浅谈变频器在空压机节能改造中的运用与研究.doc

浅谈变频器在空压机节能改造中的运用与研究摘要：随着电力电子技术的高速发展，变频器在调速领域中的运用越来越广泛。它具有性能稳定、操作方便、节能效果明显等显著优点。而空压机在工厂中能耗大、噪声大、自动化程度不高等缺点。现结合PLC与变频器对空压机进行节能改造，具有很明显的节能效果。而今在全球推进低碳经济，节能减排的大趋势下，如何节能、高效地解决空压机的节能减排问题，已经成为社会研究的热点，而针对降低工厂空压机能耗对我国完成节能减排目标与推动建设为节约型社会具有非常重要的作用。关键词：变频器、可编程控制器（PLC）、工频、开环、闭环On the Inverter in energy saving in the use of air compressor and ResearchAbstract: With the rapid development of power electronics and inverter speed control in the field more and more extensive. It has stable performance, easy operation, saving the obvious effect, a significant advantage. The air compressor energy consumption in factories, noisy, not high degree of automation shortcomings. PLC and inverter are combined with the air compressor for energy saving, energy saving effect is very obvious. Now in the global low-carbon economy, energy saving and emission reduction trend, how energy-saving, efficient energy saving solution to the problem of air compressors, has become a hot research, and reduce the plant air compressor for the completion of energy consumption in China emission reduction targets and promote the building of the conservation society has a very important role.Keywords: converter, programmable logic controller (PLC), Frequency, Open and Closed Loop 空气压缩机是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。它的用途广泛，用于冶金、烟草、矿山、机械制造、石油化工、电力、纺织、造纸、制药等行业。空压机占大型用电设备（水泵、风机、锅炉、空压机）耗电量的15%，所以选用改造空压机作为节能减排的重点具有很重要的经济效益和社会效益。一、普通空压机系统存在的问题1、 起动电流冲击非常大，不能频繁起动。 原系统中虽然采用了星三角降压起动方式起动主电机。但是因为空压机的功率非常大（75Kw以某制药厂举例），因此其起动电流仍然很大（45倍额定电流，大约750A左右），因此对电网的冲击严重，严重时甚至影响到电网下其他负载的正常运行，因此在工频运行的情况下，空压机是不允许频繁起动的。2、 主电机时常空载运行，属非经济运行，电能浪费严重。由于空压机不能频繁起动。这就造成了，当外界用气量较小时，由于空压机本身的容调控制造成主电机长时间运行在空载状态。因为空压机在空载状态运行时，空压机本身并不向（或者是非常少量）管道中供气，对外输出的能量近乎为零。而空压机本身运行确需要损耗大量的能量，因此该运行状态下能源浪费严重，特别是当两台空压机并联运行时空载运行更是经常发生。3、 主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大。