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文檔簡介
1、空壓機(jī)變頻恒壓供氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 引言 空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用。在供水行業(yè)中,它擔(dān)負(fù)著為水廠所有氣動(dòng)元件,包括各種氣動(dòng)閥門,提供氣源的職責(zé)。因此它運(yùn)行的好壞直接影響水廠生產(chǎn)工藝。 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)、美國壽力螺桿壓縮機(jī)和Atlas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(yùn)行經(jīng)驗(yàn),該供氣控制方式雖然原理簡單、操作簡便,但存在
2、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(huì)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(shí)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(gè)話題。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,我們選擇了一臺(tái)美國壽力LS-10型固定式螺桿空壓機(jī)進(jìn)行了研究。2 空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式簡介 作者以美國壽力LS-10型固定式螺桿空壓機(jī)電控原理圖(如圖3所示)為例,對(duì)加、卸載供氣控制方式進(jìn)行簡單介紹。SA1轉(zhuǎn)至自動(dòng)位置,按下起動(dòng)按鈕SB2,KT1線圈得電,其瞬時(shí)閉合延時(shí)斷開的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合,KM3和K
3、M1線圈得電動(dòng)作壓縮機(jī)電機(jī)開始Y形起動(dòng);此時(shí)進(jìn)氣控制閥YV1得電動(dòng)作,控制氣體從小儲(chǔ)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)從輕載開始起動(dòng)。當(dāng)KT達(dá)到設(shè)定時(shí)間(一般為6秒后)其延時(shí)斷開的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開,延時(shí)閉合的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合,KM3線圈斷電釋放,KM2線圈得電動(dòng)作,空壓機(jī)電機(jī)從Y形自動(dòng)改接成形運(yùn)行。此時(shí)YV1斷電關(guān)閉,從儲(chǔ)氣罐放出的控制氣被切斷,進(jìn)氣閥全開,機(jī)組滿載運(yùn)行。(注:進(jìn)氣控制閥YV1只在起動(dòng)過程起作用,而卸載控制閥YV4卻在起動(dòng)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)
4、時(shí),壓力調(diào)節(jié)器動(dòng)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)(SP4)設(shè)定的最大壓力值Pmax(也稱為卸載壓力)時(shí),壓力調(diào)節(jié)開關(guān)跳開,電磁閥YV4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(shí),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(shí),壓力調(diào)節(jié)開關(guān)SP4復(fù)位(閉合),YV4接通電源,這時(shí)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(yùn)行。3 加、卸載供氣控制方式存在的問題3.1 能耗分析
5、60; 我們知道,加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在PminPmax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)Pmin (1)是一個(gè)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(fèi)的能量主要在2個(gè)部分:(1) 壓縮
6、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(huì)繼續(xù)上升(直到Pmax)。這一過程中必將會(huì)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(dòng)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(gè)耗能過程。(2) 卸載時(shí)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(shí),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(shí)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(fèi)。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,
7、但空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是要帶動(dòng)螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),據(jù)我們測(cè)算,空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的10%15%(這還是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下)。換言之,該空壓機(jī)10%的時(shí)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(shí),供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)。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(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損,增加維修量和維修成本。 (2
8、) 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(jì) 針對(duì)原有供氣控制方式存在的諸多問題,經(jīng)過上述對(duì)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(shí),我們可以把管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象,壓力變送器YB將儲(chǔ)氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給PID智能調(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(yùn)算,產(chǎn)生控制信號(hào)送變頻調(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(shí)際壓力P始終接近設(shè)定壓力P0。同時(shí),該方案可增加工頻與變頻切換功能,并保留原有
