HC10系列IPLC智能控制器，主模塊最大點(diǎn)數(shù)達(dá)64點(diǎn)，靈活組網(wǎng)，支持CAN總線擴(kuò)展，豐富的通訊接口、程序硬件加密保護(hù)。
解決方案
HD30在空壓機(jī)改造上的應(yīng)用
1 引言
空壓機(jī)是空氣壓縮機(jī)的簡(jiǎn)稱，它是氣源裝置中的主體，是將原動(dòng)機(jī)（通常是電動(dòng)機(jī)）的機(jī)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。作為基礎(chǔ)工業(yè)裝備，空壓機(jī)在冶金、機(jī)械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)占大型工業(yè)設(shè)備（風(fēng)機(jī)、水泵、鍋爐、空壓機(jī)等）耗電量的15%，面對(duì)能源日趨緊張的國(guó)際形勢(shì)，如何降低空壓機(jī)運(yùn)行所消耗的能源對(duì)于響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗的政策以及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2 傳統(tǒng)空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問題
傳統(tǒng)空壓機(jī)工作圖
能量損耗大
傳統(tǒng)空壓機(jī)加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin－Pmax之間來回變化。Pmin是能夠保證用戶正常工作的最低壓力值，Pmax是設(shè)定的最高壓力值。
一般情況下，Pmax和Pmin之間關(guān)系可用下式表示：Pmin = (1-δ) Pmax，式中δ值在10－20%之間。
如果采用變頻調(diào)速技術(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，則可使管網(wǎng)壓力始終維持在能滿足供氣的工作壓力上，即等于Pmin的數(shù)值。由此可見，加、卸載供氣控制方式浪費(fèi)的能量主要在以下幾個(gè)部分：
a．壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量：
當(dāng)儲(chǔ)氣罐中空氣壓力達(dá)到Pmin后，加、卸載供氣控制方式還要使其壓力繼續(xù)上升，直到Pmax這一過程需要電源提供空壓機(jī)能量，這是一種能量損失。
b．減壓閥減壓消耗的能量：
氣動(dòng)元件的額定氣壓在Pmin左右，高于Pmin的氣體進(jìn)入氣動(dòng)元件前的壓力，這就需要用減壓閥將其減至接近Pmin，這同樣是一種能量損失。
c．卸載時(shí)調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量：
通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到Pmax時(shí)，空壓機(jī)通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使空壓機(jī)不需要壓縮氣體做功，但空壓機(jī)的電機(jī)還是要帶動(dòng)螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，空壓機(jī)做無用功，造成能量的嚴(yán)重浪費(fèi)。據(jù)測(cè)算，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗一般約占其滿載運(yùn)行時(shí)的10－15%左右。
壓力不穩(wěn)，自動(dòng)化程度低
傳統(tǒng)空壓機(jī)自動(dòng)化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠加、卸載閥，通過調(diào)節(jié)閥的控制來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)節(jié)速度慢，波動(dòng)大，精度低，輸出壓力不穩(wěn)定。
工頻起動(dòng)沖擊電流大
主電機(jī)雖然采用Y-△減壓起動(dòng)，但起動(dòng)電流仍然很大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，易造成電網(wǎng)不穩(wěn)以及威脅其他用電設(shè)備的安全運(yùn)行。對(duì)于自發(fā)電工廠，數(shù)倍的額定電流沖擊，可能導(dǎo)致其它設(shè)備異常。
設(shè)備維護(hù)量大
空壓機(jī)工頻起動(dòng)電流大，高達(dá)5－8倍額定電流，工作方式?jīng)Q定了加、卸載閥必然反復(fù)動(dòng)作，部件易老化，工頻高速運(yùn)行，軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大。
工作條件惡劣、噪音大
持續(xù)工頻高速運(yùn)行，超出工作壓力所需的額外壓力，反復(fù)加載、卸載，都直接導(dǎo)致工頻運(yùn)行噪音大。
3 空壓機(jī)改造原理
變頻控制原理
根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式：
式中，f為電源頻率，S為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，P為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。
當(dāng)P和S確定后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。
變頻節(jié)能原理
