恒压供气控制设计

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1、十 空压机变频恒压供气控制系统的设计1引言空压机在工业生产中有着广泛地应用。在供水行业中，它担负着为水厂所有气动元件， 包括各种气动阀门，提供气源的职责。因此它运行的好坏直接影响水厂生产工艺。空压机的种类有很多，但其供气控制方式几乎都是采用加、卸载控制方式。例如我厂使 用的南京三达活塞式空压机、美国寿力螺杆压缩机和Atlas螺杆式空压机都采用了这种控制 方式。根据我们多年的运行经验，该供气控制方式虽然原理简单、操作简便，但存在能耗高, 进气阀易损坏、供气压力不稳定等诸多问题。随着社会的发展和进步，高效低耗的技术已愈来愈受到人们的关注。在空压机供气领域能否 应用变频调速技术，节省电能同时改善空压

2、机性能、提高供气品质就成为我们关心的一个话 题。结合生产实际，我们选择了一台美国寿力LS-10型固定式螺杆空压机进行了研究。2空压机加、卸载供气控制方式简介作者以美国寿力LS-10型固定式螺杆空压机电控原理图（如图3所示）为例，对加、卸载供 气控制方式进行简单介绍。SA1转至自动位置，按下起动按钮SB2，KT1线圈得电，其瞬时闭合延时断开的动合触点 闭合,KM3和KM1线圈得电动作压缩机电机开始Y形起动;此时进气控制阀YV1得电动作, 控制气体从小储气罐中放出进入进气阀活塞腔，关闭进气阀，使压缩机从轻载开始起动。当 KT达到设定时间（一般为6秒后）其延时断开的动断触点断开，延时闭合的动合触点闭

3、合， KM3线圈断电释放，KM2线圈得电动作，空压机电机从Y形自动改接成形运行。此时 YV1断电关闭，从储气罐放出的控制气被切断，进气阀全开，机组满载运行。（注:进气控制 阀YV1只在起动过程起作用，而卸载控制阀YV4却在起动完毕后起作用。）若所需气量低于额定排气量，排气压力上升，当超过设定的最小压力值Pmin（也称为加载 压力）时，压力调节器动作，将控制气输送到进气阀，通过进气阀内的活塞，部分关闭进气 阀，减少进气量，使供气与用气趋于平衡。当管线压力继续上升超过压力调节开夬SP4 ）设 定的最大压力值Pmax（也称为卸载压力）时，压力调节开关跳开，电磁阀YV4掉电。这样， 控制气直接进入进气

4、阀，将进气口完全关闭;同时，放空阀在控制气的作用下打开，将分离 罐内压缩空气放掉。当管线压力下降低于Pmin时，压力调节开关SP4复位（闭合），YV4接通电源，这时通往进 气阀和放空阀的控制气都被切断。这样进气阀重新全部打开，放空阀关闭，机组全负荷运行。3加、卸载供气控制方式存在的问题31能耗分析我们知道，加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在PminPmax之间来回变化。Pmin 是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下，Pmax、Pmin之间关系 可以用下式来表示：Pmax=（1+6）Pmin （1）8是一个百分数，其数值大致在10%25%之间。而若采用变频调速技术可连续调

5、节供气量的话，则可将管网压力始终维持在能满足供气的工作压力上，即Pmin附近。由此可知，在加、卸载供气控制方式下的空压机较之变频系统控制下的空压机，所浪费的能 量主要在2个部分：(1) 压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量在压力达到Pmin后，原控制方式决定其压力会继续上升(直到Pmax)。这一过程中必将会向 外界释放更多的热量，从而导致能量损失。另一方面，高于Pmin的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin。 这一过程同样是一个耗能过程。(2) 卸载时调节方法不合理所消耗的能量通常情况下，当压力达到Pmax时，空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机 处于空转状态

6、，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大 的能量浪费。关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再压缩气体作功，但空压机在空转中还是要 带动螺杆做回转运动，据我们测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10% 15%(这还是在卸载时间所占比例不大的情况下)。换言之，该空压机10%的时间处于空载状 态，在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。3.2其它不足之处(1) 靠机械方式调节进气阀，使供气量无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力不 可避免地产生较大幅度的波动。用气精度达不到工艺要求。再加上频繁调节进气阀，会加速 进气阀的

7、磨损，增加维修量和维修成本。(2) 频繁采用打开和关闭放气阀，放气阀的耐用性得不到保障。4恒压供气控制方案的设计针对原有供气控制方式存在的诸多问题，经过上述对比分析，本人认为可应用变频调速 技术进行恒压供气控制。采用这一方案时，我们可以把管网压力作为控制对象，压力变送器 YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PID智能调节器，与压力设定值P0作比较，并根 据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器VVVF,通过 变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0o同时，该方 案可增加工频与变频切换功能，并保留原有的控制和保护系统，另外，采用该方案后，空

