空壓機(jī)變頻恒壓供氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、空壓機(jī)變頻恒壓供氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1引言空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用。在供水行業(yè)小，它擔(dān)負(fù)著為水廠所有氣動元件，包括各種氣動 閥門，提供氣源的職責(zé)。因此它運(yùn)行的好壞直接影響水廠生產(chǎn)工藝。空壓機(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)、美國壽力螺桿壓縮機(jī)和atlas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單、操作簡便，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。 隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，高效低耗的技術(shù)己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)省電能同時改善空壓機(jī)性

2、能、提高供氣品質(zhì)就成為我們關(guān)心的一個話題。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，我們選擇了 一臺美國壽力ls-10型i占i定式螺桿空壓機(jī)進(jìn)行了研究。2空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式簡介作者以美國壽力ls-10型固定式螺桿空壓機(jī)電控原理圖（如圖3所示）為例，對加、卸載供氣控制方式進(jìn)行 簡單介紹。sa1轉(zhuǎn)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(diǎn)閉合，km3和km1 線圈得電動作壓縮機(jī)電機(jī)開始y形起動;此時進(jìn)氣控制閥丫v1得電動作，控制氣體從小儲氣罐屮放出進(jìn)入進(jìn) 氣閥活塞腔，關(guān)閉進(jìn)氣閥，使壓縮機(jī)從輕載開始起動。當(dāng)kt達(dá)到設(shè)定時間（一般為6秒后）其延時斷開的動斷 觸點(diǎn)斷開，延時閉合的動合觸點(diǎn)

3、閉合，km3線圈斷電釋放，km2線圈得電動作，空壓機(jī)電機(jī)從y形自動改接 成形運(yùn)行。此時yv1斷電關(guān)閉，從儲氣罐放出的控制氣被切斷，進(jìn)氣閥全開，機(jī)組滿載運(yùn)行。（注:進(jìn)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(dāng)超過設(shè)定的最小壓力值pmin（也稱為加載壓力）時，壓力 調(diào)節(jié)器動作，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)（sp4）設(shè)定的最大壓力值pmax他稱為卸載壓力）時，壓力 調(diào)節(jié)開關(guān)跳開，電磁閥yv4掉電。這樣，控制氣直接進(jìn)入進(jìn)氣閥，

4、將進(jìn)氣口完全關(guān)閉;同時，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，壓力調(diào)節(jié)開關(guān)sp4復(fù)位（閉合），yv4接通電源，這時通往進(jìn)氣閥和放空閥的 控制氣都被切斷。這樣進(jìn)氣閥垂新全部打開，放空閥關(guān)閉，機(jī)組全負(fù)荷運(yùn)行。3力口、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 '-pmaxz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 +8）pmin （1）6是一個而分?jǐn)?shù)，其數(shù)值大致在10%25%z間。而若采用變頻調(diào)

5、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。由此町知，在加、卸載供氣控制方式下的空壓機(jī)較z變頻系統(tǒng)控制卜-的空壓機(jī)，所浪費(fèi)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(dá)到pmin后,原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升(直到pmax)。這一過程屮必將會向外界釋放更多的 熱雖，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 一個耗能過程。(2) 卸載時調(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，空壓機(jī)通過如卜-方法來降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥

6、使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài), 同時將分離讎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)小述是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn) 運(yùn)動，據(jù)我們測算，空圧機(jī)卸載時的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時的10%15%(這還是在卸載時間所占比例不 大的情況卜一)。換言z,該空壓機(jī)10%的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下, 空圧機(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,供氣壓力不可避免地產(chǎn)生 較人幅度的波動。用氣精度達(dá)不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣

7、閥，會加速進(jìn)氣閥的磨損，増加維修量和 維修成木。(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)針對原有供氣控制方式存在的諸多問題，經(jīng)過上述對比分析，木人認(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，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(zhuǎn)變?yōu)殡?信號送給pid鋼能調(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)生控制信號送變頻調(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，該方案可增加t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

8、，采用該方案 后，空壓機(jī)電機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可山變頻器來啟動，實(shí)現(xiàn)了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機(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。pid智能控劇卜一|壓力変送器ji伍力設(shè)定值p。圖1恒壓供氣控制系統(tǒng)流程圖變頻與工頻電源的切換電路如圖2所示；空壓機(jī)電控原理圖如圖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(1) 變頻器akm5qf2一vwfakm4圖2變頻和工頻電源的切換電路ls-10m固定式螺桿壓縮機(jī)電機(jī)型號:ls286tsc-4,功率22kw,頻率50h乙額定電壓380v,額定電流 42a, 4極，轉(zhuǎn)速1470r/

