空气压缩机运行中存在的问题及其电气改造方案

1、论OG-75/S单螺杆压缩机实际运行中存在的问题及其电气改造方案撰写 汪勇2010年12月29日目录一.前言-(1)二.空气压缩机的供气流程及主要机械部件结构简介-(1)三.原空气压缩机电气控制原理简述-(1)四.原空气压缩机安全保护功能简述-(2)五.单螺杆空气压缩机加、卸载供气控制方式和实际运行、维护中存在的问题分析-(2)六.三相异步电动机变频调速的基本原理概述-(3)七.空气压缩机变频电气控制部分改造总体要求-(4)八.空气压缩机变频恒压供气控制方式的设计-(5)1.变频器的选则-(5)2.变频器的功能预置-(5)3.压力变送器-(6)4.可编程序控制器-(6)5.具体电路的改造方案控

2、制要求-(7)九.空气压缩机改造清单-(7)十.空气压缩机变频调速改造后的效益分析-(7)1.节约能源使运行成本降低-(8)2.有效降低维护成本和缩短维护时间-（8）3.提高压力控制精度-(8)结束语-(8)附图一-(9)附图二-(10)程序清单 表一-(11)参考文献-(14)论OG-75/S单螺杆压缩机实际运行中存在的问题及其电气改造方案 摘要 本论文针对上海飞和机械有限公司1998年生产并在本企业投入使用的OG-75/S型空气压缩机为例，分析了它在加、卸载控制方式和实际运行中所存在的诸多问题，引出了采用变频调速恒压供气、可编程序控制器控制的改造方案，并较详细阐述改造方案中变频恒压供气的电

3、气控制设计要求以及对变频器、压力传感器以及可编程控制器的选用要点、具体电路的改造方法等内容。最后对空气压缩机恒压供气改造后在运行成本、提高压力控制精度等方面作了必要的分析与比较。关键词：单螺杆空气压缩机；变频调速；变频器；可编程控制器一.前言 进入二十一世纪，我国的经济正以高于世界平均经济增长率发展。为实现将我国由制造大国向制造强国的转变，国家即时提出了可持续发展的战略目标，把节能减排工作放在国民经济发展的重要地位。目前正在起草的能源法将进一步给企业的发展指明方向。产品是企业生存和发展的基础。企业之间的竞争实际上是产品价格的竞争，因此降低现有制造设备的运行成本，从而降低已有产品的制造成本，是企

4、业增强产品市场竞争力的最有效的技术手段之一。首先，对于制造设备的生产企业来讲，由于现代科技的快速发展和日趋激烈的市场竞争，其产品的更新速度也非常快，所以客观上给制造设备的用户采用最新技术对现有老、旧设备施行技术改造创造了条件。其次，对现有设备进行技术改造，如技术更新、节能改造等，它具有针对性强、一次性投资成本低回收期短、效果显著的特点，因此具有非常重要的现实意义。因此，本论文基于上述原因，阐述了1998年投入使用至今的一台OG-75/S型单螺杆空气压缩机在加、卸载供气控制方式和在长期实际运行、维护中发现的问题，有针对性地提出利用变频调速和可编程序控制器的设备改造方案，由于本人知识的局限性，文中

5、难免存有疏漏之处，望各位老师给予指正。 二.空气压缩机的供气流程及主要机械部件结构简介 OG-75/S型空气压缩机采用了水冷却方式,最高额定排气压力为1MPa,产气量为10立方米/分钟,所配电动机为:额定功率75KW,额定电流140A,额定转速2970r/min,电源电压380V、50Hz。空气通过空气滤清器滤去灰尘杂质后，由卸载阀控制它进入空气压缩机的工作腔。随着螺杆与两侧星轮片的啮合运行空气被压缩，并在压缩过程的开始阶段与喷入的润滑油混合，当混合气体被压缩到规定值时，即从排气口排出，通过单向阀进入油气分离器进行油、气分离，再经最小压力阀、气冷却器、气水分离器送入使用糸统。空气压缩机主体是由

