淺談變頻器在空壓機節(jié)能改造中的運用與研究

1、淺談變頻器在空壓機節(jié)能改造中的運用與研究摘要：隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，變頻器在調(diào)速領(lǐng)域中的運用越來越廣泛。它具有性能穩(wěn)定、操作方便、節(jié)能效果明顯等顯著優(yōu)點。而空壓機在工廠中能耗大、噪聲大、自動化程度不高等缺點?，F(xiàn)結(jié)合plc與變頻器對空壓機進行節(jié)能改造，具有很明顯的節(jié)能效果。而今在全球推進低碳經(jīng)濟，節(jié)能減排的大趨勢下，如何節(jié)能、高效地解決空壓機的節(jié)能減排問題，已經(jīng)成為社會研究的熱點，而針對降低工廠空壓機能耗對我國完成節(jié)能減排目標(biāo)與推動建設(shè)為節(jié)約型社會具有非常重要的作用。關(guān)鍵詞：變頻器、可編程控制器（plc）、工頻、開環(huán)、閉環(huán)on the inverter in energy saving i

2、n the use of air compressor and researchabstract: with the rapid development of power electronics and inverter speed control in the field more and more extensive. it has stable performance, easy operation, saving the obvious effect, a significant advantage. the air compressor energy consumption in f

3、actories, noisy, not high degree of automation shortcomings. plc and inverter are combined with the air compressor for energy saving, energy saving effect is very obvious. now in the global low-carbon economy, energy saving and emission reduction trend, how energy-saving, efficient energy saving sol

4、ution to the problem of air compressors, has become a hot research, and reduce the plant air compressor for the completion of energy consumption in china emission reduction targets and promote the building of the conservation society has a very important role.keywords: converter, programmable logic

5、controller (plc), frequency, open and closed loop 空氣壓縮機是氣源裝置中的主體，它是將原動機（通常是電動機）的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置。它的用途廣泛，用于冶金、煙草、礦山、機械制造、石油化工、電力、紡織、造紙、制藥等行業(yè)?？諌簷C占大型用電設(shè)備（水泵、風(fēng)機、鍋爐、空壓機）耗電量的15%，所以選用改造空壓機作為節(jié)能減排的重點具有很重要的經(jīng)濟效益和社會效益。一、普通空壓機系統(tǒng)存在的問題1、 起動電流沖擊非常大，不能頻繁起動。 原系統(tǒng)中雖然采用了星三角降壓起動方式起動主電機。但是因為空壓機的功率非常大（75kw以某制藥廠舉

6、例），因此其起動電流仍然很大（45倍額定電流，大約750a左右），因此對電網(wǎng)的沖擊嚴(yán)重，嚴(yán)重時甚至影響到電網(wǎng)下其他負載的正常運行，因此在工頻運行的情況下，空壓機是不允許頻繁起動的。2、 主電機時?？蛰d運行，屬非經(jīng)濟運行，電能浪費嚴(yán)重。由于空壓機不能頻繁起動。這就造成了，當(dāng)外界用氣量較小時，由于空壓機本身的容調(diào)控制造成主電機長時間運行在空載狀態(tài)。因為空壓機在空載狀態(tài)運行時，空壓機本身并不向（或者是非常少量）管道中供氣，對外輸出的能量近乎為零。而空壓機本身運行確需要損耗大量的能量，因此該運行狀態(tài)下能源浪費嚴(yán)重，特別是當(dāng)兩臺空壓機并聯(lián)運行時空載運行更是經(jīng)常發(fā)生。3、 主電機工頻運行致使空壓機運行時噪

7、音很大。在工頻運行情況下，空壓機是通過本身的容調(diào)效應(yīng)來控制儲氣罐中的壓力，因此主電機始終運行在額定轉(zhuǎn)速下。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速越高，運行時的噪音也就越大；而且系統(tǒng)運行噪音越大對系統(tǒng)的損耗也就越大，不利于系統(tǒng)的長時間運行。4、 主電機工頻起動設(shè)備的沖擊大，電機軸承的磨損大，所以設(shè)備維護工作時對機械量大。空壓機主電機起動時除了沖擊電流大外，因為轉(zhuǎn)速變化很快，也就造成在起動的過程中，空壓機本身的軸承、聯(lián)軸器等承受了非常大的沖擊力。巨大的沖擊力造成空壓機在起動過程中，軸承、聯(lián)軸器的磨損加劇，經(jīng)常需要更換和維護，因此在工頻運行時電機是不允許頻繁起動的。二、變頻空壓機系統(tǒng)控制方案根據(jù)普通空壓機運行工況存在的問題并結(jié)

