变频器在空压机恒压供气控制系统中的应用

 1 引言

空压机在工业生产中有着广泛地应用;比如在我们金属包装类行业中，它担负着为厂内生产线所有气动元件(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生产线能否高效运转。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ls-10型螺杆压缩机和atlas copco ga-110型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atlas copco ga-110型固定式螺杆式空压机进行了研究。

2 空压机加、卸载供气控制方式简介

本人以atlas copco ga-110型固定式螺杆空压机电气控制原理图(如图3所示)为例，对加、卸载供气控制方式进行简单介绍。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，km4和km6线圈得电动作压缩机电机开始y形起动;此时进气控制阀yv2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启动。当kt2到达设定时间(一般为5秒后)其延时断开的动断触点断开，延时闭合的动合触点闭合，km6线圈断电释放，km5线圈得电动作，空压机电机从y形自动改接成△形运行。此时yv2断电关闭，从储气罐放出的控制气体被切断，进气阀全开，机组满载运行。(注：进气控制阀yv2只在起动过程起作用，而卸载控制阀yv1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关(sp2)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yv1掉电。这样，控制气直接进入进气阀，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sp2复位(闭合)，yv1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

3.1 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pmin～pmax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+δ)pmin

δ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，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转变为标准电信号送给pid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，产生控制信号送到变频调速器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p0。同时，该方案可以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。

变频与工频电源的切换电路如图2所示; 空压机电气控制原理图如图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

5.1 元器件的选型

5.1.1 变频器

atlas copco

ga-110型固定式螺杆压缩机电动机功率110kw，频率50hz，额定电压380v，额定电流204a，4极，转速1470r/min，我们选用一台富士牌frn110g1e-4c型重过载变频器。因为atlas copco ga-110型空压机是一种大转动惯量负载，因此选用能承受重过载的变频器(110kw)。

(1)变频器的主要参数

输入：3相，380~440v ac，50/60hz，电压容许变动范围(-15%~+10%)，频率容许变动范围±5%。输入电流201a，采用强迫风冷。

输出：标准适用电机输出功率110kw，输出额定容量160kva，输出额定电流210a，输出频率范围0.10~400hz，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。

(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(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。

d)自动调整加减速时间。

e)禁止电机反转。

f)带过载(过热保护)。

g)内置pid智能控制器。

5.1.2压力变送器

压力变送器一个，型号：dg1300-bz-a-2-2，量程：0~1mpa，输出4~20ma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

5.2.1 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。

5.2.2调试

(1)变频器功能设定

f02外部输入信号：设定为1

f03最大操作频率：设定为50hz(对应最大电压380v)

f04最大频率：设定为50hz(等于电机额定频率)

f10电子热继电器设为1

f11电子热继电器动作值设为105

f12电子热继电器动作时间设为1min

f15上限频率：设定为50hz

f16下限频率：设定为40hz

f42设定为00(v/f电压频率控制)

e21端子y2设定为1002

e31频率检测设定为40hz

e32频率检测滞后设定为1.0 hz

e43 led显示器设为10

e44 led显示器设为1(停止中)

e61端子12设定为3

e63端子v2设定为5

e98端子fwd设为1020，(pid控制)

h08设定为1：禁止反转

h11减速模式设为0

h91 pid反馈线检测设为2

j01 pid动作选择设为1

j02 pid过程指令设为1

j03 p值设为28

j04 i值设为12;其它功能遵照变频器出厂设定值。

(2) pid参数的整定

在用变频器内置pid闭环控制功能时，原来的频率给定通道变成目标信号通道和反馈通道;预置的加减速时间无效;目标值得数值与传感器的量程有关。

对于像空压机、风机和水泵等负载来说，对控制精度并没有那么高的要求，通常。用pi控制就足够了。所以，可以将d设定为0即可。

在对pid进行参数整定的过程中，我们首先根据经验法，将比例增益设定到最小，而积分时间常数设定在20~30s;逐渐加大p，一直到系统发生振荡，然后取其半;逐渐减小i，一直到系统发生振荡，然后增加50%。一般来说，按照上述经验法来设定参数，问题已经基本解决。经过多次调整，在比例增益p=28，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3~6℃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。

6 结束语

经过一系列的反复调整，最终系统稳定在40.5~42.5hz的频率范围，管线压力基本保持在0.65mpa，供气质量得到提高。改造后空压机的运行安全、可靠，同时达到了本厂用气的工艺要求。