根據(jù)空壓機(jī)的運(yùn)行特性可知，空壓機(jī)基本屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速的方法根據(jù)供氣量大小來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，能使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比關(guān)系。
當(dāng)用氣量減小時(shí)，排氣口壓力上升，通過閉環(huán)反饋給變頻器，使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，減小了軸輸出功率；當(dāng)用氣量增加時(shí)，排氣口壓力下降，通過閉環(huán)反饋給變頻器，使電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，增加了軸輸出功率。
因此，變頻空壓機(jī)系統(tǒng)通過壓力閉環(huán)，可實(shí)時(shí)跟蹤供氣系統(tǒng)負(fù)載變化，調(diào)整空氣壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證排氣口壓力恒定，使壓縮機(jī)電機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)下。避免了原控制方式空壓機(jī)頻繁的加載與卸載，頻繁地起動(dòng)與停機(jī)，使得從電網(wǎng)吸收的電能大大下降。
4 空壓機(jī)改造方案
如前所述，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以有效的實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)改造，HD30系列矢量控制變頻器內(nèi)置強(qiáng)大的PID調(diào)節(jié)功能，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理設(shè)置PID參數(shù)，可達(dá)到較好的控制效果。
控制配線圖
控制方法說明
變頻調(diào)速系統(tǒng)以空壓機(jī)壓縮空氣的輸出壓力作為控制對(duì)象，由變頻器，壓力傳感器、電機(jī)、空壓機(jī)等組成閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)。
工作壓力值由變頻器PID調(diào)節(jié)給定通道確定，現(xiàn)場(chǎng)壓力由傳感器來檢測(cè)，轉(zhuǎn)換成0－10V電壓信號(hào)（也可轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)）后反饋到變頻器，變頻器通過內(nèi)置PID進(jìn)行比較計(jì)算，從而調(diào)節(jié)其輸出頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率的目的。
由此可見只要調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以調(diào)節(jié)電機(jī)軸輸出功率，也即調(diào)節(jié)了空壓機(jī)的輸入功率，使空壓機(jī)的制風(fēng)量與用風(fēng)量相匹配，達(dá)到恒壓供氣與節(jié)能的目的。
功能參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)表
需設(shè)置的基本功能參數(shù)見下表。
控制流程詳細(xì)說明
當(dāng)用氣量減小時(shí)，出氣閥出氣量減小，儲(chǔ)氣罐壓力上升，壓力傳感器的電壓信號(hào)值增大，送至變頻器的反饋量增加，當(dāng)PID反饋壓力≥PID給定壓力時(shí)，通過PID調(diào)節(jié)功能，變頻器將減速運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)氣閥進(jìn)氣量減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)PID調(diào)節(jié)器下限頻率時(shí)，以下限頻率恒速運(yùn)行。
而當(dāng)用氣量增加時(shí)，出氣閥出氣量增加，儲(chǔ)氣罐壓力下降，壓力傳感器的電壓信號(hào)值減小，送至變頻器的反饋量減小，當(dāng)PID反饋壓力＜PID給定壓力時(shí)，變頻器將加速運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，進(jìn)氣閥進(jìn)氣量增加，當(dāng)達(dá)到PID調(diào)節(jié)上限頻率時(shí)以上限頻率恒速運(yùn)行。
5 空壓機(jī)改造后的優(yōu)點(diǎn)
運(yùn)行成本降低
用電成本大約占?jí)嚎s機(jī)運(yùn)行成本的72%。通過變頻器用電大約降低18%，再加上變頻起動(dòng)后對(duì)設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也跟隨降低，所以運(yùn)行成本將大大降低，節(jié)約了能源。
提高壓力控制精度
由于變頻控制系統(tǒng)具有恒壓供氣控制模式，儲(chǔ)氣罐可以得到相對(duì)平穩(wěn)的供風(fēng)壓力，有利于用風(fēng)設(shè)備的安全運(yùn)行，同時(shí)又減少了無用壓力提高而帶來的能耗支出，變頻控制空壓機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機(jī)速度的精度提高，它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力變化保持在0.2MPa范圍內(nèi)，有效地提高了工況質(zhì)量。
延長(zhǎng)電機(jī)、空壓機(jī)等機(jī)械設(shè)備的使用壽命
