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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)在生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用。在供水行業(yè)中，它擔(dān)負(fù)著為水廠所有氣動(dòng)元件，包括各種氣動(dòng)閥門(mén)，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(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。例如我廠使用的南京三達(dá)活塞式空壓機(jī)、美國(guó)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(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(wèn)題。
隨著的發(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(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)美國(guó)壽力LS-10型固定式螺桿空壓機(jī)進(jìn)行了研究。
2 空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式簡(jiǎn)介
作者以美國(guó)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(duì)加、卸載供氣控制方式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
SA1轉(zhuǎn)至自動(dòng)位置，按下起動(dòng)按鈕SB2，KT1線圈得電，其瞬時(shí)閉合延時(shí)斷開(kāi)的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，KM3和KM1線圈得電動(dòng)作壓縮機(jī)電機(jī)開(kāi)始Y形起動(dòng);此時(shí)進(jìn)氣控制閥YV1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(kāi)始起動(dòng)。當(dāng)KT達(dá)到設(shè)定時(shí)間(一般為6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，KM3線圈斷電釋放，KM2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)YV1斷電關(guān)閉，從儲(chǔ)氣罐放出的控制氣被切斷，進(jìn)氣閥全開(kāi)，機(jī)組滿載運(yùn)行。(注:進(jìn)氣控制閥YV1只在起動(dòng)過(guò)程起作用，而卸載控制閥YV4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(guò)設(shè)定的最小壓力值Pmin(也稱(chēng)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(guò)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(guò)壓力調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)(SP4)設(shè)定的最大壓力值Pmax(也稱(chēng)為卸載壓力)時(shí)，壓力調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，電磁閥YV4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(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(kāi)關(guān)SP4復(fù)位(閉合)，YV4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(jī)組全負(fù)荷運(yùn)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 (1)
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(guò)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(guò)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(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(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(guò)如下方法來(lái)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(guò)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(wú)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) 靠方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無(wú)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。
(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(shè)計(jì)
針對(duì)原有供氣控制方式存在的諸多問(wèn)題，經(jīng)過(guò)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)殡娦盘?hào)送給PID智能調(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(hào)送變頻調(diào)速器VVVF，通過(guò)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(lái)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(lái)的機(jī)械沖擊。
具體的控制系統(tǒng)流程圖如圖1所示。
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(jiàn)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
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(jī)電機(jī)型號(hào):LS286TSC-4，功率22kW，頻率50Hz，額定電壓380V，額定電流42A，4極，轉(zhuǎn)速1470r/min，我們選用一臺(tái)“臺(tái)達(dá)牌”VFD300B43A型變頻器。因?yàn)長(zhǎng)S-10型空壓機(jī)是一種大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，因此選用加大一級(jí)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(shù)
l 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(guò)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。
l 輸入:3相，380~460V AC，50/60Hz，電壓容許變動(dòng)范圍±10%，頻率容許變動(dòng)范圍±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(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。 e) 禁止電機(jī)反轉(zhuǎn)。
d) 自動(dòng)調(diào)整加減速時(shí)間。 f) 帶過(guò)載(過(guò)熱保護(hù))。
(2) PID智能控制器
蘭利牌PID智能控制器一個(gè)，型號(hào):AL808，單路輸入、輸出，輸出為4~20mA模擬信號(hào)，測(cè)量精度0.2%，廠家:深圳市亞特克有限公司。
(3) 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
圖3 空壓機(jī)電控原理圖
圖4 控制系統(tǒng)接線圖
(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(guò)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。
(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)
01-00最大操作頻率:設(shè)定為50Hz(對(duì)應(yīng)最大電壓380V)
01-01最大頻率:設(shè)定為50Hz(等于電機(jī)額定頻率)
01-07上限頻率:設(shè)定為48Hz
01-08下限頻率:設(shè)定為40Hz
01-09第一加速時(shí)間:設(shè)定為10S
01-10第一減速時(shí)間:設(shè)定為10S
02-00設(shè)定為02，即由外部4~20mA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(dòng)方式停止)
02-04設(shè)定為01:禁止反轉(zhuǎn)
02-07設(shè)定為00:ACI斷線時(shí)減速至0Hz
06-04設(shè)定為:150%(過(guò)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(hào)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(duì)變頻器的沖擊。
在對(duì)PID進(jìn)行參數(shù)整定的過(guò)程中，我們首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法，將比例帶設(shè)定在70%，積分時(shí)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(gè)突變(相當(dāng)于一個(gè)階躍信號(hào))，然后觀察其響應(yīng)過(guò)程(即壓力變化過(guò)程)。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，在比例帶P=40%，積分時(shí)間常數(shù)Ti=12s時(shí)，我們觀察到壓力的響應(yīng)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(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(shuō)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(guò)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(wú)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(wú)多大的影響。
圖5 變頻器的外部接線圖
6 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)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0.62Mpa，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)到了水廠用氣的工藝要求。
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