在工频运行情况下，空压机是通过本身的容调效应来控制储气罐中的压力，因此主电机始终运行在额定转速下。系统的转速越高，运行时的噪音也就越大；而且系统运行噪音越大对系统的损耗也就越大，不利于系统的长时间运行。4、 主电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护工作时对机械量大。空压机主电机起动时除了冲击电流大外，因为转速变化很快，也就造成在起动的过程中，空压机本身的轴承、联轴器等承受了非常大的冲击力。巨大的冲击力造成空压机在起动过程中，轴承、联轴器的磨损加剧，经常需要更换和维护，因此在工频运行时电机是不允许频繁起动的。二、变频空压机系统控制方案根据普通空压机运行工况存在的问题并结合生产工艺要求，变频空压机后系统能满足以下要求：1、电机变频运行状态保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围控制在0.02Mpa。在工频运行的方式中，利用空压机的容调控制，以及起跳、回跳压力控制得到的储压罐的压力仍然是较为粗略的，而且经常会波动。这将影响最终用户的使用。而使用变频空压机来改变运行速度，因为空压机可以平滑的控制其供气量，压力波动控制更加精确，最终用户可以得到更加稳定的气压。2、 系统具有开环和闭环两套控制回路。变频空压机控制系统，同时具有两种控制方式及开环、闭环。在正常状态下，可以利用闭环的控制方式，系统将自动的根据储压罐内压缩空气的压力自动的控制变频运行空压机的运行转速，从而控制空压机的供气量。当系统故障，或者时压力传感器故障时，可以切换到开环运行，直接给定空压机的运行速度，从而可以手动控制空压机的运行状况以及供气速度。3、 一台变频空压机能控制多台空压机组，可用转换开关切换。该系统中仅仅只需配置一台变频空压机，但是可以选择拖动的空压机。也就是说，可以一套变频系统多台空压机使用。这样当其中一台空压机需要进行维修，或者是更换时，可以方便的切换到另外一台空压机变频运行。4、 为保证空压机的节能效果，尽可能的避开容调控制。因为容调控制是非常耗能的，因此采用变频运行的空压机组必须很好的避开容调控制功能，才能尽可能的节省电能。首先当空压机变频运行时，通过电磁阀防止空压机进入容调功能；若一台空压机工频运行，另外一台空压机变频运行，则将工频运行的空压机的容调设置压力提高，避免容调运行。5、 可靠的切换。变频系统同时控制多台空压机的变频和工频运行，因此必须根据压力（外界压缩空气的使用量），自动起动或停止工频使用的空压机。为了保证可靠的判断和切换空压机运行，系统设置了三个回差控制，保证切换的可靠，防止反复切换的故障发生。三、空压机变频控制系统说明1、概述空气压缩机恒压供气智能控制系统是由变频器、压力传感器、可编程控制器（PLC）控制单元、上位机、软件控制单元等组成。此控制系统根据压力传感器检测到的空压机出口的压力值，通过可编程控制器（PLC）调节计算和变频器调整压缩机电机的工作状态，在精确地控制空压机出口的压力的同时，延长压缩机系统的使用寿命，并大幅度地节约电能。其特点是：系统控制较灵活，可提供良好的设定/监控界面；可操作性强。采用PLC和上位机后在很大程度上提高了系统的整体控制水平，保证控制的可靠和安全，对系统故障的保护更加完善；另外可省略相应的控制显示仪表，操作便捷。而且为了可靠的避开容调控制，在容调控制系统的汽源部分安装了电磁阀，根据变频运行的选择以及系统的运行状态，自动的判断其容调是否切入运行。系统将通过PLC采集储压罐内的压力大小，以及机组的输出压力，通过运算自动的输入模拟量控制变频器的运行转速，从而控制空压机的运行功率，以及空压机的供气量的大小。设计的系统原理框图见下：上位计算机可编程控制器通讯信号D/A开关量输入输出A/D设定压力气压控制信号自定义压力曲线时段2、空压机组之间的控制：因为本系统是一个空压站的综合自动化的变频运行。因此系统不单单的只是控制变频运行空压机的转速，同时系统会根据外界气压的大小以及用气量的大小自动的联动控制工频备用的空压机自动的运行。当外界的用气量增加，系统会自动的升高频率，当频率达到最大，压力仍然不能满足时，系统将自动的延时启动另外一台工频空压机，同时仍然恒压运行。当外界的用气量下降，系统会自动的降低频率，当频率达到最小时，压力仍然过高，系统将延时停止工频运行空压机，变频运行的空压机仍然恒压运行。为了保证切换的准确可靠，系统设置了三个回差控制，保证其切换过程的稳定可靠。