文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2022）12-070-05中圖分類號：TN773

★ 陳葆（陜西西北有色鉛鋅集團有限公司鳳縣分公司，陜西寶雞721700）

★ 郭靖（西安森蘭電氣有限公司，陜西西安710077）

摘要：陜西西北有色鉛鋅集團有限公司鳳縣分公司采區(qū)井下空氣壓縮機均為螺桿式空氣壓縮機，設(shè)備采用星三角（Y-Δ）降壓啟動方式。運行中頻繁的加載卸載不僅設(shè)備噪聲大，對電網(wǎng)與管網(wǎng)沖擊大，同時還極大的浪費電能。我們將之改造為變頻啟動，PID恒壓運行加設(shè)備休眠功能，供氣流量隨生產(chǎn)需求變化，從而達到節(jié)能降噪、減小沖擊的目的。

關(guān)鍵詞：變頻器；空壓機；調(diào)速節(jié)能；控制器；PID

1 概述

空氣壓縮機是利用電能將空氣壓縮使之作為一種動力源的設(shè)備，在工礦企業(yè)中應(yīng)用十分普遍，配套電動機的容量一般較大，且大多是常年連續(xù)運行的，故節(jié)能的潛力很大。

目前常見的壓縮機有活塞式、螺桿式和離心式，不論哪一種工作方式，壓縮機單位時間內(nèi)產(chǎn)氣量是一定的。目前壓縮機大多數(shù)采用上下限壓力控制或啟停式控制，也就是說，當氣缸內(nèi)的壓力達到設(shè)定值的上限時，空壓機通過本身的壓力或油壓開關(guān)關(guān)閉進氣閥，這種工作方式頻繁出現(xiàn)加載卸載，對電網(wǎng)、空壓機都有一定的沖擊性。另外，空壓機卸載運行時，不產(chǎn)生壓縮空氣，電動機處于空載狀態(tài)，其用電量為滿負載的60%左右，這部分電能會被白白地浪費。

系統(tǒng)在設(shè)計時是針對全廠滿負荷用氣量來設(shè)計的，并考慮了一定的富余，基本上都是按照最大用氣量來設(shè)計的，而實際運行中的工況是用氣量經(jīng)常變化，并且經(jīng)常在非滿載狀態(tài)下運行，在整個系統(tǒng)運行時存在著“大馬拉小車”的現(xiàn)象。為了解決這種現(xiàn)象，節(jié)約能源，提高經(jīng)濟效益，有必要對其進行變頻改造。

目前，變頻器技術(shù)相當成熟。如果將空壓機改造成變頻運行，一是能做到恒壓供氣，避免加載卸載過程中的氣壓波動；二是停用加、卸載控制，取消卸載運行模式，避免原來卸載期間的電力消耗。在變頻調(diào)速方案中，我們把儲氣罐壓力作為控制對象，通過壓力變送器將儲氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o智能控制器，與用戶的壓力設(shè)定值進行比較運算，算法可采用PID控制模式。運算結(jié)果產(chǎn)生控制信號去控制變頻器運行，變頻器控制電機的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使儲氣罐的實際壓力始終恒等于用戶設(shè)定的壓力。

2 空壓機變頻改造可行性技術(shù)分析

陜西西北有色鉛鋅集團有限公司鳳縣分公司采區(qū)井下工藝段在用的空壓機全部為螺桿式空氣壓縮機，早期安裝投運的設(shè)備受限于技術(shù)條件及初期投資成本，所以均采用星三角（Y-Δ）降壓啟動方式。

具體設(shè)備情況見表1。

表1 設(shè)備型號及參數(shù)

原啟動系統(tǒng)設(shè)定加載壓力0.65，卸載壓力0.75，輸出壓力在0.65~0.75MPa之間波動。記錄設(shè)備運行狀況得出以下數(shù)據(jù)：加載平均時間120秒，加載時電流220A左右，卸載平均時間60秒，卸載時電流90A左右。

壓力波動對管網(wǎng)沖擊大，加載卸載時運行噪音大；開環(huán)控制，不能保證供氣壓力的精度；啟動電流大，對電網(wǎng)有沖擊；輸出氣壓大于0.75MPa時，卸載閥打開，造成資源浪費。

