空压机变频及节能改造及空间环境数据信息系统在载人航天和任务中的应用

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摘要随着全球一体化的加剧，人们已进入了微利时代，怎样提高企业的竞争力是每个企业管理者面临的最大考验，据美国《财富杂志》报道，目前电费是制造业唯一未被控制的成本，而其中电费中相当部分是由被称为幻影能源的空气压缩机所产生的。压缩机作为制造厂最常用的设备之一，其所产生的廉价、适用的压缩空气能源倍受青睐，但据权威机构调查，空气压缩系统在五年的总成本中，运转能源消耗费用占约86%，压缩系统初期购置费用仅占总成本的约8%，其高额的运转能源消耗费用无形中增加了企业的运营成本。然而运转能源中的50%以上是可节省的，由于空压机马达的转速与空压机的实际消耗功率成一次方关系，降低马达转速将同比减少实际消耗功率，变频空压机是用压力感测器即时感应系统中实际气压和用气量，通过电气控制和变频器控制，在不改变空压机马达转矩的前提下来即时改变压缩机转速，从而起到节电效果。关键词：空压机频率转变电力毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleFrequencyconversioncompressorAbstractWiththeacceleratingofglobalization,andthecomingofminorprofitera,enterprisesareconfrontedwiththebiggestchallengeofimprovingedge.AccordingtotheAmericanmagazine<Fortune>,theelectricityexpenditureistheonlyuncontrolledcostinmanufacturing.Andtheaircompressorswitchisnicknamedasshadowenergyconsumesthemajorityofelectricity.Asoneofcommonfacilitiesinmanufacturingenterprises,aircompressorsarewidelyusedduetotheircapacityofproducingcompressedair.However,anauthoritativesurveyshowsthataircompressorsystemconsumesabout86%ofthetotalenergycostwithinfiveyearscomparedwithpurchasepricethatonlyaccountsfor8%oftotalcost.Thishighvolumeofenergyconsummationinvisiblyincreasesenterprisesoperationalcost.However,withinthecostforenergy,50%canbesaved.Duetotherelationbetweenrotatespeedandactualpoweroftheaircompressorengineareindirectratio,tolowertherotatespeedoftheenginewillreducetheactualpowerexpenditure.Frequencyconversioncompressordetectsactualairpressureandconsumedairvolumewithapressuresensor,andwithprecisecoordinationbetweenelectricalcontrollerandfrequencyconversioncontroller,itwillcontroltherotatespeedoftheenginewithoutchangingthetorque.Andthroughthechangeofrotatespeed,soastoreducetheelectricity.Keywords:Aircompressorsfrequencyconversionelectricity目录第一章引言 11．1现况概述 11．2空压机变频化改造的必要性 1第二章CS121螺杆空压机原理 22．1螺杆空压机概述 22．2螺杆空压机控制原理 22．2．1空压机动作过程 22．2．2压力和马达运转变化图 3第三章变频器概述和调速原理 33．1变频器概述 33．1．1变频器的发展 33．1．2变频器的基本类型 43．1．3变频器控制方式简介 43．2变频器调速原理 53．2．1变频器调速原理 53．2．2变频器U/f调速 53．2．3变频器U/f不同控制方式 6第四章空压机变频系统 74．1变频器选择 74．1．1变频器控制方式选择 74．1．2变频器容量选择 74．1．3变频器品牌选择 84．1．4东元7200GS变频器介绍 84．2控制设备介绍 104．2．