9、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(dòng),實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng),避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)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。圖1 恒壓供氣控制系統(tǒng)流程圖 變頻與工頻電源的切換電路如圖2所示; 空壓機(jī)電控原理圖如圖3所示;變頻調(diào)速控制系統(tǒng)接線圖見圖4。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(1) 變頻器圖2
10、60;變頻和工頻電源的切換電路 LS-10型固定式螺桿壓縮機(jī)電機(jī)型號(hào):LS286TSC-4,功率22kW,頻率50Hz,額定電壓380V,額定電流42A,4極,轉(zhuǎn)速1470r/min,我們選用一臺(tái)“臺(tái)達(dá)牌”VFD300B43A型變頻器。因?yàn)長S-10型空壓機(jī)是一種大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載,因此選用加大一級(jí)變頻器(30kW),變頻器的外部接線如圖5所示。a) 變頻器的主要參數(shù) l 輸出:最大適用電機(jī)輸出功率30kW,輸出額定容量45.7kVA,輸出額定電流60A,輸出頻率范圍0.10400Hz,
11、過載能力為額定輸出電流的150%,運(yùn)行60s,最大輸出電壓對(duì)應(yīng)輸入電源。 l 輸入:3相,380460V AC,50/60Hz,電壓容許變動(dòng)范圍±10%,頻率容許變動(dòng)范圍±5%。輸入電流60A,采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。(2) 該變頻器的主要特點(diǎn): a) 采用了新一代電力元件IGBT作為驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)的核心元件,應(yīng)用高速微處理器實(shí)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。
12、;b) 配有RS-485接口,可與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié),構(gòu)成計(jì)算機(jī)監(jiān)控、群控系統(tǒng)。 c) 自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。 e) 禁止電機(jī)反轉(zhuǎn)。 d) 自動(dòng)調(diào)整加減速時(shí)間。 f) 帶過載(過熱保護(hù))。(2) PID智能控制器 蘭利牌PID智能控制器一個(gè),型號(hào):AL808,單路輸入、輸出,輸出為420mA模擬信號(hào),測(cè)量精度0.2%,廠家:深圳市亞特克電子有限公司。(3) 壓力變送器
13、60; 壓力變送器一個(gè)型號(hào):DG1300-BZ-A-2-2,量程:01Mpa,輸出420mA的模擬信號(hào)。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)試圖3 空壓機(jī)電控原理圖圖4 控制系統(tǒng)接線圖(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
14、裝有換氣裝置,變頻器接地端子按規(guī)定不與動(dòng)力接地混用,以上措施增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。(2) 調(diào)試 a)變頻器功能設(shè)定00-09設(shè)定為00(V/f電壓頻率控制)01-00最大操作頻率:設(shè)定為50Hz(對(duì)應(yīng)最大電壓380V)01-01最大頻率:設(shè)定為50Hz(等于電機(jī)額定頻率)01-07上限頻率:設(shè)定為48Hz01-08下限頻率:設(shè)定為40Hz01-09第一加速時(shí)間:設(shè)定為10S01-10第一減速時(shí)間:設(shè)定為10S02-00設(shè)定為02,即由外部420mA輸入(ACI)02-01設(shè)定為01:運(yùn)行指令由外部端子控制02-02設(shè)定為00(以減速
15、制動(dòng)方式停止)02-04設(shè)定為01:禁止反轉(zhuǎn)02-07設(shè)定為00:ACI斷線時(shí)減速至0Hz06-04設(shè)定為:150%(過載保護(hù)),其它功能遵照變頻器出廠設(shè)定值。 b) PID參數(shù)的整定 由于用于控制變頻器,根據(jù)在不允許輸出信號(hào)頻繁變化的應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)選擇PI調(diào)節(jié)方式原則,因此只能采用PI調(diào)節(jié)方式,以減少對(duì)變頻器的沖擊。 在對(duì)PID進(jìn)行參數(shù)整定的過程中,我們首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法,將比例帶設(shè)定在70%,積分時(shí)間常數(shù)設(shè)定在60s;為不影響生產(chǎn),我們采取改變給定值
16、的方法使壓力給定值有個(gè)突變(相當(dāng)于一個(gè)階躍信號(hào)),然后觀察其響應(yīng)過程(即壓力變化過程)。經(jīng)過多次調(diào)整,在比例帶P=40%,積分時(shí)間常數(shù)Ti=12s時(shí),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(gè)多周期)后,振幅在極小的范圍內(nèi)波動(dòng),對(duì)擾動(dòng)反應(yīng)達(dá)到了預(yù)期的效果。(3) 調(diào)試中其他事項(xiàng) 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?cè)谡{(diào)試過程中,將下限頻率調(diào)至40Hz,然后用紅外線測(cè)溫儀對(duì)空壓機(jī)電機(jī)的溫升及管路的油溫進(jìn)行了長時(shí)間、嚴(yán)格的監(jiān)測(cè),電機(jī)溫升約36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(yùn)行時(shí)相比較)。所以40Hz下限頻率運(yùn)行對(duì)空壓機(jī)機(jī)組的工作并無多大的影響。圖5 變頻器的外部接線圖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40.542.5Hz的頻率范圍,管線壓力基本保持在0.62Mpa,供氣質(zhì)量得到提高。改造后空壓機(jī)的運(yùn)行安全、可靠,同時(shí)達(dá)到了水廠用氣的工藝要求。參考文獻(xiàn)1 張燕賓. 變頻
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