空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用;比如在我們金屬包裝類行業(yè)中，它擔(dān)負(fù)著為廠內(nèi)生產(chǎn)線所有氣動元件(包括各種氣動閥門)，提供氣源的職責(zé);因此它運行的好壞直接影響生產(chǎn)線能否高效運轉(zhuǎn),。空壓機(jī)的種類有很多，但其供氣控制方式幾乎都是采用加、卸載控制方式,。例如我廠使用的南京三達(dá)活塞式空壓機(jī)、美國壽力ls-10型螺桿壓縮機(jī)和atlas copco ga-110型螺桿式空壓機(jī)都采用了這種控制方式,。根據(jù)我們多年的運行經(jīng)驗,，該供氣控制方式雖然原理簡單、操作簡便,，但存在能耗高,，進(jìn)氣閥易損壞、供氣壓力不穩(wěn)定等諸多問題,。隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步,，高效低耗的技術(shù)已愈來愈受到人們的關(guān)注。在空壓機(jī)供氣領(lǐng)域能否應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù),，節(jié)省電能同時改善空壓機(jī)性能,、提高供氣品質(zhì)就成為我們關(guān)心的一個話題。結(jié)合生產(chǎn)實際,，我們選擇了一臺atlas copco ga-110型固定式螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行了研究,。
2 空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式簡介
本人以atlas copco ga-110型固定式螺桿空壓機(jī)電氣控制原理圖(如圖3所示)為例,，對加、卸載供氣控制方式進(jìn)行簡單介紹,。按下起動按鈕sb2,，kt1線圈得電,，其瞬時閉合延時斷開的動合觸點閉合，km4和km6線圈得電動作壓縮機(jī)電機(jī)開始y形起動;此時進(jìn)氣控制閥yv2得電動作,，控制氣體從小儲氣罐中放出進(jìn)入進(jìn)氣閥活塞腔,，關(guān)閉進(jìn)氣閥，使壓縮機(jī)從輕載開始啟動,。當(dāng)kt2到達(dá)設(shè)定時間(一般為5秒后)其延時斷開的動斷觸點斷開,，延時閉合的動合觸點閉合，km6線圈斷電釋放,，km5線圈得電動作,，空壓機(jī)電機(jī)從y形自動改接成△形運行。此時yv2斷電關(guān)閉,，從儲氣罐放出的控制氣體被切斷,，進(jìn)氣閥全開，機(jī)組滿載運行,。(注：進(jìn)氣控制閥yv2只在起動過程起作用,，而卸載控制閥yv1卻在起動完畢后起作用)。
若所需氣量低于額定排氣量,，排氣壓力上升,，當(dāng)超過設(shè)定的最小壓力值pmin(也稱為加載壓力)時，壓力調(diào)節(jié)器動作,，將控制氣輸送到進(jìn)氣閥,，通過進(jìn)氣閥內(nèi)的活塞，部分關(guān)閉進(jìn)氣閥,，減少進(jìn)氣量,，使供氣與用氣趨于平衡。當(dāng)管線壓力繼續(xù)上升超過壓力調(diào)節(jié)開關(guān)(sp2)設(shè)定的最大壓力值pmax(也稱為卸載壓力)時,，壓力調(diào)節(jié)開關(guān)跳開,，電磁閥yv1掉電。這樣,，控制氣直接進(jìn)入進(jìn)氣閥,，將進(jìn)氣口完全關(guān)閉;同時，放空閥在控制氣的作用下打開,，將分離罐內(nèi)壓縮空氣放掉,。當(dāng)管線壓力下降低于pmin時，壓力調(diào)節(jié)開關(guān)sp2復(fù)位(閉合),，yv1接通電源,，這時通往進(jìn)氣閥和放空閥的控制氣都被切斷。這樣進(jìn)氣閥重新全部打開，放空閥關(guān)閉,，機(jī)組全負(fù)荷運行,。
3 加、卸載供氣控制方式存在的問題
3.1 能耗分析
我們知道,，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是最低壓力值,，即能夠保證用戶正常工作的最低壓力,。一般情況下，pmax,、pmin之間關(guān)系可以用下式來表示：
pmax=(1+δ)pmin
δ是一個百分?jǐn)?shù),，其數(shù)值大致在10%～25%之間。
而若采用變頻調(diào)速技術(shù)可連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量的話,，則可將管網(wǎng)壓力始終維持在能滿足供氣的工作壓力上,，即pmin附近。
由此可知,，在加,、卸載供氣控制方式下的空壓機(jī)較之變頻系統(tǒng)控制下的空壓機(jī)，所浪費的能量主要在2個部分：
(1) 壓縮空氣壓力超過pmin所消耗的能量
在壓力達(dá)到pmin后,，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升(直到pmax),。這一過程中必將會向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致能量損失,。另一方面,，高于pmin的氣體在進(jìn)入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓至接近pmin,。這一過程同樣是一個耗能過程,。