8、合生產(chǎn)工藝要求，變頻空壓機后系統(tǒng)能滿足以下要求：1、電機變頻運行狀態(tài)保持儲氣罐出口壓力穩(wěn)定，壓力波動范圍控制在0.02mpa。在工頻運行的方式中，利用空壓機的容調(diào)控制，以及起跳、回跳壓力控制得到的儲壓罐的壓力仍然是較為粗略的，而且經(jīng)常會波動。這將影響最終用戶的使用。而使用變頻空壓機來改變運行速度，因為空壓機可以平滑的控制其供氣量，壓力波動控制更加精確，最終用戶可以得到更加穩(wěn)定的氣壓。2、 系統(tǒng)具有開環(huán)和閉環(huán)兩套控制回路。變頻空壓機控制系統(tǒng)，同時具有兩種控制方式及開環(huán)、閉環(huán)。在正常狀態(tài)下，可以利用閉環(huán)的控制方式，系統(tǒng)將自動的根據(jù)儲壓罐內(nèi)壓縮空氣的壓力自動的控制變頻運行空壓機的運行轉(zhuǎn)速，從而控制空

9、壓機的供氣量。當(dāng)系統(tǒng)故障，或者時壓力傳感器故障時，可以切換到開環(huán)運行，直接給定空壓機的運行速度，從而可以手動控制空壓機的運行狀況以及供氣速度。3、 一臺變頻空壓機能控制多臺空壓機組，可用轉(zhuǎn)換開關(guān)切換。該系統(tǒng)中僅僅只需配置一臺變頻空壓機，但是可以選擇拖動的空壓機。也就是說，可以一套變頻系統(tǒng)多臺空壓機使用。這樣當(dāng)其中一臺空壓機需要進行維修，或者是更換時，可以方便的切換到另外一臺空壓機變頻運行。4、 為保證空壓機的節(jié)能效果，盡可能的避開容調(diào)控制。因為容調(diào)控制是非常耗能的，因此采用變頻運行的空壓機組必須很好的避開容調(diào)控制功能，才能盡可能的節(jié)省電能。首先當(dāng)空壓機變頻運行時，通過電磁閥防止空壓機進入容調(diào)功

10、能；若一臺空壓機工頻運行，另外一臺空壓機變頻運行，則將工頻運行的空壓機的容調(diào)設(shè)置壓力提高，避免容調(diào)運行。5、 可靠的切換。變頻系統(tǒng)同時控制多臺空壓機的變頻和工頻運行，因此必須根據(jù)壓力（外界壓縮空氣的使用量），自動起動或停止工頻使用的空壓機。為了保證可靠的判斷和切換空壓機運行，系統(tǒng)設(shè)置了三個回差控制，保證切換的可靠，防止反復(fù)切換的故障發(fā)生。三、空壓機變頻控制系統(tǒng)說明1、概述空氣壓縮機恒壓供氣智能控制系統(tǒng)是由變頻器、壓力傳感器、可編程控制器（plc）控制單元、上位機、軟件控制單元等組成。此控制系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器檢測到的空壓機出口的壓力值，通過可編程控制器（plc）調(diào)節(jié)計算和變頻器調(diào)整壓縮機電機的工

11、作狀態(tài)，在精確地控制空壓機出口的壓力的同時，延長壓縮機系統(tǒng)的使用壽命，并大幅度地節(jié)約電能。其特點是：系統(tǒng)控制較靈活，可提供良好的設(shè)定/監(jiān)控界面；可操作性強。采用plc和上位機后在很大程度上提高了系統(tǒng)的整體控制水平，保證控制的可靠和安全，對系統(tǒng)故障的保護更加完善；另外可省略相應(yīng)的控制顯示儀表，操作便捷。而且為了可靠的避開容調(diào)控制，在容調(diào)控制系統(tǒng)的汽源部分安裝了電磁閥，根據(jù)變頻運行的選擇以及系統(tǒng)的運行狀態(tài)，自動的判斷其容調(diào)是否切入運行。系統(tǒng)將通過plc采集儲壓罐內(nèi)的壓力大小，以及機組的輸出壓力，通過運算自動的輸入模擬量控制變頻器的運行轉(zhuǎn)速，從而控制空壓機的運行功率，以及空壓機的供氣量的大小。設(shè)計的