1ICU5000S介绍 104．2．2ICU5000S基本运作 104．2．3压力传感器（变送器） 114．3变频器主电路电器选择 124．3．1变频器主电路 124．3．2输入变压器 124．3．3断路器 124．3．4电磁接触器 134．3．5交流电抗器 134．4空压机变频改造电路 134．4．1变频器控制电路图 134．4．2空压机变频器控制原理 15第五章变频的安装和接线 165．1变频器的安装 165．1．1安装场所 165．1．2使用环境 165．1．3安装方向和空间 165．1．4变频器与电机距离 175．2变频器的接线 175．2．1主电路电缆和配线 175．2．2控制回路电缆和配线 18第六章节电成效预测 18结论 19参考文献 20PAGE第一章引言1．1现况概述随着国民经济的飞速发展，电力等能源消耗越来越大，如何节约能源、减少消耗已成为每个国家、企业甚至个人都必须考虑的问题。我国风机、水泵、空气压缩机总量约4200万台，装机容量约1.1亿千瓦，但这些大功率耗能系统实际运行效率仅为30—40%，电能损耗巨大，这是由于许多风机、水泵、空气压缩机的拖动电机都是处于恒速运转状态，而生产中的风、水流量以及气压需求量却处于变动状态；另外，许多企业在进行系统设计时，容量选择得比较大，系统匹配不合理，因而造成大量的能源浪费。江苏统一马口铁有限公司主要生产钢铁产品中的高精尖产品电镀锡板（俗称马口铁），该材料可广泛地用于食品、饮料包装及电子、化工、五金加工等行业，公司主生产线配置2台1995年产KASERCS121型普通螺杆空压机，一备一用，功率75KW/台。系统运行时存在以下问题：（1）主电机虽然星-角减压起动，但起动时的电流仍然很大，对电网的稳定和其它用电设备的运行安全有影响。（2）主电机时常空载运行，属非经济运行，电能浪费严重。（3）主电机工频起动对设备的冲击大，电机轴承等部件易磨损。（4）主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大等等。1．2空压机变频化改造的必要性鉴于以上，对空压机进行变频节能改造是必要的，这样不仅能够节约大量的运行费用，降低生产成本，同时还可以减少设备维护费用。变频器运用于传统空压机，可以根据安装在储气包上的压力传感器即时感应系统中实际气压和和用气量，通过电气控制和变频调速，在不改变空压机马达转矩的前提下即时控制马达转速，即输出功率，经由改变空压机转速来反应系统压力的变化，并保持稳定的系统压力，实现高品质压缩空气的按需输出，并最终此达到节电的效果。随着电力电子技术的发展，变频器的应用越来越广泛，它是一种较为成熟的高科技产品，越来越受到国内外工程技术人员和管理人员的关注和重视，目前，新型空压机大多已采用变频控制，大大提高了效率和降低了能源消耗，例如：KAESERSFC系列变频控制螺杆空压机等。空压机变频改造后的效益主要有：（1）节约能源。（2）维修等运行成本降低。（3）提高压力控制精度。（4）延长压缩机的使用寿命。（5）降低空压机的噪音等。第二章CS121螺杆空压机原理2．1螺杆空压机概述CS121螺杆空压机由德国KAESER公司制作，它采用在欧洲素有“金转子”之称的德国KAESERSIGMA形转子，高效节能，主要组件有压缩室和两根螺杆，运转效率很高，工作原理简述：压缩机螺杆采用一对相互平行啮合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿、槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式压缩机的吸气、压缩和排气的全过程。2．2螺杆空压机控制原理2．2．1空压机动作过程压缩机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，空压机动作程序为：按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而排气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压短暂时间后，由于压差控制作用进气阀打开，压缩机开始加载运行，这时系统油气分离器压力开始上升。当系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气阀打开放气，压缩机空载运行。直到系统压力跌到压力开关下限值后，即回跳压力，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运行。2．2．2压力和马达运转变化图空载空载满载马达出力压力下限上限T1时间12345T2说明：调整位于空压机油气分离器上的压力开关，可以设定空压机工作的上限和下限压力；当系统压力跌到压力开关下限值时，空压机满载运行，见上图斜线上升段；当系统压力升到压力开关下限值时，空压机空载运行，见上图斜线下降段；当空压机持续空载时间（上图12区段T1时间）超过预先设定的时间时，马达停止运转（上图23区段），空压机在34区段则再次满载启动，45区段再次空载运行，并由于T2时间小于预先设定时间，故此区段马达未停止运转。