(2) 卸載時調(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,，空壓機(jī)通過如下方法來降壓卸載：關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費,。關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)空轉(zhuǎn)雖然可以使空壓機(jī)不需要再壓縮氣體作功,，但空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運動，據(jù)我們測算,，空壓機(jī)卸載時的能耗約占空壓機(jī)滿載運行時的10%～15%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下),。換言之，該空壓機(jī)10%的時間處于空載狀態(tài),，在作無用功,。很明顯在加卸載供氣控制方式下,，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。
3.2 其它不足之處
(1)靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥,，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié),，當(dāng)用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動,。用氣精度達(dá)不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥,，會加速進(jìn)氣閥的磨損,，增加維修量和維修成本。
(2)頻繁采用打開和關(guān)閉放氣閥,，放氣閥的耐用性得不到保障,。
4 恒壓供氣控制方案的設(shè)計
針對原有供氣控制方式存在的諸多問題，經(jīng)過上述對比分析,，本人認(rèn)為可應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制,。采用這一方案時，我們可以把管網(wǎng)壓力作為控制對象,，壓力變送器yb將儲氣罐的壓力p轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號送給pid調(diào)節(jié)器,，與壓力設(shè)定值p0作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的pid控制模式進(jìn)行運算,，產(chǎn)生控制信號送到變頻調(diào)速器vvvf,，通過變頻器控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力p始終接近設(shè)定壓力p0,。同時,，該方案可以增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護(hù)系統(tǒng),，另外,，采用該方案后，空壓機(jī)電機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來啟動,，實現(xiàn)了軟啟動,，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。
具體的控制系統(tǒng)流程圖如圖1所示,。
變頻與工頻電源的切換電路如圖2所示; 空壓機(jī)電氣控制原理圖如圖3所示;變頻調(diào)速控制系統(tǒng)接線圖見圖4,。
2.jpg
5 系統(tǒng)元器件的選配及系統(tǒng)的安裝與調(diào)試
5.1 元器件的選型
5.1.1 變頻器
atlas copco
ga-110型固定式螺桿壓縮機(jī)電動機(jī)功率110kw，頻率50hz,，額定電壓380v,，額定電流204a，4極,，轉(zhuǎn)速1470r/min,，我們選用一臺富士牌frn110g1e-4c型重過載變頻器。因為atlas copco ga-110型空壓機(jī)是一種大轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載，因此選用能承受重過載的變頻器(110kw),。
(1)變頻器的主要參數(shù)
輸入：3相,，380~440v ac，50/60hz,，電壓容許變動范圍(-15%~+10%),，頻率容許變動范圍±5%。輸入電流201a,，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷,。
輸出：標(biāo)準(zhǔn)適用電機(jī)輸出功率110kw，輸出額定容量160kva,，輸出額定電流210a,，輸出頻率范圍0.10~400hz，過載能力為額定輸出電流的150%,，運行60s,，最大輸出電壓對應(yīng)輸入電源。
(2)該變頻器的主要特點
a)采用了新一代電力元件igbt作為驅(qū)動交流電動機(jī)的核心元件,，應(yīng)用高速微處理器實現(xiàn)正弦波脈寬調(diào)制(spwm)技術(shù),，具有無傳感器矢量控制及電壓/頻率(v/f)控制。