12、系統(tǒng)原理框圖見下：上位計算機可編程控制器通訊信號d/a開關(guān)量輸入輸出a/d設(shè)定壓力氣壓控制信號自定義壓力曲線時段2、空壓機組之間的控制：因為本系統(tǒng)是一個空壓站的綜合自動化的變頻運行。因此系統(tǒng)不單單的只是控制變頻運行空壓機的轉(zhuǎn)速，同時系統(tǒng)會根據(jù)外界氣壓的大小以及用氣量的大小自動的聯(lián)動控制工頻備用的空壓機自動的運行。當(dāng)外界的用氣量增加，系統(tǒng)會自動的升高頻率，當(dāng)頻率達到最大，壓力仍然不能滿足時，系統(tǒng)將自動的延時啟動另外一臺工頻空壓機，同時仍然恒壓運行。當(dāng)外界的用氣量下降，系統(tǒng)會自動的降低頻率，當(dāng)頻率達到最小時，壓力仍然過高，系統(tǒng)將延時停止工頻運行空壓機，變頻運行的空壓機仍然恒壓運行。為了保證切換的準(zhǔn)

13、確可靠，系統(tǒng)設(shè)置了三個回差控制，保證其切換過程的穩(wěn)定可靠。3、系統(tǒng)功能特點：（1）該系統(tǒng)采用電源端的工頻/變頻互鎖的結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)采用的是在電機的輸入電源端直接工頻和變頻連鎖，這樣非常好的保證系統(tǒng)的安全運行；保證系統(tǒng)的可靠。（2）系統(tǒng)采用大慣量pid控制算法，實現(xiàn)壓力無靜差控制： 空壓機系統(tǒng)輸出的壓縮空氣首先進入儲氣罐，儲氣罐可以儲存氣壓的能量，使得壓力變化平穩(wěn)。但儲氣罐的存在將導(dǎo)致系統(tǒng)反饋的慣量大大增加，使得該系統(tǒng)成為了大慣量控制系統(tǒng)。大慣量控制系統(tǒng)使用普通的pid控制將很可能導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)嚴(yán)重、振蕩幅度大、系統(tǒng)不穩(wěn)定等一系列弊病。因此在該方案里采用了專門的大慣量pid控制系統(tǒng)，大幅度降低了系統(tǒng)超

14、調(diào)的產(chǎn)生，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）系統(tǒng)采用智能控制，可以實現(xiàn)分時段壓力控制： 該系統(tǒng)可以根據(jù)客戶的要求實現(xiàn)智能化控制即分時段控制。就是指：系統(tǒng)的壓力設(shè)定不再是一個單純的設(shè)定值，而是一條根據(jù)貴廠一天用氣量而設(shè)定的壓力曲線，一旦壓力曲線確定下來后系統(tǒng)將根據(jù)內(nèi)部的實時時鐘，按照預(yù)先設(shè)定的壓力曲線自動運行。系統(tǒng)可以將一天24小時自動分為多段（最多為5段），每段的起始時間和終止時間可以人為進行設(shè)定；每段都可以設(shè)定一個壓力設(shè)定值，這樣當(dāng)時域性的用氣低峰期，可以在較低的壓力下運行；相反時域性的用氣高峰期，可以在較高的壓力下運行，最大可能的進行節(jié)能。（4）完善的安全保護功能：（5）零用氣量自動停機功能： 系

