1、空氣壓縮機的變頻調(diào)速及應(yīng)用Application of frequency conversion timing of air compressors 王廷才 刁紅宇河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南陽理工學(xué)院摘要:針對空氣壓縮機加、卸載供氣控制方式存在的問題，論述了變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制方式的安裝調(diào)試及空壓機變頻改造后增加了效益。關(guān) 鍵 詞:空氣壓縮機   變頻調(diào)速  中圖分類號 TH452 文獻標識碼 A 文章編號：1006-8155（2005）03-0036-05Abstract:Key words: Air compressor frequency

2、conversion timing 1 引言空氣壓縮機在工礦企業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。它擔(dān)負著為各種氣動元件和氣動設(shè)備提供氣源的重任。因此空氣壓縮機運行的好壞直接影響生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。空氣壓縮機是一種把空氣壓入儲氣罐中，使之保持一定壓力的機械設(shè)備，屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，其運行功率與轉(zhuǎn)速成正比： (1)式中 PL空氣壓縮機功率TL空氣壓縮機轉(zhuǎn)矩 nL空氣壓縮機轉(zhuǎn)速所以就運行功率而言，采用變頻調(diào)速控制的節(jié)能效果遠不如風(fēng)機泵類二次方負載顯著，但空氣壓縮機大都處于長時間連續(xù)運行狀態(tài)，傳統(tǒng)的工作方式為進氣閥開、關(guān)控制方式，即壓力達到上限時關(guān)閥，使壓縮機進入輕載運行；壓力達到下限時開閥，使壓縮機進入滿載運行。

3、這種頻繁地加減負荷過程，不僅使供氣壓力波動，而且還會使空氣壓縮機的負荷狀態(tài)頻繁地變換。又由于設(shè)計時壓縮機不能排除在滿負荷狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以只能按最大需求來選擇電動機的容量，故選擇的電動機容量一般都較大。而在實際運行中，輕載運行的時間所占的比例卻非常高，這就造成巨大的能源浪費。 值得指出的是，供氣壓力的穩(wěn)定性對產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大，通常生產(chǎn)工藝對供氣壓力有一定要求，若供氣壓力偏低，就不能滿足工藝要求，而且可能出現(xiàn)廢品，所以為了避免氣壓不足，一般供氣壓力較要求值要高些，從而造成供氣成本高，能耗大，同時也存在著一定的不安全因素。 變頻調(diào)速是80年代初發(fā)展起來的新技術(shù)，具有易操作、免維護、控

4、制精度高等優(yōu)點。普通電動機采用變頻調(diào)速后，在其拖動負載無須任何改動的情況下，便可按照生產(chǎn)工藝要求來調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出以滿足工況要求。因此完全可以用變頻器驅(qū)動的方案取代加、卸載供氣控制方式的方案，從而電機可根據(jù)用氣量的大小來自動調(diào)整轉(zhuǎn)速以保證供氣壓力恒定，使電機低于額定轉(zhuǎn)速連續(xù)運轉(zhuǎn)，可有效地克服電機頻繁改變運行狀態(tài)所帶來的諸多弊端，達到系統(tǒng)高效節(jié)能運行的目的。2 空氣壓縮機加、卸載供氣控制方式存在的問題2.1 浪費能量 空氣壓縮機加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在pminpmax之間來回變化。pmin是能夠保證用戶正常工作的最低壓力值，pmax是設(shè)定的最高壓力值。一般情況下，pmax和pmin之間關(guān)

5、系可用下式表示:pmax(1)pmin                   (2)式中值在10%25%之間。若采用變頻調(diào)速技術(shù)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，即等于pmin的數(shù)值。由此可見，加、卸載供氣控制方式浪費的能量主要在三個部分:（1） 壓縮空氣壓力超過pmin所消耗的能量當儲氣罐中空氣壓力達到pmin后，加、卸載供氣控制方式還要使其壓力繼續(xù)上升，直到pmax。這一過程需要電