6、机壳、螺杆、一对星轮片以及单向阀组成。两个星轮片分别位于螺杆两侧的水平轴线平面内并插入螺杆上的螺旋槽内与壳体组成容积变化的气腔。电动机带动螺杆和两个星轮片以规定的转向旋转，使得从吸气端向排气端所形成的气腔逐渐减小，从而实现连续地将空气从吸气口吸入并进行压缩后从排气口排出的工作循环。由于在螺杆上优化设计了6道螺旋槽，螺杆每旋转一周将产生吸入、压缩和排气的12个工作循环，又由于电动机为2极电动机，其同步转速为3000min，那么每分钟空气压缩机的排气次数将接近36000次。因此 OG-75/S型单螺杆空气压缩机工作时具有振动小、产气率高、机械磨损小、螺杆无径向负荷、螺杆轴承寿命可达50000小时以

7、上等优良特性。卸载阀是气压调节系统中重要的气动执行元件， 它位于空气压缩机进气口的前端，采用了截止阀结构。 通过电气和气路调节糸统来控制其内部的启闭件(蝶板)做打开和关闭的往复运动，以实现空气压缩机的负载和卸载工作状态。同时，利用溶调阀(也称比例阀)、 滑阀的配合动作，在气水分离器出口压力接近Pmax95时，实现无级自动气量调节。三.原空气压缩机电气控制原理简述接通电源，按下起动按钮SB2，电动机1在星形连接状态下起动运行，经过时间继电器KT1延时2535秒后，电动机由星形转为三角形运行。在电动机星形起动时，有少量空气从卸载阀的小孔吸入，在油气分离器中建立起润滑油循环所必须的最低压力0.15M

8、Pa，此时，电动机尚在星形起动状态，加、卸载电磁阀均未得电，其中卸载电磁阀(常开型)将油气分离器中的气体从回气糸统放空使卸载阀关闭，保了证电动机在星形连接时的轻载起动。在电动机转为三角形运行的同时，KM3的辅助常开触点闭合使加、卸载电磁阀得电，卸载电磁阀关闭回气糸统，加载电磁阀(常闭型)打开，油气分离器中的压缩空气，通过调节糸统管路，进入卸载阀的压力腔，使卸载阀中的蝶板开始开启，直到全开，空气压缩机进入负载工作状态。此时,压缩气体才在油气分离器中逐渐建立起压力。当压力值达到最小压力阀的开启压力值时(0.50.4MPa)最小压力阀打开，供气管道开始建立排气压力，空气压缩机直至在最大压力值Pmax

9、下负载工作。在排气压力值达到Pmax时，压力控制器的常闭触点断开，加、卸载电磁阀均失电，油气分离器中的压缩空气被放空，卸载阀关闭，最小压力阀因油气分离器的卸载而关闭，空气压缩机处于卸载工作状态。这种卸载情况若在时间继电器KT2所设定延时的46分钟内，排气压力就降到压力控制器的下限压力值Pmin时，空气压缩机将重新恢复到负载状态运行。如达到KT2所设定的时间而排气压力值仍比压力控制器下限压力值高时，于是KT2的常闭触点断开，使得电动机的星、三角形起动电路失电，则电动机停转。当排气压力降到压力控制器下限压力值时，其常闭触点接通，常开触点断开，时间继电器KT2失电，KT2的常闭触点接通，使得星、三角

10、形起动电路得电，电动机重新进行星、三角形启动后，空气压缩机再次进入负载状态运行开始产气。原设备电气原理图详见附图一。四.空气压缩机安全保护功能简述1 油气温度超温保护当空气压缩机油气温度超过100摄氏度时，电接点温度计K闭合，KA2中间继电器自锁,切断KA1回路、切断主回路停车，并显示超温指示。2 缺水保护在控制线路中利用靶式流量计内部的微动开关，使在缺水状态时接通时间继电器KT4，经延时后，串在KA1回路中的触点动作，切断主电路停车，并显示断水指示。3 其它安全保护及报警显示有主电机过载保护(FR1热继电器)、电源的缺相与相序保护(XJ)、油气分离器最高压力保护(安全阀-整定值为Pmax11

11、0)和油滤清器堵塞、油气分离器滤芯堵塞的灯光报警。(附原电气控制原理图)五.单螺杆空气压缩机加、卸载供气控制方式和在实际运行、维护中存在的问题分析1.空气压缩机的加、卸载方式使得压缩气体的压力在用户正常工作所需的最低压力值(Pmin)与最高压力值(Pmax)之间来回变化。一般情况下,Pmax和Pmin之间的关系可用下式表示：Pmax=(1+)Pmin （4-1）式中一般的数值大致在1025之间(OG75S型空气压缩机是根据用户正常工作的最低压力值和其使用维护手册的要求取值为25)。因此,加、卸载供气控制方式浪费的能量主要在以下三个方面：1.1压缩空气压力超过min后所消耗的能量当储气罐中空气压

