空气压缩机的变频调速及应用

1空气压缩机的变频调速及应用Application of frequency conversion timing of air compressors王廷才 刁红宇河南工业职业技术学院 南阳理工学院摘要: 针对空气压缩机加、卸载供气控制方式存在的问题，论述了变频调速系统及其控制方式的安装调试及空压机变频改造后增加了效益。关 键 词: 空气压缩机 变频调速 中图分类号 TH452 文献标识码 A 文章编号：1006-8155（2005 ）03-0036-05Abstract: Key words: Air compressor frequency conversion timing 1 引言空气压缩机在工矿企业生产中有着广泛的应用。它担负着为各种气动元件和气动设备提供气源的重任。因此空气压缩机运行的好坏直接影响生产工艺和产品质量。空气压缩机是一种把空气压入储气罐中，使之保持一定压力的机械设备，属于恒转矩负载，其运行功率与转速成正比：(1)950LnTP式中 P L空气压缩机功率TL空气压缩机转矩 nL空气压缩机转速所以就运行功率而言，采用变频调速控制的节能效果远不如风机泵类二次方负载显著，但空气压缩机大都处于长时间连续运行状态，传统的工作方式为进气阀开、关控制方式，即压力达到上限时关阀，使压缩机进入轻载运行；压力达到下限时开阀，使压缩机进入满载运行。这种频繁地加减负荷过程，不仅使供气压力波动，而且还会使空气压缩机的负荷状态频繁地变换。又由于设计时压缩机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来选择电动机的容量，故选择的电动机容量一般都较大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例却非常高，这就造成巨大的能源浪费。 值得指出的是，供气压力的稳定性对产品质量的影响很大，通常生产工艺对供气压力有一定要求，若供气压力偏低，就不能满足工艺要求，而且可能出现废品，所以为了避免气压不足，一般供气压力较要求值要高些，从而造成供气成本高，能耗大，同时也存在着一定的不安全因素。 变频调速是 80 年代初发展起来的新技术，具有易操作、免维护、控制精度高等优点。普通电动机采用变频调速后，在其拖动负载无须任何改动的情况下，便可按照生产工艺要求来调整转速输出以满足工况要求。因此完全可以用变频器驱动的方案取代加、卸载供气控制方式的方案，从而电机可根据用气量2的大小来自动调整转速以保证供气压力恒定，使电机低于额定转速连续运转，可有效地克服电机频繁改变运行状态所带来的诸多弊端，达到系统高效节能运行的目的。2 空气压缩机加、卸载供气控制方式存在的问题2.1 浪费能量空气压缩机加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在 pminp max 之间来回变化。p min 是能够保证用户正常工作的最低压力值，p max 是设定的最高压力值。一般情况下，p max 和 pmin 之间关系可用下式表示:pmax(1) pmin (2)式中 值在 10%25%之间。若采用变频调速技术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，即等于 pmin 的数值。由此可见，加、卸载供气控制方式浪费的能量主要在三个部分:（1） 压缩空气压力超过 pmin 所消耗的能量当储气罐中空气压力达到 pmin 后，加、卸载供气控制方式还要使其压力继续上升，直到 pmax。这一过程需要电源提供压缩机能量，这是一种能量损失。（2）减压阀减压消耗的能量气动元件的额定气压在 pmin 左右，高于 pmin 的气体进入气动元件前的压力，这就需要用减压阀将其减至接近 pmin。这同样是一种能量损失。（3） 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，空气压缩机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使空气压缩机不需要再压缩气体做功，但空气压缩机的电机还是要带动螺杆做回转运动，据测算，空气压缩机卸载时的能耗约占空气压缩机满载运行时的 10%15%，在卸载期间，空气压缩机做无用功，无谓地消耗能量。同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空，这又是一种能量浪费。2.2 其他损失3（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，供气压力难免要产生较大幅度的波动，从而使供气压力精度达不到工艺要求，这就会影响产品质量甚至造成废品。再加上频繁调节进气阀，还会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。（2） 频繁地开/关放气阀，使放气阀寿命大大缩短。3 空气压缩机变频调速控制方式的设计3.1 空气压缩机变频调速系统概述变频器是基于交-直-交电源变换原理，集电力电子和微计算机控制等技术于一身的综合性电气产品。