6、源提供壓縮機能量，這是一種能量損失。（2）減壓閥減壓消耗的能量氣動元件的額定氣壓在pmin左右，高于pmin的氣體進入氣動元件前的壓力，這就需要用減壓閥將其減至接近pmin。這同樣是一種能量損失。（3） 卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量通常情況下，當壓力達到pmax時，空氣壓縮機通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進氣閥使空氣壓縮機不需要再壓縮氣體做功，但空氣壓縮機的電機還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運動，據(jù)測算，空氣壓縮機卸載時的能耗約占空氣壓縮機滿載運行時的10%15%，在卸載期間，空氣壓縮機做無用功，無謂地消耗能量。同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空，這又是一種能量浪費。2.2 其他損失（1） 靠

7、機械方式調(diào)節(jié)進氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當用氣量不斷變化時，供氣壓力難免要產(chǎn)生較大幅度的波動，從而使供氣壓力精度達不到工藝要求，這就會影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至造成廢品。再加上頻繁調(diào)節(jié)進氣閥，還會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。    （2） 頻繁地開/關(guān)放氣閥，使放氣閥壽命大大縮短。3  空氣壓縮機變頻調(diào)速控制方式的設(shè)計3.1 空氣壓縮機變頻調(diào)速系統(tǒng)概述變頻器是基于交-直-交電源變換原理，集電力電子和微計算機控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。變頻器可根據(jù)控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。由電機知識知道，電機轉(zhuǎn)速與電源頻率有成正比的關(guān)系： n =

8、60 f（1-S）P (3)式中n轉(zhuǎn)速f輸入交流電頻率S電機轉(zhuǎn)差率P電機磁極對數(shù)因此，用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空壓機電動機的電源電壓，就可以方便地改變空壓機的轉(zhuǎn)速。空氣壓縮機采用變頻調(diào)速技術(shù)進行恒壓供氣控制時，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)原理框圖變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按預(yù)先設(shè)定好的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和頻率，調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力上。另外，采用該方案后，空氣壓縮機電機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)

9、軟啟動，避免了啟動時大電流對電網(wǎng)的沖擊和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機在變頻調(diào)速控制方式下工作。考慮到一旦變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，生產(chǎn)工藝過程又不允許空氣壓縮機停機，因此系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻系統(tǒng)的切換功能，這樣當變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機仍能正常工作。3.2 變頻器的選擇由于空氣壓縮機是恒轉(zhuǎn)矩負載，故變頻器可選用通用型的。又因為空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速也不允許超過額定值，電動機不會過載，一般變頻器出廠標注的額定容量都具有一定的余量安全系數(shù)，所以選擇變頻器容量與所驅(qū)動的電動機容量相同即可。若考慮更大的余量，也可以選擇比電動機容量大一個級別

10、的變頻器，但價格要高出不少。我院改造的壓縮機電機型號為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。選用一臺三菱FR-A540-22K型變頻器，配用電動機容量22kW，額定容量32.8kVA，額定電流43A，額定過電流能力150%（1 min），內(nèi)置有PID調(diào)節(jié)器。3.3 變頻器的運行控制方式選擇由于空氣壓縮機的運轉(zhuǎn)速度不宜太低，對機械特性的硬度無任何要求，故可采用V/F控制方式。3.4 空氣壓縮機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖空氣壓縮機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。圖2 空氣壓縮機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖3.5 變頻器的端子連接說

11、明（1）R、S、T為變頻器的三相交流電源輸入端子，U、V、W為變頻電壓輸出端子。（2）變頻器的接線端子R1、S1為控制電源引入端，一般在變頻器通電前，須事先對變頻器的有關(guān)功能進行預(yù)置，故R1、S1應(yīng)接至接觸器主觸點KM1的前面。（3）變頻器對外輸出控制端子IPF、OL和FU都是晶體管集電極開路門輸出，只能用于36V以下的直流電路內(nèi)，而我國尚未生產(chǎn)線圈電壓為直流低壓的接觸器。而采用線圈電壓為24V的繼電器KA1、KA2和KA3來過渡，即由這3個繼電器分別控制3個交流接觸器：KA1控制KM1，KA2控制KM2，KA3控制KM3。當KM1、KM2 接通時，空氣壓縮機在變頻器控制下運行，當KM3 接通