12、力达到min后,在加、卸载供气控制方式下还要使其压力继续上升到max。这一过程中需要电源提供空气压缩机能量,从而导致能量的损失。1.2卸载时调节方法不合理所消耗的能量当压力达到max时,空气压缩机通过关闭卸载阀不再对压缩气体做功,但空气压缩机的电动机还是要带动螺杆和星轮片以额定转速做回转运动。据测算,空气压缩机卸载时的能耗约是它满载运行时的1015。在卸载时间段内,空气压缩机在做无用功,而白白消耗能源。同时还将油气分离器中多余的压缩空气通过放空阀放空,这种控制方法也要造成能耗。1.3气量自动调节时造成能量的消耗当用气量小于排气量时,糸统压力上升。当系统压力接近max(等于max95)时,容调阀

13、开始动作,卸载阀逐步关闭进气口,其关闭量随压力上升而增强,而此时空气压缩机的电动机仍以额定转速运行。这样,使能量以卸载阀(蝶板或滑动件)的节流损失而消耗掉。2.通常由于设计时空气压缩机不能排除在满负载状态下长时间运行的可能性,而只能按最大供气需求来选择电动机的容量,故选择的电动机的容量一般较大。但在实际运行中,轻载运行的时间往往所占比例较高,这将造成很大的能源浪费.3.空气压缩机以工频较频繁地启动,启动时的冲击电流大,电动机的轴承和空气压缩机的机械传动系统磨损大。虽然电动机采用了星形三角形降压启动,但由于主电机视在功率很大约为75千伏安，所以起动时电流仍然较大，较频繁启动时仍会影响电网电压的稳

14、定性造成同网其它用电设备的欠压保护误动作。同时,它依靠机械方式来调节供气量,使得卸载阀、放空阀、容调阀、电磁阀等元件频繁动作,加速它们的磨损,从而增加维修量和维修成本。4.由于该空气压缩机是十多年前的老产品，采用的是全继电器控制方式，因此电气控制部分的运行可靠性差、故障率高、故障点查找工作繁琐，造成故障停机维修时间长。对于空气压缩机在运行、维护中存在的诸多问题，若进行变频改造，同时将继电控制改为可编程序控制器对于上述问题都可得到彻底的解决。由于现代变频器具有优良的电气调速性能和完善的保护功能以及可编程序控制器极高的运行可靠性（平均无故障运行时间高达几十万小时）和实现控制方式的柔性化，它们的配搭

15、使用是现代电力拖动系统最理想的控制方式。六.三相异步电动机变频调速的基本原理概述变频器技术随着大功率电力电子开关器件、计算机技术和自动控制理论等的不断发展而发展。使得变频器在安全可靠、智能化、操作简便、低成本、小型化等方面得到长足的发展，给电气传动领域带来了一场技术革命，即交流调速取代直流调速。交流电动机变频调速技术被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 根据电机学原理可知，三相交流电流通入异步电动机的三相定子绕组中形成的磁场是一个旋转磁场。 磁场旋转的转速(即同步转速No)可用下式表示：No=60Fi/P （5-1）式中 Fi为电动机工作电流的频率、P为电动机旋转磁场的磁极对数。如果频率调节

16、成Fx，则同步转速Nox也随之调节成：Nox=60Fx/P （5-2） 这就是变频调速的理论依据。现在使用的通用变频器绝大多数为交-直-交变频器， 它的系统框图如图5-1所示。三相交流电源三相桥式整流滤波、制动电路逆变器过流检测三相电动机故障信号检测三相驱动、保护电路微型计算机系统操作键显示图5-1 变频器系统框图三相交流电经三相桥式可控整流电路转换为直流电，再经滤波与制动电路后，在三相驱动电路的控制下，逆变器输出频率值和电压值按压频比恒定控制要求变化的交流电压，作为三相异步电动机的工作电源。作为逆变器部份广泛采用的是正弦波脉宽调制技术，即用正弦调制波对高频脉冲载波的脉冲宽度进行调制。在对电动

