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海浦蒙特HD30 矢量变频器在空压机改造上的应用 |
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1 引言
空压机是空气压缩机的简称，它是气源装置中的主体，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。作为基础工业装备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。
据不完全统计，空压机占大型工业设备（风机、水泵、锅炉、空压机等）耗电量的15%，面对能源日趋紧张的国际形势，如何降低空压机运行所消耗的能源对于响应国家节能降耗的政策以及提高企业的经济效益都具有十分重要的现实意义。
2 传统空压机加、卸载供气控制方式存在的问题
传统空压机工作图
能量损耗大
传统空压机加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin－Pmax之间来回变化。Pmin是能够保证用户正常工作的最低压力值，Pmax是设定的最高压力值。
一般情况下，Pmax和Pmin之间关系可用下式表示：Pmin = (1-δ) Pmax，式中δ值在10－20%之间。
如果采用变频调速技术连续调节供气量，则可使管网压力始终维持在能满足供气的工作压力上，即等于Pmin的数值。由此可见，加、卸载供气控制方式浪费的能量主要在以下几个部分：
a．压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量：
当储气罐中空气压力达到Pmin后，加、卸载供气控制方式还要使其压力继续上升，直到Pmax这一过程需要电源提供空压机能量，这是一种能量损失。
b．减压阀减压消耗的能量：
气动元件的额定气压在Pmin左右，高于Pmin的气体进入气动元件前的压力，这就需要用减压阀将其减至接近Pmin，这同样是一种能量损失。
c．卸载时调节方法不合理所消耗的能量：
通常情况下，当压力达到Pmax时，空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使空压机不需要压缩气体做功，但空压机的电机还是要带动螺杆做回转运动，此时，空压机做无用功，造成能量的严重浪费。据测算，空压机卸载时的能耗一般约占其满载运行时的10－15%左右。
压力不稳，自动化程度低
传统空压机自动化程度低，输出压力的调节是靠加、卸载阀，通过调节阀的控制来实现的。调节速度慢，波动大，精度低，输出压力不稳定。
工频起动冲击电流大
主电机虽然采用Y-△减压起动，但起动电流仍然很大，对电网冲击大，易造成电网不稳以及威胁其他用电设备的安全运行。对于自发电工厂，数倍的额定电流冲击，可能导致其它设备异常。
设备维护量大
空压机工频起动电流大，高达5－8倍额定电流，工作方式决定了加、卸载阀必然反复动作，部件易老化，工频高速运行，轴承磨损大，设备维护量大。
工作条件恶劣、噪音大
持续工频高速运行，超出工作压力所需的额外压力，反复加载、卸载，都直接导致工频运行噪音大。
3 空压机改造原理
变频控制原理
根据异步电动机转速公式：
式中，f为电源频率，S为电动机转差率，P为电动机的极对数。
当P和S确定后，电动机转速与电源频率成正比，所以改变电源频率即可改变电机转速n，从而实现变频调速。
变频节能原理
根据空压机的运行特性可知，空压机基本属于恒转矩负载，用变频调速的方法根据供气量大小来调节电机转速，能使电机的输出功率基本与转速（供气量）成正比关系。
当用气量减小时，排气口压力上升，通过闭环反馈给变频器，使电机转速降低，减小了轴输出功率；当用气量增加时，排气口压力下降，通过闭环反馈给变频器，使电机转速升高，增加了轴输出功率。
因此，变频空压机系统通过压力闭环，可实时跟踪供气系统负载变化，调整空气压缩机电机的转速，保证排气口压力恒定，使压缩机电机工作在最经济的运行状态下。避免了原控制方式空压机频繁的加载与卸载，频繁地起动与停机，使得从电网吸收的电能大大下降。
4 空压机改造方案
如前所述，通过闭环调节系统，可以有效的实现空压机改造，HD30系列矢量控制变频器内置强大的PID调节功能，根据现场实际情况合理设置PID参数，可达到较好的控制效果。
控制配线图
控制方法说明
变频调速系统以空压机压缩空气的输出压力作为控制对象，由变频器，压力传感器、电机、空压机等组成闭环恒压控制系统。
工作压力值由变频器PID调节给定通道确定，现场压力由传感器来检测，转换成0－10V电压信号（也可转换成电流信号）后反馈到变频器，变频器通过内置PID进行比较计算，从而调节其输出频率，达到调节电机转速，进而调节电机输出功率的目的。
由此可见只要调节电机的转速，就可以调节电机轴输出功率，也即调节了空压机的输入功率，使空压机的制风量与用风量相匹配，达到恒压供气与节能的目的。
功能参数设置简表
需设置的基本功能参数见下表。
控制流程详细说明