第三章变频器概述和调速原理3．1变频器概述变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置，它的问世，使电气传动领域发生了一场技术革命，即交流调速取代直流调速，交流电动机变频调速技术具有节能、改善工艺流程、提高产品质量和便于自动控制等诸多优势，是公认的最具发展前途的调速方式。3．1．1变频器的发展变频器技术随着微电子学、电力电子技术、计算机技术和自动控制理论等的不断发展而发展，其应用越来越普及。电力电子器件是变频器发展的基础，自1956年起，先后出现了晶闸管、门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力MOS场效应管（MOSFET）、绝缘珊双极型晶体管（IGBT）和智能功率模块（IPM）等电力电子器件，为变频技术的快速发展奠定了基础。计算机技术和自动控制理论是变频器发展的支柱，早期的晶闸管逆变器各桥臂的开关控制是由分立电子元器件组成的电路完成的，未采用计算机控制技术，不仅可靠性差、频率低，而且输出的电压和电流波形是方波，随着PWM技术的应用，以及16位甚至32位微处理器的应用，不仅能够得到相当接近正弦波的输出电压和电流，而且也使变频器的功能从单一的变频调速发展为包含算术逻辑运算及智能控制在内的综合功能，推出了能实现矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等模式。进入21世纪，随着与变频相关的技术持续发展，网络智能化、专门化、一体化、环保无公害的变频器将是发展方向。3．1．2变频器的基本类型变频器种类很多，有各种不同的分类方法，按相数分有单相和三相、按波形分有方波和正弦波、按储能方式分有电压型和电流型、按调压方式分有脉幅调制和脉宽调制，另外若按控制方式分则有：U/f控制即压频比控制、SF控制即转差频率控制和VC矢量控制、直接转矩控制、单片机控制等。3．1．3变频器控制方式简介变频器的控制方式有：U/f控制即压频比控制、SF控制即转差频率控制和VC矢量控制、直接转矩控制、单片机控制等，简单解释说明如下：U/f控制：在改变变频器输出频率的同时也改变电压，通常U/f为常数，这样可使电机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，保持电机转矩、效率、功率因素不下降。SF控制：采用速度检出器测出电机转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电机速度对应的频率与转差频率之和作为变频器的输出频率，通过控制转差频率来控制转矩和电流。VC控制：通过把定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制，影响变频器输出电流的大小、频率和相位，用以维持电机内部的磁通和所需转矩。直接转矩控制：与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等间接控制转矩，而是把转矩直接作为控制量来控制。单片机控制：是以高性能单片机（主要为16位）和数字信号处理器（DSP）等为控制核心来构成系统的。3．2变频器调速原理3．2．1变频器调速原理根据电机学可知，交流异步电动机的转速公式为：n=60f1*（1-s）/pf1：定子供电频率；p：极对数；s：转差率由上式可知，若均匀地改变定子供电频率f1，则可以平滑地改变电动机转速，然而只调节f1是不行的，因为下式：E1=4.44*f1*N1*K*Φ≒U1E1：定子相感应电动势；N1：定子相绕组有效匝数；K：与电机结构有关的常数；Φ：每极磁通；U1：定子电压。当定子电压U1不变，Φ和f1成反比，f1升高或降低会导致磁通Φ减小或增大，从而使电机的最大转矩减小，严重时将导致电机堵转，或使磁路饱和，铁耗增加。为此，在调节电源频率时，也要调节电压的大小，以维持磁通的恒定，使最大转矩不变。根据U1和f1不同的比例关系，变频器U/f控制介绍如下节。3．2．2变频器U/f调速恒比例控制方式：调频时同时调压，维持U1/f1不变，当频率较高时，定子压降忽略不计，此时有U1≒E1、Φ为恒值，根据异步电动机的转矩表达式：T=C*Φ*I2*cosφ2C：电磁转矩系数；I2：转子电流；cosφ2：转子功率因数。当转子电流I2额定，电动机转矩不变，因此，这种恒比例控制方式属于恒转矩调速性质。当频率较低时，定子压降不可忽略，E1和U1相差较大，最大转矩将随f1的降低而减少，启动转矩也小。所以，恒比例控制方式只适用于调速范围不大（即非低频段），或者转矩随转速下降而减小的负载（如风机、水泵等）。恒磁通控制方式：由恒比例控制分析可知，要在整个范围内实现恒磁通控制，必须按E1/f1=恒值来控制，它是维持恒磁通和转矩恒定的控制条件，但是由于电动机的感应电动势E1难以测定和控制，所以实际应用中采用一种近似的恒磁通控制方法：当频率较高时，采用恒比例控制方式，当频率较低时，引入低频补偿，即通过控制环节适当提高变频电源的输出电压，以补偿低频时定子电阻上的压降，维持磁通不变，实现恒转矩控制。