通過對空壓機運行數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合采區(qū)用氣負荷規(guī)律，我們發(fā)現(xiàn)采區(qū)空壓機使用率只占到設(shè)計額定的70%左右。以上分析的電能浪費，是空壓機改造的基礎(chǔ)條件。很明顯，在加載卸載控制條件下，空壓機存在著一定的節(jié)能空間。

3 空壓機變頻改造方案

3.1 系統(tǒng)控制原理簡述

該系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，利用空壓機壓力罐上原來安裝的壓力傳感器反饋的系統(tǒng)壓力信號來控制變頻器的轉(zhuǎn)速。

通過壓力變送器將壓力信號轉(zhuǎn)換為標準的4-20mA直流信號，并送入變頻控制柜內(nèi)的控制器中。該信號與控制器中設(shè)定的壓力信號比較，其差值由控制器作PID運算，輸出頻率調(diào)節(jié)信號給變頻器，實時調(diào)整變頻器的輸出頻率，控制電機轉(zhuǎn)速維持空壓機供氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值。若供氣壓力發(fā)生變化將自動進行調(diào)節(jié)。

例如，當系統(tǒng)用氣量減少供氣壓力增加時，調(diào)節(jié)過程是：變送器反饋信號大于控制器設(shè)定信號，控制器輸出減少，變頻器輸出頻率降低，電機轉(zhuǎn)速下降，壓縮機減小壓力輸出使供氣壓力減小。由于其調(diào)控過程較快，短時間內(nèi)變送器反饋信號和控制器壓力給定信號便處于動態(tài)平衡狀態(tài)，從而動態(tài)調(diào)整變頻器輸出頻率以實現(xiàn)穩(wěn)定的恒壓供氣，使空壓機始終處于節(jié)電運行狀態(tài)。其控制系統(tǒng)邏輯如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制原理

3.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

（1）壓縮機現(xiàn)有工頻啟動柜繼續(xù)保留（以備變頻器檢修時空壓機正常使用），新配置變頻控制柜（每臺空壓機配套1臺變頻控制柜）。在保留原系統(tǒng)的情況下增加變頻控制系統(tǒng)，既實現(xiàn)了變頻節(jié)能改造，又預(yù)留了備用系統(tǒng)。

（2）變頻控制柜安裝工頻/變頻切換開關(guān)。原來系統(tǒng)內(nèi)排氣溫度信號、供氣壓力信號、加載閥控制信號、油濾報警信號和系統(tǒng)散熱風(fēng)機控制信號做切換設(shè)計，既可以接入原啟動系統(tǒng)，又可以接入變頻控制柜。

（3）變頻柜配套空壓機專用微電腦控制器。控制器采用觸控一體機，內(nèi)置空壓機專用控制程序，配線簡單，功能完善。用戶可直觀地通過控制器屏幕查看空壓機運行狀態(tài)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)空壓機各項運行參數(shù)，還能夠設(shè)置多種系統(tǒng)保護功能與系統(tǒng)耗材到期維護提醒功能。同時，該控制器與變頻器具有良好的通訊能力，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護方便。

（4）根據(jù)壓縮機負載性質(zhì)，變頻器放大一檔選型，選用重載矢量控制變頻器，其過載能力強，能滿足采區(qū)井下復(fù)雜的工作環(huán)境。

（5）變頻柜內(nèi)一次回路配置塑殼斷路器，電源切換接觸器（便于接入原工頻控制系統(tǒng)，在檢修時可倒換工頻啟動模式）、變頻器，輸入電抗器（降低設(shè)備諧波干擾，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，改善電網(wǎng)電壓波動或不平衡時對變頻器產(chǎn)生的不利影響）。

（6）柜門安裝觸控顯示屏和變頻器面板，便于操作人員監(jiān)視、操控設(shè)備和技術(shù)工程師對設(shè)備進行維護；柜門安裝聲光報警信號裝置和緊急停機按鈕。

（7）系統(tǒng)具有抗震動和抵抗電網(wǎng)電壓波動能力；具備完善的保護功能。

（8）利用設(shè)備檢修時間完成新設(shè)備的安裝、調(diào)試，盡量縮短現(xiàn)場施工期限，盡可能減少對現(xiàn)場生產(chǎn)工作的影響。