当用气量减小时，出气阀出气量减小，储气罐压力上升，压力传感器的电压信号值增大，送至变频器的反馈量增加，当PID反馈压力≥PID给定压力时，通过PID调节功能，变频器将减速运行，电机转速降低，进气阀进气量减小，当到达PID调节器下限频率时，以下限频率恒速运行。
而当用气量增加时，出气阀出气量增加，储气罐压力下降，压力传感器的电压信号值减小，送至变频器的反馈量减小，当PID反馈压力＜PID给定压力时，变频器将加速运行，电机转速增大，进气阀进气量增加，当达到PID调节上限频率时以上限频率恒速运行。
5 空压机改造后的优点
运行成本降低
用电成本大约占压缩机运行成本的72%。通过变频器用电大约降低18%，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低，节约了能源。
提高压力控制精度
由于变频控制系统具有恒压供气控制模式，储气罐可以得到相对平稳的供风压力，有利于用风设备的安全运行，同时又减少了无用压力提高而带来的能耗支出，变频控制空压机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制电机速度的精度提高，它可以使管网的系统压力变化保持在0.2MPa范围内，有效地提高了工况质量。
延长电机、空压机等机械设备的使用寿命
变频器从0Hz起动空压机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对空压机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，既保护了电动机，延长了其使用寿命，对电网而言又可以算是增加了系统的装机容量，同时还延长了机械和模具的使用寿命。此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减小到最低程度。
降低了空压机的噪音
根据空压机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，因此有效降低了空压机运行时的噪音。现场测定表明，噪音与原系统比较下降约5－10dB，设备动作更稳，环境得到改善。
输出压力稳定
采用变频控制系统后，可以实时监测供气管路中气体的压力，使供气管路中的气体的压力保持恒定，提高生产效率和产品质量。
操作方便、保护功能完善
生产中不需要对节电设备进行调整，全程自动跟踪控制，且有多种（过流、过压、欠压、电机过载、电机过热等）保护功能，简单、安全、方便。
设备维护量小
空压机变频起动电流小，小于2倍额定电流，加卸载阀无须反复动作，变频空压机根据用气量自动调节电机转速，运行频率低，转速慢，轴承磨损小，设备使用寿命延长，维护工作量变小。
6 注意事项
安装
安装时，控制柜与压缩机之间的配线不得超过30m，且与控制线保持一定距离，分开走线。控制回路的配线采用屏蔽双绞线，接线距离在20m以内。由于变频器发热量大，控制柜内要装散热风扇，变频器接地端子不可与动力接地混用。
调试
在完成变频器的功能设定及空载运行后，可进行系统联动调试。
开环
此时，主要观察变频器频率上升情况，即设备运行声音是否正常、空压机压力上升是否稳定、压力传感器显示是否正常、设备停机是否正常等。如一切正常，则可进行闭环的调试。
闭环
主要依据变频器频率上升与下降的速度和空压机压力的升降相匹配，避免产生压力振荡。另外还要注意观察机械共振点，需将共振点附近的频率跳过去（可通过对F05.17－F05.20跳跃频率相关参数进行正确设置）。空压机是大转动惯量负载，这种起动特点很容易引起变频器在起动时出现过流保护的情况，采用具有高起动转矩的无速度矢量控制变频器，既能保证实现恒压供气的连续性，又可保证设备可靠稳定的运行。空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差；另一方面润滑油压力降低，使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于20Hz。
为了有效滤去变频器输出端电流中高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行噪声与温升，提高电机运行稳定性。
建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机起动出现频繁跳闸的情况。
7 结语
采用以上改造方案，能达到较为理想的节能效果，从而为客户创造出可观的经济效益。
为做出最为合理可行的改造方案，在改造过程中，应认真分析设备工频运行的历史数据，计算节能空间，仔细分析设备的电路原理。
参考文献：
深圳海浦蒙特科技有限公司 HD30系列矢量控制变频器用户手册（V1.0）(end)
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(12/5/2012) |
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