17、机调速时，为充分发挥电动机的性能，保持它在调速范围内转矩为额定转矩，必须保持电动机中每极磁通量为额定值，因此在变频器控制方式中引入了压频比(U/f)为常数的控制方式(也称恒磁通控制方式)。它是当今变频器控制方式中的最基本的控制方式之一。根据前面对空气压缩机、变频器的基本原理阐述可知，如对空气压缩机的电动机采用变频调速控制，就能实现根据用气量的多少自动对空气压缩机的排气次数作连续的调节，达到恒压供气的目的。同时还能延长空气压缩机的使用寿命、降低运行噪音，以解决空压机在运行中存在的诸多问题。空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制的系统原理图如图5-2示电源接触器电动机变频器PID空压机储气罐用

18、户压力变送器压力给定图5-2 系统原理框图变频器调速系统将管网压力作为控制对象，利用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既定的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逆变频率，实现调节电动机的转速，由于检测负反馈反馈回路采用了PID无静差调节，从而使空压机排气压力（即系统的管网压力）始终维持在给定压力。七.空气压缩机电气控制部分改造总体要求1.尽可能保持改造后的设备与设备改造前的操作方式变化不大，只在设备操作面板上新增一只“变频/工频”转换开关。将原设备定频工作方式作为备用，正常情况下都把“变频工频”转换

19、开关置于“变频”位置。在工频工作时其设备运行状态与改造前设备相同即加/卸载方式、安全保护功能相同。这一点是对现有的老旧设备改造独有的优势之处为实现这个功能不增加额外的改造费用。2.在变频工作状态下能实现根据设定值(用户最小工作压力值Pmin)对产气压力采用PID闭环无静差自动控制，保证供气压力等于0.6MPa0.02MPa的控制精度要求。3.空气压缩机在变频调速控制方式下工作时，如一旦变频器出现故障，应具有自动切换为工频状态运行的功能，进一步提高改造后设备连续工作能力和运行的可靠性，避免由于设备故障造成大面积的断气情况的发生。4改造前后设备的各项安全保护功能不变，因为原设备的保护功能已经比较完

20、善，但由于采用可编程序控制器后改造后设备各项安全保护功能更加可靠。5.最低运行转速应能满足空气压缩机的机械运动部件的润滑、主电机的冷却要求为限。6.将所有的逻辑控制功能、保护和报警功能以及故障显示（采用故障代码形式）由可编程序控制器实现。7.尽可能利用设备原有电气成件，以降低改造费用， 确保短期内收回改造成本。八.空气压缩机变频恒压供气控制方式的设计1 变频器的选则OG-75/S单螺杆式空气压缩机，其负载转矩具有恒转矩特性。它的运行功率与转速成正比：PL=TLnL/9550 (7-1) 式中PL为空气压缩机的功率、TL为空气压缩机的转矩、nL为空气压缩机的转速。因此，变频器应选用通用型。 又因

21、为空气压缩机的转速不允许超过额定值，一般变频器出厂标注的额定容量都具有一定的裕量安全系数。 所以，选择变频器的容量与所驱动的电动机容量相同即可。该空气压缩机所配的电动机型号：Y280S-2， 功率：75KW，额定电压：380V，额定电流：140A，二极，转速：2970r/min。可以选用成都希望森兰变频器制造有限公司生产的BT12S75KWIA型高性能全数字式通用变频器，它配用电动机容量为75KW，额定容量为99KVA，额定电流为150A，额定过电流能力150(1min)，内部具有PID调节器。根据润滑方式和电动机自身冷却的要求，空气压缩机的运转速度不宜太低，应以电动机长时间运转而不超过其额定

22、温升为限 。同时，对机械特性的硬度无特殊要求，故可采用压频比(U/f)控制方式。OG-75/S单螺杆空气压缩机变频恒压供气电路原理图如图（7-1）所示。2 变频器的功能预置 变频器的运行涉及到多项参数，需要对各参数进行功能预置，才能使电动机的变频调速后的特性满足生产机械的要求。因为本节所涉及的内容由于不同生产厂家生产的变频器其具体参数的预置方法不同，应以所选用的变频器的用户手册为依据对其相关参数进行预置，所以以下只对变频器的功能预置作原则上的介绍。2.1上限频率 由于空气压缩机的最高转速决不允许超过额定值，故变频器所设上限频率应为电动机的额定频率(50Hz)。2.2 加、减速时间 空气压缩机有