变频器可根据控制对象的需要输出频率连续可调的交流电压。由电机知识知道，电机转速与电源频率有成正比的关系： n = 60 f（1-S）P (3)式中 n转速f输入交流电频率S电机转差率P电机磁极对数因此，用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电动机的电源电压，就可以方便地改变空压机的转速。空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制时，系统原理框图如图 1 所示。图 1 系统原理框图变频调速系统将管网压力作为控制对象，压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给变频器内部的 PID 调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按预先设定好的 PID 控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和频率，调整电动机的转速，从而使实际压力始终维持在给定压力上。另外，采用该方案后，空气压缩机电机从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了启动时大电流对电网的冲击和启动给空气压缩机带来的机械冲击。正常情况下，空气压缩机在变频调速控制方式下工作。考虑到一旦变频控制系统出现故障时，生产工艺过程又不允许空气压缩机停机，因此系统设置了工频与变频系统的切换功能，这样当变频控制系统出现故障时，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机仍能正常工作。3.2 变频器的选择由于空气压缩机是恒转矩负载，故变频器可选用通用型的。又因为空气压缩机的转速也不允许超过额定值，电动机不会过载，一般变频器出厂标注的额定容量都具有一定的余量安全系数，所以选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。若考虑更大的余量，也可以选择比电动机容量大一个级别的变频器，但价格要高出不少。我院改造的压缩机电机型号为 LS286TSC-4，功率 22kW，频率 50Hz，额定电压 380V，额定电流42A，4 极，转速 1470r/min。选用一台三菱 FR-A540-22K 型变频器，配用电动机容量 22kW，额定容量32.8kVA，额定电流 43A，额定过电流能力 150%（1 min） ，内置有 PID 调节器。3.3 变频器的运行控制方式选择由于空气压缩机的运转速度不宜太低，对机械特性的硬度无任何要求，故可采用 V/F 控制方式。3.4 空气压缩机变频调速系统电路原理图4空气压缩机变频调速系统电路原理图如图 2 所示。图 2 空气压缩机变频调速系统电路原理图3.5 变频器的端子连接说明（1）R、S、T 为变频器的三相交流电源输入端子，U、V、W 为变频电压输出端子。（2）变频器的接线端子 R1、S1 为控制电源引入端，一般在变频器通电前，须事先对变频器的有关功能进行预置，故 R1、S1 应接至接触器主触点 KM1 的前面。（3）变频器对外输出控制端子 IPF、OL 和 FU 都是晶体管集电极开路门输出，只能用于 36V 以下的直流电路内，而我国尚未生产线圈电压为直流低压的接触器。而采用线圈电压为 24V 的继电器KA1、KA 2 和 KA3 来过渡，即由这 3 个继电器分别控制 3 个交流接触器：KA 1 控制 KM1，KA 2 控制KM2，KA 3 控制 KM3。当 KM1、 KM2 接通时，空气压缩机在变频器控制下运行，当 KM3 接通时，空气压缩机在工频电源控制下运行。（4）A、B、C 为故障报警异常输出端，正常时 A-C 间不通，异常时 A-C 间通。（5）端子 MRS，当与公共端 SD 接通时（ON） ，变频运行和工频运行切换有效，不通时（OFF）操作无效。（6）端子 CS，当与公共端 SD 接通时（ON） ，变频运行，不通时（OFF）工频运行。（7）端子 STF，当与公共端 SD 接通时（ON） ，电动机正转，不通时（OFF）电动机停止。（8）端子 OH，当与公共端 SD 接通时（ON） ，电动机正常，不通时（OFF）电动机过载。（9）端子 RES，当与公共端 SD 接通时（ON） ，初始化，不通时（OFF）正常运行。（10）端子 RT，当与公共端 SD 接通时（ON） ，进入 PID 运行状态，不通时（OFF）PID 不起作用。3.6 压力变送器的选用与连接根据用户要求的供气压力为 0.6 M Pa，选择的压力变送器型号: DG1300 -BZ-A-2-2，量程:01MPa ，输出 420mA 的模拟信号。精确度 0.5%FS。压力变送器的连接说明如下：（1）10E 端与 5 号端为压力变送器提供电源 DC10V。但须注意，若压力变送器需要 DC24V 电源，应另行配置。（2）压力反馈信号从 4 号端（电流信号）输入。