3.3 現(xiàn)場改造及實施方案

本著保留原工頻啟動回路，接入新變頻啟動回路，同時兼顧改造時現(xiàn)場施工最簡化和改造后設(shè)備使用最可靠的原則，制定如下改造及施工方案：

3.3.1 一次回路改造

變頻柜一次設(shè)計圖及對接圖如圖2所示。

圖2 變頻柜一次設(shè)計圖及對接圖

變頻柜內(nèi)配置總電源進線開關(guān)QF1，接入外部AC380V電源，對系統(tǒng)進線送電與斷電操作。

總電源開關(guān)QF1后配置變頻選擇接觸器KMA和工頻選擇接觸器KMB，可實現(xiàn)新增變頻系統(tǒng)與原工頻控制系統(tǒng)之間的手動切換。

變頻器后端配置輸出接觸器KMC與角接觸器KMD，變頻運行時供給電機電源，同時使電機以角型方式運行；工頻運行時保障變頻系統(tǒng)與電源部分隔離，防止電源反送到變頻器輸出端擊穿變頻器內(nèi)部模塊。

另，空壓機柜內(nèi)的散熱風(fēng)機電源也并聯(lián)接入變頻柜內(nèi)進線連鎖控制。

現(xiàn)場一次接線方案如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場一次接線方案

3.3.2 二次回路改造

二次回路主要涉及空壓機柜內(nèi)排氣溫度信號、供氣壓力信號、加載閥控制信號、油濾報警信號和系統(tǒng)散熱風(fēng)機控制信號的切換與控制。

在空壓機柜內(nèi)增加端子排，把上述信號引入端子排，并通過將多芯線纜接到變頻控制柜的工頻-變頻轉(zhuǎn)換開關(guān)上實現(xiàn)信號的切換使用。空壓機柜二次信號如圖4所示。

（1）在空壓機柜內(nèi)增加部分端子排。

（2）信號通過端子排轉(zhuǎn)接至變頻柜工頻-變頻轉(zhuǎn)換

開關(guān)上。

（3）切換后的信號分別接入工頻系統(tǒng)與變頻系統(tǒng)。

圖4 空壓機柜二次信號

3.3.3 變頻柜柜面設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制需求，柜門布置如圖5所示。

（1）柜門配置聲光報警指示燈，可在故障時發(fā)出聲光信號，提醒運行人員及時處理。

（2）柜門安裝電壓顯示儀表，可檢測系統(tǒng)輸入電壓。

（3）柜門設(shè)置智能控制器觸控操作面板，可設(shè)置系統(tǒng)運行參數(shù)，查看系統(tǒng)運行狀態(tài)。

（4）柜門安裝緊急停機按鈕，在事故時可以按下緊急停車，及時防止事故擴大化。

（5）柜門安裝工頻-變頻選擇開關(guān)，配合一次回路與二次回路接線，可實現(xiàn)新啟動系統(tǒng)與原啟動系統(tǒng)的對接及變頻回路與工頻回路的切換。

（6）柜門安裝本地-遠程切換開關(guān)，并預(yù)留遠期接入遠程操控系統(tǒng)的控制接口。

圖5 變頻柜柜面設(shè)計

4 設(shè)備的選型及系統(tǒng)設(shè)計

4.1 變頻器的選型

（1）根據(jù)采區(qū)井下環(huán)境特點：粉塵大、空壓機附近環(huán)境溫度高，為保障生產(chǎn)的連續(xù)可靠運行，盡量選擇高性能重載型變頻器并進行放大選型，以滿足選廠較為惡劣的工業(yè)環(huán)境，同時重載型變頻器過載能力強，運行更加可靠。

（2）為避免出現(xiàn)井下長距離輸電后末端電壓降大，大型負載啟動導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動的狀況，變頻器前端配置變頻器專用輸入電抗器，可改善電網(wǎng)質(zhì)量差對變頻器造成的不利影響，同時可抑制變頻器整流元件對電網(wǎng)的諧波干擾。