15、統(tǒng)還可以根據(jù)用戶的要求實現(xiàn)零用氣量自動停機功能(即空壓機出口閥門是自動逆止閥，當(dāng)用氣量相當(dāng)小而儲氣管內(nèi)壓力非常大時，可以自動關(guān)機)。當(dāng)用氣量比較大的時候再恢復(fù)開機。這樣在節(jié)假及雙休日等非正常工作日或是深夜時，系統(tǒng)將自動停機，從而實現(xiàn)最大節(jié)能。注：空壓機在使用變頻改造后，因為系統(tǒng)的沖擊將為0，因此可以頻繁啟動空壓機。（6）上位機界面圖形化界面，設(shè)定更簡單，監(jiān)控更加直觀： 該系統(tǒng)采用上位機，其功能完善，質(zhì)量可靠，而且在設(shè)計中基本采用圖形的方式進行顯示和監(jiān)控，使設(shè)定和監(jiān)控更加簡單和直觀。（7）報警信號采用中文顯示： 報警信號采用全中文顯示，方便直觀。可以在第一時間內(nèi)判斷故障的所在，進行故障排除。另外

16、在報警控制的同時，還配備一定的聲光報警信號，以及在上位機界面上配備故障排除的幫助界面，加快了系統(tǒng)故障的響應(yīng)速度。（8）上位機界面中含有關(guān)鍵參數(shù)自動記錄功能： 在上位機界面中，集成了類似于無紙記錄儀的參數(shù)歷史曲線記錄功能，可以對近10000個數(shù)據(jù)進行采集和記錄，在人機界面內(nèi)部自動形成歷史曲線，并可以對該曲線實時的進行瀏覽。（9）關(guān)鍵參數(shù)在上位機界面中直接設(shè)定： 若采用分時段壓力控制，系統(tǒng)將以圖形的方式顯示曲線，可以在曲線上直接進行設(shè)定。關(guān)鍵參數(shù)可以受3級密碼進行修改權(quán)限的劃分，保證參數(shù)設(shè)定的安全。四、節(jié)能效果分析我們知道，用調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的方法同樣可以調(diào)整供氣量。由于空壓機基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，用

17、變頻調(diào)速的方法調(diào)整供氣量能使電機的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比關(guān)系，達到很好的節(jié)電效果。兩種調(diào)節(jié)方法用電情況如圖1所示。 我們采用具有矢量控制功能的變頻器，可使電機在低速時也能提供滿足負載需要的轉(zhuǎn)矩。同時，變頻器的自動節(jié)能模式，可使電機在滿足負載轉(zhuǎn)矩要求下以最小電流運行，達到更好的節(jié)電效果。采用恒壓供氣變頻控制系統(tǒng)所帶來的效果如下：變頻器的使用效果主要可以分為以下兩個方面：1、節(jié)省電能：出氣口釋放閥全部關(guān)閉，取消用出氣口釋放閥調(diào)節(jié)供氣量方式，以避免由此導(dǎo)致的電能浪費。而以變頻器調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整氣體流量，使電機輸出的功率與流量需求基本上成正比關(guān)系（如圖1所示），始終使電機高效率工作，以

18、達到明顯的節(jié)電效果。例如當(dāng)用氣量是額定供氣量的50%時，節(jié)電率可達40%以上；其節(jié)省的能量可以分為以下兩個部分：其一是電機的空載損耗，即電機空載時的電流損耗，包括一次損耗，二此損耗，機械損耗等等，因為電機轉(zhuǎn)速下降了，而且電流也下降了，所以其電流的空載損耗也大為降低。而另一部分就是輸出功率的節(jié)省，該部分能量的節(jié)省與供氣壓力息息相關(guān)，采用變頻控制后，排除原有的容調(diào)控制造成的壓力波動大、壓力波動頻繁等等毛病。進一步穩(wěn)定了系統(tǒng)的供氣壓力，從而降低了空壓機的負載輸出功率。由于電機在高效率狀態(tài)下運行，功率因數(shù)較高，降低了無功損耗，節(jié)約了大量電能（如圖2所示）。雖然現(xiàn)系統(tǒng)中的空壓機本來自身具有壓力調(diào)節(jié)功能（容調(diào)控制），當(dāng)壓力較大時系統(tǒng)可以自動關(guān)上進氣閥門。在閥門動作時往往可以達到一定的節(jié)能目的，但是并不徹底。首先，機械摩擦、電機空載損耗仍然存在，然后高壓高速氣體在流過截留閥時會帶來非常大的能量損耗，根據(jù)流體力學(xué)： 功率損耗k截留閥壓差流量。因此閥門的開度將很大的浪費能量。相反采用