變頻器從0Hz起動(dòng)空壓機(jī)，它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整，從而減少起動(dòng)時(shí)對(duì)空壓機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，既保護(hù)了電動(dòng)機(jī)，延長(zhǎng)了其使用壽命，對(duì)電網(wǎng)而言又可以算是增加了系統(tǒng)的裝機(jī)容量，同時(shí)還延長(zhǎng)了機(jī)械和模具的使用壽命。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將起動(dòng)電流的峰值減小到最低程度。
降低了空壓機(jī)的噪音
根據(jù)空壓機(jī)的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯減慢，因此有效降低了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約5－10dB，設(shè)備動(dòng)作更穩(wěn)，環(huán)境得到改善。
輸出壓力穩(wěn)定
采用變頻控制系統(tǒng)后，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中的氣體的壓力保持恒定，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
操作方便、保護(hù)功能完善
生產(chǎn)中不需要對(duì)節(jié)電設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，全程自動(dòng)跟蹤控制，且有多種（過流、過壓、欠壓、電機(jī)過載、電機(jī)過熱等）保護(hù)功能，簡(jiǎn)單、安全、方便。
設(shè)備維護(hù)量小
空壓機(jī)變頻起動(dòng)電流小，小于2倍額定電流，加卸載閥無須反復(fù)動(dòng)作，變頻空壓機(jī)根據(jù)用氣量自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行頻率低，轉(zhuǎn)速慢，軸承磨損小，設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)，維護(hù)工作量變小。
6 注意事項(xiàng)
安裝
安裝時(shí)，控制柜與壓縮機(jī)之間的配線不得超過30m，且與控制線保持一定距離，分開走線?？刂苹芈返呐渚€采用屏蔽雙絞線，接線距離在20m以內(nèi)。由于變頻器發(fā)熱量大，控制柜內(nèi)要裝散熱風(fēng)扇，變頻器接地端子不可與動(dòng)力接地混用。
調(diào)試
在完成變頻器的功能設(shè)定及空載運(yùn)行后，可進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)調(diào)試。
開環(huán)
此時(shí)，主要觀察變頻器頻率上升情況，即設(shè)備運(yùn)行聲音是否正常、空壓機(jī)壓力上升是否穩(wěn)定、壓力傳感器顯示是否正常、設(shè)備停機(jī)是否正常等。如一切正常，則可進(jìn)行閉環(huán)的調(diào)試。
閉環(huán)
主要依據(jù)變頻器頻率上升與下降的速度和空壓機(jī)壓力的升降相匹配，避免產(chǎn)生壓力振蕩。另外還要注意觀察機(jī)械共振點(diǎn)，需將共振點(diǎn)附近的頻率跳過去（可通過對(duì)F05.17－F05.20跳躍頻率相關(guān)參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置）?？諌簷C(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，這種起動(dòng)特點(diǎn)很容易引起變頻器在起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過流保護(hù)的情況，采用具有高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無速度矢量控制變頻器，既能保證實(shí)現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行?？諌簷C(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速過低，一方面使空壓機(jī)穩(wěn)定性變差；另一方面潤(rùn)滑油壓力降低，使缸體潤(rùn)滑度變差，會(huì)加快磨損。所以工作下限應(yīng)不低于20Hz。
為了有效濾去變頻器輸出端電流中高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減少電機(jī)運(yùn)行噪聲與溫升，提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。
建議功率選用比空壓機(jī)功率大一等級(jí)的變頻器，以免空壓機(jī)起動(dòng)出現(xiàn)頻繁跳閘的情況。
7 結(jié)語
采用以上改造方案，能達(dá)到較為理想的節(jié)能效果，從而為客戶創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
為做出最為合理可行的改造方案，在改造過程中，應(yīng)認(rèn)真分析設(shè)備工頻運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算節(jié)能空間，仔細(xì)分析設(shè)備的電路原理。
參考文獻(xiàn)：
深圳海浦蒙特科技有限公司 HD30系列矢量控制變頻器用戶手冊(cè)（V1.0）
文章轉(zhuǎn)自《控制與傳動(dòng)》 2012年第九期