12、時，空氣壓縮機在工頻電源控制下運行。（4）A、B、C為故障報警異常輸出端，正常時A-C間不通，異常時A-C間通。（5）端子MRS，當與公共端SD接通時（ON），變頻運行和工頻運行切換有效，不通時（OFF）操作無效。（6）端子CS，當與公共端SD接通時（ON），變頻運行，不通時（OFF）工頻運行。（7）端子STF，當與公共端SD接通時（ON），電動機正轉(zhuǎn)，不通時（OFF）電動機停止。（8）端子OH，當與公共端SD接通時（ON），電動機正常，不通時（OFF）電動機過載。（9）端子RES，當與公共端SD接通時（ON），初始化，不通時（OFF）正常運行。（10）端子RT，當與公共端SD接通時（ON），

13、進入PID運行狀態(tài)，不通時（OFF）PID不起作用。3.6 壓力變送器的選用與連接  根據(jù)用戶要求的供氣壓力為0.6 M Pa，選擇的壓力變送器型號:DG1300-BZ-A-2-2，量程:01MPa，輸出420mA的模擬信號。精確度0.5%FS。壓力變送器的連接說明如下：（1）10E端與5號端為壓力變送器提供電源DC10V。但須注意，若壓力變送器需要DC24V電源，應(yīng)另行配置。（2）壓力反饋信號從4號端（電流信號）輸入。（3）壓力給定信號通過面板上的鍵盤進行設(shè)定，也可以通過外接電位器進行設(shè)定，采用了前者。3.7 KR熱繼電器保護為防止在工頻運行狀態(tài)下電動機過載，在電動機的電

14、源接入電路中串有KR熱繼電器保護。3.8 變頻器的功能預(yù)置使用前，必須對變頻器的以下功能進行預(yù)置：（1）上限頻率由于空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速一般不允許超過額定值，故HN式中 H設(shè)置上限頻率N額定頻率（2）下限頻率空氣壓縮機采用變頻調(diào)速后，其下限頻率的預(yù)置要視壓縮機的機種的工況而定，一般說來，其范圍約為30HzL40Hz式中 L設(shè)置下限頻率（3）加、減速時間空氣壓縮機有時需要在儲氣罐已經(jīng)有一定壓力的情況下啟動，這時通常要求快一點加速，故加速時間應(yīng)盡可能縮短（以啟動過程不因過電流而跳閘為原則）；減速時間可參照加速時間進行預(yù)置（以制動過程不因過電壓而跳閘為原則）。（4）升、降速方式空氣壓縮機對升、降速方式無

15、特殊要求，可設(shè)置為線性方式。（5）操作模式由于變頻器的切換功能只能在外部運行下有效，因此設(shè)置：Pr.79 :預(yù)置為“2”，使變頻器進入“外部運行模式”。（6）切換功能Pr.135 :預(yù)置為“1”，使切換功能有效；Pr.136 :預(yù)置為“0.3”，使切換KA2、KA3互鎖時間預(yù)置為0.3s；Pr.137 :預(yù)置為“0.5”，啟動等待時間預(yù)置為0.5s；Pr.138 :預(yù)置為“1”，使報警時切換功能有效。即讓KA2斷開，KA3閉合；Pr.139 :預(yù)置為“9999”，使到達某一頻率的自動切換功能失效。（7）輸入多功能端子Pr.185 :預(yù)置為“7”，使JOG端子變?yōu)镺H端子，用于接受外部熱繼電器的