9、min,我們選用一臺“臺達(dá)牌“vfd300b43a型變頻器。因?yàn)閘s-10型空壓機(jī)是一種大 轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載，因此選用加人一級變頻器(30kw),變頻器的外部接線如圖5所示。a) 變頻器的主耍參數(shù)i輸出:最大適用電機(jī)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(yùn)行60s,授人輸出電壓對應(yīng)輸入電源。i輸入:3相，380460vac, 50/60h乙電壓容許變動范鬧±10%,頻率容許變動范圍士5%。輸入電流60a, 采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。(2) 該變頻器的主要特點(diǎn)：a) 采用了新一代電力元件igbt作為駛動交

10、流電動機(jī)的核心元件，應(yīng)用高速微處理器實(shí)現(xiàn)e弦波脈寬調(diào) 制(spwm)技術(shù)，具有無傳感器矢量控制及電丿也頻率(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) 自動轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。e)禁止電機(jī)反轉(zhuǎn)。d) 自動調(diào)整加減速時間。f)帶過載(過熱保護(hù))。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:深圳市亞特克電了有限公司。(3) 壓力變送器壓力變送器一個型號:dg1300-bz-a-2-2,量程:01mpa,輸出420ma的模擬信號。粘:確度0.5%fs。 廠家:廣州森納士壓力儀器

11、有限公司。5.2系統(tǒng)的安裝與調(diào)試圖3空壓機(jī)電控原理圖a任g 幻hhllgc存， it mlhutxft,圖4控制系統(tǒng)接線圖（1）安裝控制柜安裝在空床機(jī)房內(nèi)，與原控制柜分離，但與壓縮機(jī)z間的主配線不要超過30m。控制冋路的配 線采用屏蔽雙絞線，雙絞線的節(jié)距在15m以下。另外控制柜上裝有換氣裝豐，變頻器接地端子按規(guī)定不與 動力接地混用，以上措施増強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。（2）調(diào)試a）變頻器功能設(shè)定00-09設(shè)定為00（v/f電壓頻率控制）01-oolii a操作頻率:設(shè)定為50hz（對應(yīng)最大電壓380v）01 -01故大頻率:設(shè)定為50hz（等于電機(jī)額定頻率）01-07 l:限頻率:設(shè)定為48h

12、z01-08下限頻率:設(shè)定為40hz0109第一加速時間:設(shè)定為10s01 -10第一減速時間:設(shè)定為10s0200設(shè)定為02,即由外部420ma輸入（aci）02-01設(shè)定為01:運(yùn)行指令由外部端子控制02-02設(shè)定為00（以減速制動方式停止）0204設(shè)定為01:禁止反轉(zhuǎn)02-07設(shè)定為00:aci斷線時減速至0hz06-04設(shè)定為:150%（過載保護(hù)），其它功能遵照變頻器出廠設(shè)定值。b）pid參數(shù)的整定由于用于控制變頻器，根據(jù)在不允許輸出信號頻繁變化的應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)選擇pi調(diào)節(jié)方式原則，因此只 能采用pi調(diào)節(jié)方式，以減少對變頻器的沖擊。在對pid進(jìn)行參數(shù)整定的過程屮，我們首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法，將比

13、例帶設(shè)定在70%,積分時間常數(shù)設(shè)定在 60s；為不影響生產(chǎn),我們采取改變給定值的方法使壓力給定值有個突變（相當(dāng)于一個階躍信號），然后觀察其 響應(yīng)過程（即壓力變化過程）。經(jīng)過多次調(diào)整，徃比例帶p=40%,積分時間常數(shù)ti=12s時，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（約一個多周期）后，振幅在極小的范圍內(nèi)波動，對擾 動反應(yīng)達(dá)到了預(yù)期的效果。（3）調(diào)試屮其他事項(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，也就是說原空圧機(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，從而大大的捉高了系統(tǒng)的安全、可靠性。我們在調(diào)試過程中,將下限頻率調(diào)至40hz,然后用紅外線測溫儀對空圧機(jī)電機(jī)的溫升及管路的油溫進(jìn)行了 長時間、嚴(yán)格的監(jiān)測，電機(jī)溫升約36cz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)行時相比較）。所以40hz下限頻率運(yùn)行對空壓機(jī)機(jī)組的工作并無多大的影響。圖5變頻器的外部接線圖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40.542.5hz的頻率范抓管線壓力基本保持在0.62mpa, 供氣質(zhì)量得到捉高。改造后空壓機(jī)的運(yùn)行安全、可靠，同