3、系统功能特点：（1）该系统采用电源端的工频/变频互锁的结构：系统采用的是在电机的输入电源端直接工频和变频连锁，这样非常好的保证系统的安全运行；保证系统的可靠。（2）系统采用大惯量PID控制算法，实现压力无静差控制： 空压机系统输出的压缩空气首先进入储气罐，储气罐可以储存气压的能量，使得压力变化平稳。但储气罐的存在将导致系统反馈的惯量大大增加，使得该系统成为了大惯量控制系统。大惯量控制系统使用普通的PID控制将很可能导致系统超调严重、振荡幅度大、系统不稳定等一系列弊病。因此在该方案里采用了专门的大惯量PID控制系统，大幅度降低了系统超调的产生，增强了系统的稳定性。（3）系统采用智能控制，可以实现分时段压力控制： 该系统可以根据客户的要求实现智能化控制即分时段控制。就是指：系统的压力设定不再是一个单纯的设定值，而是一条根据贵厂一天用气量而设定的压力曲线，一旦压力曲线确定下来后系统将根据内部的实时时钟，按照预先设定的压力曲线自动运行。系统可以将一天24小时自动分为多段（最多为5段），每段的起始时间和终止时间可以人为进行设定；每段都可以设定一个压力设定值，这样当时域性的用气低峰期，可以在较低的压力下运行；相反时域性的用气高峰期，可以在较高的压力下运行，最大可能的进行节能。（4）完善的安全保护功能：（5）零用气量自动停机功能： 系统还可以根据用户的要求实现零用气量自动停机功能(即空压机出口阀门是自动逆止阀，当用气量相当小而储气管内压力非常大时，可以自动关机)。当用气量比较大的时候再恢复开机。这样在节假及双休日等非正常工作日或是深夜时，系统将自动停机，从而实现最大节能。注：空压机在使用变频改造后，因为系统的冲击将为0，因此可以频繁启动空压机。（6）上位机界面图形化界面，设定更简单，监控更加直观： 该系统采用上位机，其功能完善，质量可靠，而且在设计中基本采用图形的方式进行显示和监控，使设定和监控更加简单和直观。（7）报警信号采用中文显示： 报警信号采用全中文显示，方便直观。可以在第一时间内判断故障的所在，进行故障排除。另外在报警控制的同时，还配备一定的声光报警信号，以及在上位机界面上配备故障排除的帮助界面，加快了系统故障的响应速度。（8）上位机界面中含有关键参数自动记录功能： 在上位机界面中，集成了类似于无纸记录仪的参数历史曲线记录功能，可以对近10000个数据进行采集和记录，在人机界面内部自动形成历史曲线，并可以对该曲线实时的进行浏览。（9）关键参数在上位机界面中直接设定： 若采用分时段压力控制，系统将以图形的方式显示曲线，可以在曲线上直接进行设定。关键参数可以受3级密码进行修改权限的划分，保证参数设定的安全。四、节能效果分析我们知道，用调整电机转速的方法同样可以调整供气量。由于空压机基本上属于恒转矩负载，用变频调速的方法调整供气量能使电机的输出功率基本与转速（供气量）成正比关系，达到很好的节电效果。两种调节方法用电情况如图1所示。 我们采用具有矢量控制功能的变频器，可使电机在低速时也能提供满足负载需要的转矩。同时，变频器的自动节能模式，可使电机在满足负载转矩要求下以最小电流运行，达到更好的节电效果。采用恒压供气变频控制系统所带来的效果如下：变频器的使用效果主要可以分为以下两个方面：1、节省电能：出气口释放阀全部关闭，取消用出气口释放阀调节供气量方式，以避免由此导致的电能浪费。而以变频器调整电机的转速来调整气体流量，使电机输出的功率与流量需求基本上成正比关系（如图1所示），始终使电机高效率工作，以达到明显的节电效果。例如当用气量是额定供气量的50%时，节电率可达40%以上；其节省的能量可以分为以下两个部分：其一是电机的空载损耗，即电机空载时的电流损耗，包括一次损耗，二此损耗，机械损耗等等，因为电机转速下降了，而且电流也下降了，所以其电流的空载损耗也大为降低。而另一部分就是输出功率的节省，该部分能量的节省与供气压力息息相关，采用变频控制后，排除原有的容调控制造成的压力波动大、压力波动频繁等等毛病。进一步稳定了系统的供气压力，从而降低了空压机的负载输出功率。由于电机在高效率状态下运行，功率因数较高，降低了无功损耗，节约了大量电能（如图2所示）。虽然现系统中的空压机本来自身具有压力调节功能（容调控制），当压力较大时系统可以自动关上进气阀门。在阀门动作时往往可以达到一定的节能目的，但是并不彻底。首先，机械摩擦、电机空载损耗仍然存在，然后高压高速气体在流过截留阀时会带来非常大的能量损耗，根据流体力学： 功率损耗K截留阀压差流量。因此阀门的开度将很大的浪费能量。相反采用