變頻調(diào)速技術(shù)在空氣壓縮機(jī)中的改造應(yīng)用

莫南釗　許本強(qiáng)

摘要:本文闡述了變頻調(diào)整技術(shù)在空氣壓縮機(jī)改造應(yīng)用的必要性,提出系統(tǒng)控制方案,詳述了系統(tǒng)硬件選配、PID設(shè)定,最后對(duì)變頻前后耗能進(jìn)行比較。

關(guān)鍵詞:變頻器;硬件;PID;耗能

湛江飛躍有限公司使用兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)來滿足生產(chǎn)中用氣的需要,電動(dòng)機(jī)的功率分別為37KW和22KW,空氣壓縮機(jī)的加、減載由機(jī)械加減載閥控制,兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)加、減載壓力不能相差太大,當(dāng)有一臺(tái)減載失靈時(shí),將造成壓縮機(jī)長期加載運(yùn)行,儲(chǔ)罐壓力升高,需要經(jīng)常對(duì)儲(chǔ)氣罐放空,這對(duì)機(jī)械與電氣運(yùn)行都很不利,既浪費(fèi)了電能,以延長限設(shè)備檢修周期,當(dāng)空氣壓縮機(jī)加載失靈時(shí),會(huì)造成壓力降低,直接影響整個(gè)設(shè)備正常運(yùn)行,為此,用變頻調(diào)整技術(shù)對(duì)22KW電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造試驗(yàn),以滿足節(jié)能降耗的需要。

1 變頻器概述

變頻技術(shù)的核心部件是變頻器,變頻器全稱交流變頻調(diào)速器,用于交流電機(jī),在調(diào)整輸出頻率的同時(shí)按比例調(diào)整輸出電壓,從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,以達(dá)到交流電機(jī)調(diào)速的目的。變頻器是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合的綜合性高技術(shù)產(chǎn)品

變頻器的作用主要有以下幾方面:

變頻節(jié)能。目前市場(chǎng)中變頻器主要以對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵的調(diào)速來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。以風(fēng)機(jī)和泵類為例,能夠清楚地計(jì)算出變頻器所具有的節(jié)能空間。根據(jù)電流力學(xué)知識(shí)可知,P(功率)=Q(流量)×H(壓力)。流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比,壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比。理論上功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比。例如一個(gè)功率為P0=55KW的電動(dòng)機(jī),當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí),由P=(4/5)3P0=64/125×55=28.16KW,節(jié)電率為48%,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原來的1/2時(shí),P=(1/2)3P0=1/8×55=6.875,節(jié)電率為87.5%,節(jié)能空間很大。

軟起動(dòng)功能。當(dāng)電機(jī)為直接起動(dòng)時(shí),啟動(dòng)電流為額定電流的5-7倍,這樣會(huì)對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊,對(duì)電網(wǎng)容量提出很高的要求。采用變頻器后,電機(jī)的起動(dòng)電流一般小于額定電流的1.5倍。減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊,提高了設(shè)備的使用壽命。

調(diào)速作用。在很多應(yīng)用場(chǎng)合,由于工藝的要求,需要平滑地調(diào)速,此時(shí),變頻器的應(yīng)用必不可少。

提高電網(wǎng)功率因數(shù)。無功功率增加了線路的損耗和設(shè)備的發(fā)熱,從而會(huì)導(dǎo)致大量的電能消耗在線路當(dāng)中,設(shè)備使用率下降。變頻設(shè)備使用后,不但減少了電網(wǎng)線路上的損耗,同時(shí)可以提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。

2 系統(tǒng)控制方案

該系統(tǒng)有三種控制方案,分別為強(qiáng)手動(dòng)、手動(dòng)和自動(dòng)控制。

強(qiáng)手動(dòng)主要是為了在發(fā)生事故時(shí)及變頻器、編程控制器等自動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)故障或檢修時(shí),為了保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行而采取的一種預(yù)防措施。

手動(dòng)調(diào)頻方式是在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試或壓力傳感器出現(xiàn)故障閉環(huán)控制回路被斷開而采取的一種調(diào)節(jié)方式,是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。這種控制方式使電機(jī)在一個(gè)定常頻率下工作(其頻率設(shè)定值是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值),當(dāng)裝置的用風(fēng)量基本不變時(shí),這種工作方式的效果還是不錯(cuò)的,但出現(xiàn)用風(fēng)量波動(dòng)較大時(shí),這種工作方式的控制能力就比較差了,在正常的情況下用的是自動(dòng)調(diào)頻方式,這是一種閉環(huán)控制環(huán)路

3 系統(tǒng)硬件選配

3.1 變頻器的選擇

三菱變頻器具有性價(jià)比高的特點(diǎn),能滿足壓力傳感器控制要求,并且高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,適合風(fēng)機(jī)、水泵的自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行。