（3）压力给定信号通过面板上的键盘进行设定，也可以通过外接电位器进行设定，采用了前者。3.7 KR热继电器保护为防止在工频运行状态下电动机过载，在电动机的电源接入电路中串有 KR 热继电器保护。53.8 变频器的功能预置使用前，必须对变频器的以下功能进行预置：（1）上限频率由于空气压缩机的转速一般不允许超过额定值，故 H N式中 H设置上限频率 N额定频率（2）下限频率空气压缩机采用变频调速后，其下限频率的预置要视压缩机的机种的工况而定，一般说来，其范围约为30Hz L40Hz式中 L设置下限频率（3）加、减速时间空气压缩机有时需要在储气罐已经有一定压力的情况下启动，这时通常要求快一点加速，故加速时间应尽可能缩短（以启动过程不因过电流而跳闸为原则） ；减速时间可参照加速时间进行预置（以制动过程不因过电压而跳闸为原则） 。（4）升、降速方式空气压缩机对升、降速方式无特殊要求，可设置为线性方式。（5）操作模式由于变频器的切换功能只能在外部运行下有效，因此设置：Pr.79 :预置为“2” ，使变频器进入“外部运行模式” 。（6）切换功能Pr.135 :预置为“1” ，使切换功能有效；Pr.136 :预置为“0.3” ，使切换 KA2、KA 3 互锁时间预置为 0.3s；Pr.137 :预置为“0.5” ，启动等待时间预置为 0.5s；Pr.138 :预置为“1” ，使报警时切换功能有效。即让 KA2 断开，KA 3 闭合；Pr.139 :预置为“9999” ，使到达某一频率的自动切换功能失效。（7）输入多功能端子Pr.185 :预置为“7” ，使 JOG 端子变为 OH 端子，用于接受外部热继电器的控制信号；Pr.186 :预置为“6” ，使 CS 端子用于自动再起动控制。（8）输出多功能端子Pr.192 :预置为“17” ，使 IPF 端子用于控制 KA1；Pr.193 :预置为“18” ，使 OL 端子用于控制 KA2；Pr.194 :预置为“19” ，使 FU 端子用于控制 KA3。3.9 空气压缩机变频调速系统工作过程（1）首先使旋钮开关 SA2 闭合，接通 MRS，允许进行切换，由于 Pr.135 功能已经预置为“1” ，切换功能有效，这时，继电器 KA1、KA 2 吸合，KM 2 得电。（2）按下按钮 SB1，KM 1 吸合，变频器接通电源和电动机。（3）闭合旋钮开关 SA1，变频器进入运行状态，开始软启动电动机，使电机缓慢升速至压力给定位置稳定运转。6（4）当变频器发生故障时， “报警输出”端 A-C 之间接通，继电器 KA0 吸合，其动断触点使端子 CS断开，允许进行变频和工频之间的切换；同时蜂呜器和指示灯进行声光报警。（5）继电器 KA1、KA 2 断开，KA 3 吸合，使接触器 KM1、KM 2 断开，KM 3 吸合，进行由变频运行转为工频运行的切换。（6）操作人员按 SB3，可解除声光报警，并对变频器进行检修。4 空气压缩机变频调速控制方式的安装调试4.1 安装为防止电网与变频器之间的干扰，在变频器的输入侧最好接一个电抗器。安装时控制柜与压缩机之间的主配线不要超过 30m，主配线与控制线要分开走线，且保持一定距离。控制回路的配线采用屏蔽双绞线，接线距离应在 20m 以内。另外控制柜内要装有换气扇，变频器接地端子要可靠接地，不与动力接地混用。4.2 调试在完成变频器的功能设定及空载运行后，可进行系统联动调试。调试的主要步骤：（1） 将变频器接入系统；（2） 进行工频控制运行；（3） 进行变频控制运行，其中包括开环与闭环控制两部分调试。开环：此时主要观察变频器频率上升的情况，设备的运行声音是否正常，空压机的压力上升是否稳定，压力变送器显示是否正常，设备停机是否正常等。如一切正常，则可进行闭环的调试。闭环：主要依据变频器频率上升与下降的速度和空压机压力的升降相匹配，不要产生压力振荡，还要注意观察机械共振点，将共振点附近的频率跳过去。接着对 PID 参数的进行整定，根据空气压缩机系统对过渡过程时间无要求，可以采用 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，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；为不影响生产，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，在比例带为 40%，积分时间常数 Ti=12s 时，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。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气压缩机电机的温升进行了长时间严格的监测，电机温升约 36之间，属正常温升范围。所以 40Hz 下限频率运行对空气压缩机机组的工作并无多大的影响。5 空压机变频改造后的效益5.1 节约能源使运行成本降低空气压缩机的运行成本由三项组成：初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占压缩机运行成本的 80%。通过变