16、控制信號；Pr.186 :預(yù)置為“6”，使CS端子用于自動再起動控制。（8）輸出多功能端子Pr.192 :預(yù)置為“17”，使IPF端子用于控制KA1；Pr.193 :預(yù)置為“18”，使OL端子用于控制KA2；Pr.194 :預(yù)置為“19”，使FU端子用于控制KA3。3.9 空氣壓縮機變頻調(diào)速系統(tǒng)工作過程（1）首先使旋鈕開關(guān)SA2閉合，接通MRS，允許進行切換，由于Pr.135功能已經(jīng)預(yù)置為“1”，切換功能有效，這時，繼電器KA1、KA2吸合，KM2得電。（2）按下按鈕SB1，KM1吸合，變頻器接通電源和電動機。（3）閉合旋鈕開關(guān)SA1，變頻器進入運行狀態(tài)，開始軟啟動電動機，使電機緩慢升速至壓力

17、給定位置穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。（4）當變頻器發(fā)生故障時，“報警輸出”端A-C之間接通，繼電器KA0吸合，其動斷觸點使端子CS斷開，允許進行變頻和工頻之間的切換；同時蜂嗚器和指示燈進行聲光報警。（5）繼電器KA1、KA2斷開，KA3吸合，使接觸器KM1、KM2斷開，KM3吸合，進行由變頻運行轉(zhuǎn)為工頻運行的切換。（6）操作人員按SB3，可解除聲光報警，并對變頻器進行檢修。4 空氣壓縮機變頻調(diào)速控制方式的安裝調(diào)試4.1 安裝為防止電網(wǎng)與變頻器之間的干擾，在變頻器的輸入側(cè)最好接一個電抗器。安裝時控制柜與壓縮機之間的主配線不要超過30m，主配線與控制線要分開走線，且保持一定距離。控制回路的配線采用屏蔽雙絞線，接線距

18、離應(yīng)在20m以內(nèi)。另外控制柜內(nèi)要裝有換氣扇，變頻器接地端子要可靠接地，不與動力接地混用。4.2 調(diào)試在完成變頻器的功能設(shè)定及空載運行后，可進行系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)試。調(diào)試的主要步驟：（1） 將變頻器接入系統(tǒng)；（2） 進行工頻控制運行；（3） 進行變頻控制運行，其中包括開環(huán)與閉環(huán)控制兩部分調(diào)試。開環(huán)：此時主要觀察變頻器頻率上升的情況，設(shè)備的運行聲音是否正常，空壓機的壓力上升是否穩(wěn)定，壓力變送器顯示是否正常，設(shè)備停機是否正常等。如一切正常，則可進行閉環(huán)的調(diào)試。閉環(huán)：主要依據(jù)變頻器頻率上升與下降的速度和空壓機壓力的升降相匹配，不要產(chǎn)生壓力振蕩，還要注意觀察機械共振點，將共振點附近的頻率跳過去。接著對PID參數(shù)

19、的進行整定，根據(jù)空氣壓縮機系統(tǒng)對過渡過程時間無要求，可以采用PI調(diào)節(jié)方式，以減少對變頻器的沖擊。在對PID進行參數(shù)整定的過程中，首先根據(jù)經(jīng)驗法，將比例帶設(shè)定在70%，積分時間常數(shù)設(shè)定在60s；為不影響生產(chǎn)，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(yīng)過程(即壓力變化過程)。經(jīng)過多次調(diào)整，在比例帶為40%，積分時間常數(shù)Ti=12s時，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)達到了預(yù)期的效果。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氣壓縮機電機的溫升進行了長時間嚴格的監(jiān)測，電機溫升約36之間，屬正常溫升范圍。所以40Hz下限頻率運行對空氣壓縮機機組的工作并無多大的影響。5 空壓機變頻改造后的效益5.1 節(jié)約能源使運行成本降低空氣壓縮機的運行成本由三項組成：初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本大約占壓縮機運行成本的80%。通過變頻技