3.2 變頻器的容量選擇

用標(biāo)準(zhǔn)2、4極電動(dòng)機(jī)搬運(yùn)的連續(xù)恒定負(fù)載,變頻器可根據(jù)適用電動(dòng)機(jī)的功率選擇。但對(duì)于用6極以上的變極電動(dòng)機(jī)的負(fù)載、變動(dòng)負(fù)載等,變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。

空氣壓縮機(jī)的型號(hào)及規(guī)格:型號(hào):V-3/8-A;排氣量:3m3/min;排氣壓力:0.8Mpa;主機(jī)轉(zhuǎn)速:970r/min;功率:22kw;額定電流:44A;接法:△;極數(shù):6

根據(jù)空氣壓縮機(jī)的參數(shù)及變頻器的選擇要求,通過查看變頻器的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),本次設(shè)計(jì)選用了三菱變頻器FR-A540-30k-CH,適用電機(jī)額定功率:30kw;變頻器額定容量:43.5kw;額定電壓:三相,380V 至 480V ,50Hz/60Hz;額定電流:57A,并采用先進(jìn)磁通矢量控制方式,調(diào)速比可達(dá)1:120(0.5-60Hz);內(nèi)置RS485通信口,并可支持各種常用的現(xiàn)場(chǎng);PID等多種功能適合各種應(yīng)用場(chǎng)合,完全滿足使用要求。

3.3 壓力變送器的選擇

根據(jù)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量范圍、靈敏度、頻率響應(yīng)特性、精度等要求,選用美國原裝高精度擴(kuò)散硅不銹鋼隔離膜傳感器及專門變換電路,傳感器型號(hào)為STP-TB-R08-TG-P5-OA-N20-S6,其中B為B型帶表;08為0-1.6Mpa;G為表壓;5為精度1.5%;A為輸出4-20mA;20為螺紋M20×1.5;6為現(xiàn)場(chǎng)顯示。傳感器后面設(shè)有惠斯頓電橋,當(dāng)增加壓力時(shí),電橋各橋臂電阻值發(fā)生變化,通過信號(hào)處理電路,轉(zhuǎn)換為電壓變化,輸出4-20mA直流信號(hào)。

4 變頻器的PID設(shè)定

在PID控制下,使用一個(gè)4mA 對(duì)應(yīng)0Mpa,20 mA 對(duì)應(yīng)0.8Mpa的傳感器調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)的供氣壓力,設(shè)定值通過變頻器的2和4端子(0～5V)給定。設(shè)定Pr128使PID有效。

由于4mA 對(duì)應(yīng)0%,20 mA 對(duì)應(yīng)100%,所以0.48對(duì)應(yīng)60%。

當(dāng)有校準(zhǔn)時(shí),用Pr902～Pr905校正傳感器的輸出,并且在變頻器停止時(shí),在PU模式下輸入設(shè)定值,如表1所示。

升速和降速時(shí)間的預(yù)置 風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性很大,但啟動(dòng)和停止的次數(shù)極少,所以升速和降速的時(shí)間盡量加長,使啟動(dòng)電流限制在額定電流之內(nèi),根據(jù)實(shí)驗(yàn),選升速時(shí)間Tr=30s,降速時(shí)間Td=60s。

5 變頻前后耗能比較

統(tǒng)計(jì)表的數(shù)值為一小時(shí)的平均值,每小時(shí)抄表四次,調(diào)頻頻率在50Hz～36Hz時(shí),頻率每下降1 Hz電壓將下降11V,調(diào)頻電流基本不變,平均頻率為37.88Hz,平均電壓為254V。

電機(jī)每小時(shí)可節(jié)電8.51KW.h。

每天工作按16個(gè)小時(shí)計(jì),每年工作按310天計(jì)算,可節(jié)余電量42210KW.h,按每度電0.7元計(jì)算,可節(jié)約費(fèi)用29547 元,一年之內(nèi)可收回投資。

6 結(jié)束語

該變頻器投入運(yùn)行后,達(dá)到了生產(chǎn)所需的供風(fēng)量和供風(fēng)壓力,基本不需要因機(jī)械引起的加減載工作,減少了崗位工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,并節(jié)約大量的能源。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介:莫南釗(1974-),男,廣東湛江人,講師,高級(jí)技師,教務(wù)處主任、督導(dǎo)辦副主任、職業(yè)教育研究所副主任,主要研究方向:單片機(jī)、PLC、變頻教學(xué)、研究及開發(fā)。

作者簡介:許本強(qiáng)(1971-),男,廣東湛江人,一級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師,技師,機(jī)電工程系主任,主要研究方向:PLC、變頻教學(xué)、研究及開發(fā)。