綜上所述，在眾多的變頻器生產(chǎn)廠家中，我們選用了質(zhì)量可靠，性價比較好的希望森蘭SB70G系列高性能矢量控制變頻器。

SB70系列變頻器為PWM電壓型變頻器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

產(chǎn)品特點：

?集成高精度轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制算法，具有250%瞬時轉(zhuǎn)矩控制能力；

?過載能力：150％額定電流1分鐘；

?獨創(chuàng)的多模式PLC運行功能，特別適合工業(yè)洗滌設(shè)備、制造設(shè)備應(yīng)用；

?實用的多段速功能：提供編碼、直接、疊加和個數(shù)選擇方式，特別適用于暖通行業(yè)；

?強大的過程PID功能：兩套參數(shù)，可根據(jù)運行頻率進行參數(shù)過渡；多種修正模式，可滿足多種拉絲機、紡織、造紙、印染行業(yè)等張力卷繞、同步控制的需求；具有自由PID功能，可取代外部PID控制器；

?具有強大的用戶可編程模塊；

?豐富的擴展選件：編碼器接口板、I/O擴展板、可參數(shù)復(fù)制的操作面板（SB-PU70E）等。

圖6 SB70G系列高性能矢量控制變頻器結(jié)構(gòu)圖

4.2 控制器的選型

選用新一代空壓機專用一體化控制器6090BTV，針對空氣壓縮機行業(yè)需求，集成系統(tǒng)控制功能，并將所需的開關(guān)量輸入、輸出信號和模擬量輸入、輸出信號集成到一個智能控制器中，控制器支持Modbus通訊功能，與變頻器有著優(yōu)異的連接便利性。高度集成的一體化設(shè)計，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了用戶的使用難度。

智能控制器配置人機交互界面，方便用戶直觀地監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，調(diào)整系統(tǒng)配置與保護參數(shù)。

智能控制器的主控界面如圖7、圖8所示。

圖7 智能控制器保護參數(shù)界面

圖8 智能控制器保護參數(shù)界面

表2 智能控制器耗材管理界面

4.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案與現(xiàn)場控制需求，控制器參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 控制器參數(shù)設(shè)置

5 結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)場參數(shù)設(shè)置與調(diào)整，空壓機由工頻降壓啟動改為變頻啟動后啟動沖擊電流小，運行效果平穩(wěn)。

空壓機啟動后，系統(tǒng)按照設(shè)定的主機變頻壓力0.72MPa變頻恒壓運行，壓力超卸載壓力0.75MPa后系統(tǒng)自動進入卸載模式，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；同時主機在0.72MPa恒壓運行中，若系統(tǒng)沒有用氣需求，則變頻器會自動調(diào)整頻率下降運行。當降低到系統(tǒng)下限頻率25Hz后繼續(xù)運行延時600s后，若系統(tǒng)壓力還在0.72MPa，則系統(tǒng)進入低頻過久停機狀態(tài)；待壓力低于供氣加載壓力0.60MPa后，系統(tǒng)自動啟動進入變頻恒壓運行狀態(tài)。

經(jīng)過測試對比，工頻模式下加載時電流在220A左右，卸載時運行電流90A左右；變頻運行模式下加載電流130A左右，卸載時電流50A左右，低頻過久停機后不耗能，節(jié)能效果明顯。

變頻技術(shù)發(fā)展日趨成熟，結(jié)合液位控制系統(tǒng)對選廠生產(chǎn)的工藝有極大的改進，給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益，值得在廠內(nèi)設(shè)備上推廣使用。

作者簡介：

陳葆（1973-），男，陜西西安人，高級工程師，現(xiàn)就職于陜西西北有色鉛鋅集團有限公司，主要從事礦山機電設(shè)備的選型、安裝、調(diào)試、維護改造及新技術(shù)的推廣應(yīng)用。

郭靖（1987-），男，陜西西安人，現(xiàn)就職于西安森蘭電氣有限公司，主要從事變頻器及其相關(guān)自動化設(shè)備的設(shè)計、選型、調(diào)試、維護及變頻器技術(shù)的應(yīng)用。

參考文獻：

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[2] 張燕賓. 變頻器應(yīng)用教程[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011.

[3] 吳忠智, 吳加林. 變頻器應(yīng)用手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1995.

摘自《自動化博覽》2022年12月刊