恒功率控制方式：当调速转速超过额定转速时，要求f1>f1N（额定频率），若仍按恒磁通方式控制，会使U1超过额定电压U1N，这是不允许的，此时必须改用恒功率控制方式，即当f1>f1N时，保持U1=U1N，不进行电压协调控制。随着频率的升高，气隙磁通会小于额定磁通，导致转矩减小，但频率升高，速度增加，由P=T*n/955可知，当T减小的倍数和n增加的倍数相等时，P维持不变，故为恒功率方式。以上三种方式图例如下：ff1N（50Hz）f1U1N恒比例恒磁通恒功率3．2．3变频器U/f不同控制方式为了方便顾客选择，变频器说明书中通常都有U/f控制曲线图，具体如下：基本U/f控制曲线：上图中恒比例控制。转矩补偿U/f曲线：上图中恒磁通控制，适用于低速时需要较大转矩的负载，且可根据负载大小来确定补偿程度转矩负补偿U/f曲线：上图中恒比例控制曲线下方之虚线部分，由于在基本U/f控制曲线下方，故称负补偿。适用于风机、泵类的平方负载，这种负载的阻转矩和转速平方成正比，即低速时负载转矩很小，即使不补偿，电机输出转矩足以带动负载。

参考文献[1]刘美俊.通用变频器应用技术.福建科学技术出版社，2005，9.[2]王廷才，王伟.变频器原理及应用.北京：机械工业出版社，2006，2.[3][日]三菱电机株式会社.变频调速使用手册.许振茂等译.北京兵器工业出版社，1992[4]刘美俊.变频器的调速方式及合理选择.沈阳：电气开关，2002.6.[5]满永奎等.通用变频器及其应用.北京：机械工业出版社，1999.[6]许大中等.电机控制.杭州：浙江大学出版社，1995[7]李浚源等.电力拖动基础.武汉：华中理工大学出版社，1999.[8]石秋洁.变频器应用基础.北京：机械工业出版社，2002.[9]王廷才.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000.[10]杜金城.电气变频调速设计技术.北京：中国电力出版社，2001.[11]吕汀，石红梅.变频技术原理与应用.北京：机械工业出版社，2003.[12]张燕宾.变频调速应用实践.北京：机械工业出版社，2000.[13]袁任光.交流变频调速器选用手册.广州：广东科技出版社，2002.[14]王廷才，刁红宇.空气压缩机变频技术及应用.风机技术，2005.[15]王仁祥.通用变频器选型与维修技术.北京：中国电力出版社，2004.[16]无锡东元电机.SPEECON7200GS东元变频器使用说明书.空间环境数据信息系统在载人航天任务中的应用Theapplicationofthespaceenvironmentdatainformationsysteminmannedspaceprogram摘要空间环境数据信息系统在载人航天空间环境保障任务中承担了数据支撑的重要作用，为载人飞船运行期间的空间环境保障任务提供了实时数据服务。本文从数据准备、具体数据应用和应用效果等方面，全面介绍了空间环境数据信息系统在“神舟五号”、“神舟六号”任务期间为空间环境保障提供数据服务的情况。关键词空间环境数据信息系统载人航天应用服务AbstractTheSpaceEnvironmentDataInformationSystemhasplayedanimportantpartthatprovidesrealtimedataforspaceenvironmentprotectioninmannedspaceprogram,especiallyintheperiodsthatShenzhou-5andShenzhou-6wereorbiting.ThetexthasintroducedthesituationofdataserviceduringShenzhou-5andShenzhou-6spacemissionsintheaspectofdatapreparation,practicalapplicationsandtheeffectofapplication,etc.KeywordsSpaceenvironmentDatainformationsystemMannedspaceprogramApplication

