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案例详细
标题变频器在活塞式空压机中的应用
技术领域
行业石油天然气
简介
内容



    安军强（1972－）
男，高级程序员，工程师，（河北科技大学，河北 石家庄 050054），研究方向为PLC、变频器及工业控制。

摘要：本文介绍了变频器在活塞式空压机中的应用。

关键词：变频器；活塞式空压机

Abstract: This paper introduces the application of inverter in the compressor.

Key words:  Inverter;Compressor

1  引言

    张家口煤矿机械厂是我国煤炭机械行业中的一类大型骨干企业，其空压机站由3台132kW的活塞式空压机组成，为全厂提供压缩空气，其地位非常重要，同时能耗巨大。因此在2005年5月，该厂对原系统的一台空压机进行了变频改造，引入闭环控制和变频调节，使节电率达到了29%，同时也提高了控制系统精度，并使该空压机站的控制系统达到先进水平。

2  空压机运行工况分析

    人们通常用的都是活塞式空压机，活塞在气缸内作往复运行，从而使气缸内气体容积发生变化，并与气缸内气阀作相应的开闭动作配合，通过吸气、压缩、排气等动作，将无压或低压气体升压，输出到储压罐内。压力控制采用上、下限控制方式，就是当空压机气缸内压力达到设定值上限HH时，空压机通过本身的油压关闭进气阀，电动机卸荷运行，此时不产生压缩空气，电机处于空载状态；当压力下降到设定值下限HL时，空压机打开进气阀，产生压缩空气。这种运行方式存在极大的能量浪费：

    首先，这种控制方式存在压力波动，要使压力波动不影响使用，就得把压力低限设为用气设备可正常使用的最低压力HL，假设在此压力下空压机满负载消耗的功率为PL。试验证明，当空压机满负载运行、排气压力在某一范围内波动时，其输入功率P与排气压力H满足如下关系：

    P = PL ×（H / HL）

    即空压机驱动轴上所需要的轴功率P与排气压力H成正比。这样，在实际运行中，由于用气量的变化，空压机排气压力始终高于等于HL，导致空压机在带载运行时，其消耗功率都高于等于PL。

    其次，当空压机气缸内压力达到设定值上限HH时，电机卸荷，转为空载运行，此时其用电量为满负载的30%～60%左右，这部分电能被白白的浪费。

    也正是由于这种上、下限位式两点控制，导致当用气量与额定产气量相差较大时，空压机会频繁的卸载和加载，对电动机、空压机和电网造成很大的冲击。

    由以上分析可以看出，当用气量与额定产气量相差较大时，如果用变频器控制电机的转速，把排气压力设为HL，使空压机产气量随用气量的变化而变化，既维持了排气压力的稳定，又避开了电机的空载运行，节能潜力非常可观。

3  空压机闭环控制方案

    笔者采用以空压机输出压力为控制对象的闭环控制方案。经压力传感器取出的反馈信号，送至PID调节器，与预置的压力给定信号相比较，经PID调节后的4～20mA信号接至变频器的给定端，调节空压机的工作频率和转速。当送气管网压力低于压力给定时，PID输出控制信号将提高变频器输出频率，否则将降低变频器输出频率，直至送气管网压力与设定的压力给定值相等。其系统框图如图1所示。



图1   空压机闭环控制系统图

4  设备选型及电气实现

    空压机的械特性有些特殊，选择变频器应基于以下两点：

    (1)  空压机的机械特性具有恒转矩性质，且其飞轮力矩大，需要有较大的起动转矩，所以选择变频器不能选择一般风机泵类变频器，必须选择恒转矩类变频器。

    (2)  变频器要有PID调节功能，否则就必须加外置PID调节器，不但会增加投资成本，还会降低系统可靠性。

    由此，笔者选择了ABB ACS800变频器，该系列变频器具有以下突出特点：

    ①  采用了直接转矩控制技术（DTC），自起动快，起动转矩大，最大起动转矩可达到200%的额定转矩；

    ②快速的阶跃转矩上升，上升时间小于5ms；

    ③ 通过磁通优化，可使变频器和电动机总效率提高1%～10%，同时还可降低电动机噪声；

    ④内置PID控制器，且PID参数可自调整，节约了用于闭环控制的附加成本；

    ⑤方便灵活的软件组态功能，通过调用预置的应用宏，完成标准变频器功能的设定。

    由ABB ACS800-210变频器组成的闭环控制系统电气原理图如图2所示。

    制作控制柜时，要把变频器控制盘安装到控制柜的面板上，既可以方便地设定送气压力，又可以观察变频器输出频率、电流和送气管网实际压力等信息。

5  变频改造中应注意的问题

    (1)  电机的散热问题。电机变频运行后，转速降低，装在电机轴上的散热风扇转速同样降低，电机的散热效果变差。

    (2)  空压机的润滑问题。空压机的转速越低，润滑油的耗量也就越小，其润滑效果越差。

    (3)  系统压力设定问题。由运行工况分析可知，空压机的排气压力越高，所需的电机轴功率越大，电机耗电也就越多，所以在满足生产工艺的要求下，压力设定值要尽可能的低一些。



图2   空压机闭环控制电气原理图

    针对以上问题，笔者综合节能效果和空压机的机械特性，考虑了多种方案，最后把系统压力设定为0.6MPa，把变频器运行频率下限设定为28Hz，这样，既能满足空压机散热和润滑的需要，又能最大限度的降低电能损耗。

6  节能效果及综合效益分析

    改造前，空压机经常是加载2min，卸载2min，加载运行时电流为230A，卸载运行时电流为110A。改造后，空压机运行频率经常在30Hz～40Hz之间，运行电流平均为120A，基本上没有卸载时间。空压机平均每天工作16小时，每月工作26天。假定电机功率因数为0.85，空压机每月用电量W计算如下：

    W前＝P×16×26/1000
       ＝30.5UI×0.85×16×26/1000
       ＝1.73×380×(230×0.5＋110×0.5)×0.85×16×26/1000
       ＝37998 kWh

    W后＝1.73×380×120×0.85×16×26/1000
       ＝27895 kWh

    每月节省电量＝W前－W后
                ＝37998-27895
                ＝10103 kWh

    按每度电0.6元计，每月可节省电费＝10103×0.6＝6061.8（元）

    整套空压机系统改造费用10万元左右，约一年半就能收回设备投资。
空压机变频改造后，还具有以下优点：

    (1)  电动机软启软停，对电机、空压机、电网的冲击大为减小，延长了设备的使用寿命，减少了设备的维修量和维护费用；

    (2)  进一步完善了保护功能，如热保护，过电流、过电压、欠电压、短路、缺相保护等功能；

    (3)  操作简单方便，运行平稳，电机、空压机温升正常，噪音、振动减小；

    (4)  空压机不再频繁的加载和卸载，供气压力稳定，提高了产品质量。

其他作者：

    张刚（1972-），男，讲师，研究方向为FCS、自动测控技术等。

参考文献

    [1]  韩安荣. 通用变频器及应用[M]. 北京: 机械工业出版社.

    [2]  宛如意, 等. 空气压缩机系统的变频调速节能改造[J]. 变频器世界, 2001-4.

    [3]  ABB. ACS800固件手册[Z].