b)配有rs-485接口,，可與計算機(jī)聯(lián)結(jié),，構(gòu)成計算機(jī)監(jiān)控、群控系統(tǒng),。
c)自動轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償,。
d)自動調(diào)整加減速時間。
e)禁止電機(jī)反轉(zhuǎn),。
f)帶過載(過熱保護(hù)),。
g)內(nèi)置pid智能控制器。
5.1.2壓力變送器
壓力變送器一個,，型號：dg1300-bz-a-2-2,，量程：0~1mpa，輸出4~20ma的模擬信號,。精確度0.5%fs,。廠家：廣州森納士壓力儀器有限公司。
5.2 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試
5.2.1 安裝
控制柜安裝在空壓機(jī)房內(nèi),，與原控制柜分離,，但與壓縮機(jī)之間的主配線不要超過30m?？刂苹芈返呐渚€采用屏蔽雙絞線,，雙絞線的節(jié)距在15m以下,。另外控制柜上裝有換氣裝置，變頻器接地端子按規(guī)定不與動力接地混用,，以上措施增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、可靠性。
5.2.2調(diào)試
(1)變頻器功能設(shè)定
f02外部輸入信號：設(shè)定為1
f03最大操作頻率：設(shè)定為50hz(對應(yīng)最大電壓380v)
f04最大頻率：設(shè)定為50hz(等于電機(jī)額定頻率)
f10電子熱繼電器設(shè)為1
f11電子熱繼電器動作值設(shè)為105
f12電子熱繼電器動作時間設(shè)為1min
f15上限頻率：設(shè)定為50hz
f16下限頻率：設(shè)定為40hz
f42設(shè)定為00(v/f電壓頻率控制)
e21端子y2設(shè)定為1002
e31頻率檢測設(shè)定為40hz
e32頻率檢測滯后設(shè)定為1.0 hz
e43 led顯示器設(shè)為10
e44 led顯示器設(shè)為1(停止中)
e61端子12設(shè)定為3
e63端子v2設(shè)定為5
e98端子fwd設(shè)為1020,，(pid控制)
h08設(shè)定為1：禁止反轉(zhuǎn)
h11減速模式設(shè)為0
h91 pid反饋線檢測設(shè)為2
j01 pid動作選擇設(shè)為1
j02 pid過程指令設(shè)為1
j03 p值設(shè)為28
j04 i值設(shè)為12;其它功能遵照變頻器出廠設(shè)定值,。
(2) pid參數(shù)的整定
在用變頻器內(nèi)置pid閉環(huán)控制功能時，原來的頻率給定通道變成目標(biāo)信號通道和反饋通道;預(yù)置的加減速時間無效;目標(biāo)值得數(shù)值與傳感器的量程有關(guān),。
對于像空壓機(jī),、風(fēng)機(jī)和水泵等負(fù)載來說，對控制精度并沒有那么高的要求,，通常。用pi控制就足夠了,。所以,，可以將d設(shè)定為0即可。
在對pid進(jìn)行參數(shù)整定的過程中,，我們首先根據(jù)經(jīng)驗法,，將比例增益設(shè)定到最小，而積分時間常數(shù)設(shè)定在20~30s;逐漸加大p,，一直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩,，然后取其半;逐漸減小i，一直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩,，然后增加50%,。一般來說，按照上述經(jīng)驗法來設(shè)定參數(shù),，問題已經(jīng)基本解決,。經(jīng)過多次調(diào)整，在比例增益p=28,，積分時間常數(shù)ti=12s時,，我們觀察到壓力的響應(yīng)過程較為理想。壓力在給定值改變5min左右(約一個多周期)后,，振幅在極小的范圍內(nèi)波動,，對擾動反應(yīng)達(dá)到了預(yù)期的效果。
(3)調(diào)試中其他事項
從圖4可以看出,，整套改造裝置并不改變空壓機(jī)原有控制原理,，也就是說原空壓機(jī)系統(tǒng)保護(hù)裝置依然有效;并且工頻/變頻切換采用了電氣及機(jī)械雙重聯(lián)鎖，從而大大的提高了系統(tǒng)的安全,、可靠性,。我們在調(diào)試過程中,，將下限頻率調(diào)至40hz，然后用紅外線測溫儀對空壓機(jī)電機(jī)的溫升及管路的油溫進(jìn)行了長時間,、嚴(yán)格的監(jiān)測,，電機(jī)溫升約3~6℃之間，屬正常溫升范圍,，油溫基本無變化(以上數(shù)據(jù)均為以原有工頻運行時相比較),。所以40hz下限頻率運行對空壓機(jī)機(jī)組的工作并無多大的影響。
6 結(jié)束語
經(jīng)過一系列的反復(fù)調(diào)整,，最終系統(tǒng)穩(wěn)定在40.5~42.5hz的頻率范圍,，管線壓力基本保持在0.65mpa，供氣質(zhì)量得到提高,。改造后空壓機(jī)的運行安全,、可靠，同時達(dá)到了本廠用氣的工藝要求,。