引言飞行器和航天员在轨飞行过程中，受到空间环境中的各种粒子、射线等电磁辐射的威胁，存在严重的空间环境安全问题，为其提供空间环境保障服务是减缓或规避风险的重要手段。开展空间环境保障工作离不开空间环境数据资源的支持。因此，及时收集各类空间环境数据资源，为载人航天的空间环境保障任务提供实时数据服务，对确保载人飞行任务的顺利完成起着至关重要的作用。空间环境数据信息系统是一种通过实时收集国内外实时空间环境原始数据，并在完成必要的数据处理之后，为空间环境预报和效应分析提供数据支持的数据信息系统。该系统在“神舟五号”及“神舟六号”发射期间为空间环境保障提供了实时数据服务，确保了载人飞船空间环境保障任务的顺利完成。神舟任务中的数据准备从飞船发射6个月前起，数据支持人员就开始利用空间环境数据信息系统实施7x24连续不间断的数据收集，为飞船发射的空间环境保障任务进行数据准备，主要完成的工作包括数据收集、数据预处理、数据入库等。空间环境数据信息系统主要通过主动收集和被动接收两种方式完成数据收集任务。数据主动收集主要是利用空间环境数据信息系统之数据收集服务系统，对在Internet网上发布的数据进行收集。数据收集重点是国外各类典型的空间环境观测数据，如SOHO卫星、ACE卫星、GOES卫星观测数据和部分地基台站观测数据。这些数据一般采用明文文件的方式发布，需要经过格式转换、特征数据析取、误码填充等一系列数据预处理之后，才能将其驻入数据库，供空间环境预报人员使用。当前，国内开展空间环境保障工作还需要大量依赖国际数据，预报过程使用的数据种类达几十种之多。这些数据在网络发布时采用的数据格式非常不统一，且复杂多变，数据更新时频不确定，数据发布技术方式多样、发布服务器地址易变。针对这些特定，我们对数据收集系统作了针对性设计，使之具备了可定制数据抓取采用的通信协议，可定制服务器地址信息，可定制数据抓取时段、时频和可定制数据析取模式等功能。数据被动接收主要是利用空间环境数据信息系统之数据接收服务系统，对国内合作单位空间环境地基观测台站主动发送的数据进行接收。数据发送主要通过远程传输代理工具或以E-Mail进行。合作提供观测数据的台站包括：国家天文台怀柔太阳观测基地、云南天文台、中科院空间中心北京宇宙线台、中科院地质与地球物理所十三陵站地磁台站、北京、武汉、三亚GPS_TEC观测台站等。在“神舟五号”、“神舟六号”任务期间，为空间环境保障任务收集的数据在内容上基本涵盖了太阳活动、行星际空间、磁层、电离层和中高层大气等空间环境各个领域的原始观测数据。既有卫星观测数据，也有地基台站观测数据；既有数值型数据，也有图像数据；既有物理量直接测量值，也有典型扰动事件报告和环境要素活动指数数据。最典型的数据内容包括：SOHO卫星利用不同波长观测的太阳各层面活动图像、GOSE卫星提供的太阳X射线通量值、地基全球太阳Hａ太阳色球图像多点联网观测；ACE卫星提供的行星际太阳风等离子体参数监测和行星际磁场强度监测数据；GOSE卫星提供的多能道轨道带电粒子通量和磁场强度监测数据、POSE卫星提供的极区上空带电粒子通量监测数据；全球（包括极区）地基台站提供的地磁、电离层、中高层大气等环境要素监测数据；各种地磁指数、典型空间环境扰动事件报告。这些数据基本能满足当前空间环境预报和效应分析的需要。收集到的各类空间环境数据，经系统自动和人工相结合的加工处理后，首先置入空间环境数据库进行存储。空间环境数据信息系统以空间环境数据库为平台，通过开放接口，为预报模式计算、预报综合分析和空间环境实时监视等典型应用提供实时的数据支持服务。此外，对数据库中的所有数据，均建立了相应的元数据信息，为用户查询提供了方便。3.神舟任务中的数据应用服务在神舟任务过程中，空间环境数据信息系统作为数据支撑系统，直接为预报应用提供数据服务。具体数据应用主要通过如下三类方式实现：（1）直接由数据实现；（2）通过模式运算直接实现；（3）通过综合分析模式、模块计算运算结果实现。图1冕洞成像图第一类应用是利用空间环境数据信息系统直接进行数据展示。预报员利用数据监视工具，把从数据库中读取来的数据按其物理特征绘制成直观表现的图形，以可视化方式实现对空间环境状态的实时动态监视，为预报分析提供第一手资料。其中，数值型数据按物理特性绘制成曲线图、点状图或柱状图；图片数据则按需求定义成动态展示的电影或静态实时更新的图片。输出的数据图形可在预报平台上进行具体的预报分析（如图1、2所示），也可在预报大厅的18个屏幕上进行展示（如图3所示）。图2行星际太阳风、磁场及地磁Kp指数变化曲线第二类应用是根据预报的需求参数，直接从数据信息系统中调用相应数据，作为输入驱动预报模式或预报综合分析识别模块，通过预报模式的运算，输出预报所需的空间环境状态指数，作为预报员进行空间天气预报及航天器效应分析的依据。例如，在预报3小时内200－1000km高度范围内极区高层大气密度扰动数值时，高层大气模式从数据信息系统中读取ACE卫星的行星际磁场和太阳风参数的实时数据、太阳10.7厘米波长的射电通量和Ap指数等数据，通过模式运算，得到3小时内200－1000km极区高层大气密度扰动数据分布图（如图4所示）。预报员根据该模式计算结果可以预测出高层大气对载人飞船可能产生的阻力效应，给出高层大气环境可能对飞船寿命、轨道衰变速率和姿态造成的影响的评估，进而提出相适应的保障措施建议。图3数据监视平台第三类应用是预报模式或预报综合分析识别模块直接从空间环境数据信息系统中读取所需数据作为输入，通过计算得到某种结果，预报员将所得的结果进行分析、提炼和总结，把综合分析后得到的结果作为另一模式或另一预报综合分析识别模块的输入，通过二次运算得到模式耦合预报结果。例如，在对行星际扰动进行分析时，行星际扰动预报模式从空间环境数据信息系统中读取2.5太阳半径源表面处磁场分布的实时