8、压 机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给 空压机带来的机械冲击。具体的控制系统流程图如图1所示。图1 恒压供气控制系统流程图变频与工频电源的切换电路如图2所示；空压机电控原理图如图3所示;变频调速控制系 统接线图见图4。5系统元器件的选配及系统的安装与调试51元器件的选型(1)变频器图2 变频和工频电源的切换电路LS-10型固定式螺杆压缩机电机型号:LS286TSC-4,功率22kW，频率50Hz,额定电压 380V，额定电流42A，4极，转速1470r/min,我们选用一台“台达牌”VFD300B43A型变频 器。因为LS-10型空压机是一种大转动

9、惯量负载，因此选用加大一级变频器(30kW),变频 器的外部接线如图5所示。a) 变频器的主要参数l输出:最大适用电机输出功率30kW，输出额定容量45.7kVA,输出额定电流60A，输出 频率范围0.10400Hz,过载能力为额定输出电流的150%，运行60s,最大输出电压对应输 入电源。l输入:3相，380460V AC, 50/60Hz,电压容许变动范围10%，频率容许变动范围5%。 输入电流60A,采用强迫风冷。(2)该变频器的主要特点：a) 采用了新一代电力元件IGBT作为驱动交流电动机的核心元件，应用高速微处理器实 现正弦波脉宽调制(SPWM)技术，具有无传感器矢量控制及电压/频率

10、(V/f)控制。b) 配有RS-485接口，可与计算机联结，构成计算机监控、群控系统。c) 自动转矩补偿。e)禁止电机反转。d) 自动调整加减速时间。f)带过载(过热保护)。(2) PID智能控制器兰利牌PID智能控制器一个，型号AL808,单路输入、输出，输出为420mA模拟信号, 测量精度0.2%，厂家:深圳市亚特克电子有限公司。(3) 压力变送器压力变送器一个型号:DG1300-BZ-A-2-2,量程:01Mpa,输出420mA的模拟信号。精确 度0.5%FS。厂家:广州森纳士压力仪器有限公司。5.2系统的安装与调试图3空压机电控原理图JW也巫时fr巴建 抠 曲midft眸耐 mu% 血

11、曲a片 囲如砂MJL* *祕豐IlSWIt 4L JGMJtflr图4控制系统接线图安装控制柜安装在空压机房内，与原控制柜分离，但与压缩机之间的主配线不要超过30m。 控制回路的配线采用屏蔽双绞线，双绞线的节距在15m以下。另外控制柜上装有换气装置, 变频器接地端子按规定不与动力接地混用，以上措施增强了系统的稳定性、可靠性。调试a）变频器功能设定00-09设定为00（V/f电压频率控制）01-00最大操作频率:设定为50Hz（对应最大电压380V）01-01最大频率:设定为50Hz（等于电机额定频率）01-07上限频率:设定为48Hz01-08下限频率:设定为40Hz01-09第一加速时间:设

12、定为10S01-10第一减速时间:设定为10S02-00设定为02,即由外部420mA输入（ACI）02-01设定为01:运行指令由外部端子控制02-02设定为00（以减速制动方式停止）02-04设定为01:禁止反转02-07设定为00:ACI断线时减速至0Hz06-04设定为:150%（过载保护），其它功能遵照变频器出厂设定值。b） PID参数的整定由于用于控制变频器，根据在不允许输出信号频繁变化的应用系统中应选择PI调节方式 原则，因此只能采用PI调节方式，以减少对变频器的冲击。在对PID进行参数整定的过程中，我们首先根据经验法，将比例带设定在70%，积分时 间常数设定在60s;为不影响生

13、产，我们采取改变给定值的方法使压力给定值有个突变（相当 于一个阶跃信号），然后观察其响应过程（即压力变化过程）。经过多次调整，在比例带P=40%， 积分时间常数Ti=12s时，我们观察到压力的响应过程较为理想。压力在给定值改变5min左 右（约一个多周期）后，振幅在极小的范围内波动，对扰动反应达到了预期的效果。（3）调试中其他事项从图4可以看出，整套改造装置并不改变空压机原有控制原理，也就是说原空压机系统 保护装置依然有效。并且工频/变频切换采用了电气及机械双重联锁，从而大大的提高了系 统的安全、可靠性。我们在调试过程中，将下限频率调至40Hz,然后用红外线测温仪对空压机电机的温升及管 路的油温进行了长时间、严格的监测，电机温升约36C之间，属正常温升范围，油温基本 无变化（以上数据均为以原有工频运行时相比较）。所以40Hz下限频率运行对空压机机组的 工作并无多大的影响。55WVT3建p-HD-图5变频器的外部接线图6结束语经过一系列的反复调整，最终系统稳定在40.542.5Hz的频率范围，管线压力基本保持在 0.62Mpa,供气质量得到提高。改造后空压机的运行安全、可靠，同时达到了水厂用气的工 艺要求。