基于PLC和變頻器在空壓機(jī)節(jié)能改造中的設(shè)計(jì)

摘 要 ：針對(duì)空壓機(jī)能耗大，噪音大，自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，提出利用可編程控制器和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿式空壓機(jī)的節(jié)能改造方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案自動(dòng)化程度高，節(jié)能效果明顯，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

1 引言
空氣壓縮機(jī)是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備。它的用途廣泛，可以用于冶金、機(jī)械制造、礦山、電力、紡織、石油化工等各個(gè)行業(yè)。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%。經(jīng)考察，大部分空壓機(jī)自身存在著以下幾個(gè)缺點(diǎn):
(1)當(dāng)輸出壓力大于一定值時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)泄載閥，使異步電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，嚴(yán)重浪費(fèi)能源;
(2)異步電動(dòng)機(jī)易頻繁的啟動(dòng)、停止，影響電機(jī)的使用壽命;
(3)工作條件惡劣，噪音大;
(4)自動(dòng)化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠人為調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，調(diào)節(jié)速度慢，波動(dòng)大，不穩(wěn)定，精度低;
(5)空壓機(jī)工頻啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，電機(jī)軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大。
針對(duì)以上存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能改造方案，經(jīng)分析，該方案自動(dòng)化程度高，節(jié)能效果顯著，實(shí)用性好。

2 空壓機(jī)變頻改造原理
2.1 空壓機(jī)的工作原理
螺桿式空壓機(jī)的工作原理圖如圖1所示，空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器和吸氣調(diào)節(jié)閥而吸入，該調(diào)節(jié)閥主要用于調(diào)節(jié)氣缸、轉(zhuǎn)子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)相對(duì)于氣缸里偏心方式運(yùn)轉(zhuǎn)。滑片安裝在轉(zhuǎn)子的槽中，并通過(guò)離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統(tǒng)能夠確保壓縮機(jī)良好的冷卻及潤(rùn)滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經(jīng)壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經(jīng)過(guò)油氣分離器進(jìn)行分離之后，油氣經(jīng)過(guò)油冷卻器冷卻再經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器流回儲(chǔ)油罐，空氣經(jīng)過(guò)氣冷卻器(空氣冷卻裝置)進(jìn)行冷卻而進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。

圖1 空氣壓縮機(jī)原理圖

2.2 空壓機(jī)變頻節(jié)能原理
變頻調(diào)速技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速[1]-[8]，并在許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用?？諌簷C(jī)變頻節(jié)能系統(tǒng)原理圖如圖2。

圖2 空壓機(jī)變頻系統(tǒng)原理圖

由于許多螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行方式是加載、減載方式。減載時(shí)電機(jī)空轉(zhuǎn),那么能源都被白白的浪費(fèi)了，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自身不能改變，只能通過(guò)改變電機(jī)頻率來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。變頻控制即通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制空壓機(jī)單位時(shí)間的出風(fēng)量，從而達(dá)到控制管路的壓力。原理如下:通過(guò)壓力變送器測(cè)得的管網(wǎng)壓力值與壓力的設(shè)定值相比較，得到偏差，經(jīng)PID調(diào)節(jié)器計(jì)算出變頻器作用于異步電動(dòng)機(jī)的頻率值。由變頻器輸出的相應(yīng)頻率和幅值的交流電，使電動(dòng)機(jī)上得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。那么空壓機(jī)輸出相應(yīng)的壓縮空氣至儲(chǔ)氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同。
變頻改造注意事項(xiàng):
(1) 空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，這種啟動(dòng)特點(diǎn)很容易引起變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跳過(guò)流保護(hù)的情況，建議采用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無(wú)速度矢量變頻器，保證既能實(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;
(2) 空壓機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低，一方面使空壓機(jī)穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體潤(rùn)滑度變差，會(huì)加快磨損。所以工作下限應(yīng)不低于20Hz;
(3) 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)啟動(dòng)出現(xiàn)頻繁跳閘的情況;
(4) 為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，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)行的噪音，提高電機(jī)的穩(wěn)定性;
(5) 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現(xiàn)異常跳保護(hù)時(shí)，不影響生產(chǎn)。

3 基于PLC的空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)由以下部分組成:變頻器、可編程控制器、電抗器、壓力變送器、震蕩傳感器、接觸器、空氣開(kāi)關(guān)、電纜、電流表、電壓表、按鈕、互感器等。
基于PLC的變頻控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。PLC由觸摸屏、電源、CPU、模擬量輸出模塊、開(kāi)關(guān)量輸入、輸出模塊等組成。其中采用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣部分的控制。包括五部分:起動(dòng)、運(yùn)行、停止、切換、報(bào)警及故障自診斷。
起動(dòng):以兩臺(tái)電機(jī)M1，M2為例如圖3所示，可以通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇變頻/工頻啟動(dòng)。

圖3 基于PLC的空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)原理圖

運(yùn)行:正常情況，電機(jī)M1處于變頻調(diào)速狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)M2處于停機(jī)狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)壓力變送器檢測(cè)管網(wǎng)出口壓力，并與給定值比較，經(jīng)PID指令運(yùn)算，得到頻率信號(hào)，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到所需壓力的目的。
停止:按下停止按鈕，PLC控制所有的接觸器斷開(kāi)，變頻器停止工作。
切換:實(shí)現(xiàn)M1，M2工頻、變頻相互切換。
報(bào)警及故障自診斷:空壓機(jī)內(nèi)部一般有四個(gè)需要監(jiān)測(cè)的量:冷卻水壓力監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)、機(jī)體溫度監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)氣罐壓力監(jiān)測(cè)。

4 空壓機(jī)變頻改造方案分析
以大連市原五二三廠某廠房空壓機(jī)為例，改造前經(jīng)測(cè)試參數(shù)如下:電機(jī)功率110kW，出口壓力為5.9 ~6.5MPa，運(yùn)行時(shí)間為12h/d，一年運(yùn)行320天，加載時(shí)間為15s，減載時(shí)間15s;加載電流為190A，減載電流為90A。經(jīng)檢測(cè)其節(jié)電率為30%以上。年節(jié)電量(按30%)計(jì)算如下:
W節(jié)電量=12×320×110×30%=1.27×105(kW·h)
可見(jiàn)節(jié)電效果明顯，此外，改造后系統(tǒng)還存在以下優(yōu)點(diǎn):
(1) 減少了機(jī)器的噪音，利用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器的軟啟動(dòng)、軟停止，避免了空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少了對(duì)設(shè)備的維修量;
(2) 兩套控制回路可保證系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)行;
(3) 自動(dòng)化程度高，克服原系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)
提出利用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能改造方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改造后系統(tǒng)具有節(jié)約能源，自動(dòng)化程度高，降低原系統(tǒng)噪音，減少設(shè)備維修量等優(yōu)點(diǎn)，具有很大應(yīng)用價(jià)值。