23、时需要在储气罐已经有一定压力的情况下起动，这时通常要求快一点加速，因此加速时间应尽可能短(以起动过格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。2.3 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。2.4 操作模式 由于变频器的切换功能只能在外部运行下有效，因此应将运转指令来源设为外控模式。3 压力变送器 根据用户正常工作所需最小压力值0.6MPa，以及由于压力检测点距空气压缩机的安装位置较远(大于15m)，为减少测量误差，保证恒压供气系统的控制精度。因此，选择了成都中阳实业公司生产的CS2-11型、量程为0-1MPa、输出420mA的模拟信号、精度为0.0

24、5FS的两线式硅压力变送器。压力变送器SP与变频器连接方式详见附图二。图中电阻R为I/V转换电阻必须安装在变频器的传感器反馈电压信号输入端VPF的旁边，它将压力变送器输出的420mA模拟信号转换为15V的模拟信号后作为变频器的反馈电压信号。4 可编程序控制器4.1硬件系统的设计要点 根据对原空气压缩机控制系统的分析可知实际共需要开关量输入10个点，继电器型输出10个点，同时考虑到改造后的维护需要，通常再按照实际所需的总点数的10%-15%留出备用量。所以选用0MRON公司CMP1A，16点输入，12点输出的基本单元可编程控制器。改造方案的电气原理图详见附图二。4.2软件系统的设计要点根据设备控

25、制所要达到的控制要求设计可编程控制器的应用软件。考虑到尽可能降低改造成本在短期内收回投资减少可编程序控制器的所需要的输出点数，设备故障显示采用三只LED发光二极管，其设备故障显示要求如下：报警名称器件符号LED发光二极管显示状态内部地址单元内部故障代码字LED3LED2LED1缺水故障KT40012021油路堵塞S0102032油气超温K0112043缺相反相XJ1002054电机过载FR11012065变频器故障X21102076 LED1、LED2、LED3为发光二极管，表中“1”表示点亮，“0”表示熄灭。故障显示利用三只发光二极管的分别亮灭的组合来显示六种故障原因。附表1给出了控制软件的

26、程序代码梯形图。5 具体电路的改造方案控制要点W1多圈精密电位器与数字电压表(2)组成供气压力实际值的数显装置，其显示数值可由W1进行修正。W2多圈精密电位器设置在设备的操作面板上，它的作用是对供气压力进行设定(一般设为0.6MPa0.02MPa)。W3多圈精密电位器与数字电压表(1)组成压力设定值的数显装置，W3可对显示数值进行修正。改造后的 电路除变频器外，在主电路中增加了KM4、KM5两只交流接触器(型号为CJX1-140)。当变频工作时，合上总电源开关QS后，气冷却器风扇开始工作，表明设备已径上电，将设备操作面板上的“变频工频”转换开关置于“变频”位置，按下操作面板上的“启动”按钮SB

27、2，此时，变频器对主电动机由零开始进行加速致电动机稳定工作的额定转速。当需空气压缩机停止工作时，变频器将使主电动机由当前转速减速到零。当空气压缩机在变频工作状态时变频器发生故障，变频器上的集中报警输出端30A与30B闭合，空气压缩机因变频器故障而自动转入工频运行。九.空气压缩机改造清单序号代号名称型号、规格数量参考单价（元）金额（元）1VF变频器BT12S75KMIA135000350002SP硅压力变送器CS2-11，量程:01Mpa,OUT：4-20mA1120012003KM4、KM5交流接触器CJX1LC可编程控制器CPM1A-28DER输入16点，输出12点

28、1250025005开关电源IN：AC220V,OUT：DC5A、1A11001006数字电压表DC 010V22004007其它400合计改造费用：4.02万元十.空气压缩机变频调速改造后的效益分析1节约能源使运行成本降低空气压缩机的运行成本由初始采购成本、维护成本、和能源成本三项组成。其中能源成本约占空气压缩机运行成本的80。通过变频技术改造后能源成本至少可降低20。OG-75/S型单螺杆空气压缩机，主电动机功率为75KW，其理论用电量每小时是75度，实际其耗电量由于负荷的变化要略小于此数值，若按0.8计算，则实际耗电量为75KW/h0.810小时25天12个月=度，以每度电0.77元的价格计算，可见它的年耗电电费为度0.77元/度=13.86万元。对空气压缩机变频调速改造后，每年可节省电费为13.86万元20=2.772万元。2有效降低维护成本和缩短维护时间首先，由于采用变频控制后，实现了空气压缩机的低频低压软启动，软停车，从而消除了对电网的冲击和空压机机械部件的冲击损伤，大大提高了设备工作的