍信號)，然后觀察其響應過程(即壓力變化過程)。經過多次調整，在比例帶P=40%，積分時間常數Ti=12s時，我們觀察到壓力的響應過程較為理想。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波動，對擾動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鎖，從而大大的提高了系統的安全、可靠性。
我們在調試過程中，將下限頻率調至40Hz，然后用紅外線測溫儀對空壓機電機的溫升及管路的油溫進行了長時間、嚴格的監測，電機溫升約3~6℃之間，屬正常溫升范圍，油溫基本無變化(以上數據均為以原有工頻運行時相比較)。所以40Hz下限頻率運行對空壓機機組的工作并無多大的影響。　　

圖5    變頻器的外部接線圖　　

6  結束語
    經過一系列的反復調整，最終系統穩定在40.5~42.5Hz的頻率范圍，管線壓力基本保持在0.62Mpa，供氣質量得到提高。改造后空壓機的運行安全、可靠，同時達到了水廠用氣的工藝要求。