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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2022）12-070-05中圖分類號(hào)：TN773

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

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

1 概述

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

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

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是針對(duì)全廠滿負(fù)荷用氣量來設(shè)計(jì)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(jì)的，而實(shí)際運(yùn)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(yùn)行，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(jì)效益，有必要對(duì)其進(jìn)行變頻改造。

目前，變頻器技術(shù)相當(dāng)成熟。如果將空壓機(jī)改造成變頻運(yùn)行，一是能做到恒壓供氣，避免加載卸載過程中的氣壓波動(dòng)；二是停用加、卸載控制，取消卸載運(yùn)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(chǔ)氣罐壓力作為控制對(duì)象，通過壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給智能控制器，與用戶的壓力設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算，算法可采用PID控制模式。運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器運(yùn)行，變頻器控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使儲(chǔ)氣罐的實(shí)際壓力始終恒等于用戶設(shè)定的壓力。

2 空壓機(jī)變頻改造可行性技術(shù)分析

陜西西北有色鉛鋅集團(tuán)有限公司鳳縣分公司采區(qū)井下工藝段在用的空壓機(jī)全部為螺桿式空氣壓縮機(jī)，早期安裝投運(yùn)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(dòng)方式。

具體設(shè)備情況見表1。

表1 設(shè)備型號(hào)及參數(shù)

原啟動(dòng)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(dòng)。記錄設(shè)備運(yùn)行狀況得出以下數(shù)據(jù)：加載平均時(shí)間120秒，加載時(shí)電流220A左右，卸載平均時(shí)間60秒，卸載時(shí)電流90A左右。

壓力波動(dòng)對(duì)管網(wǎng)沖擊大，加載卸載時(shí)運(yùn)行噪音大；開環(huán)控制，不能保證供氣壓力的精度；啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)有沖擊；輸出氣壓大于0.75MPa時(shí)，卸載閥打開，造成資源浪費(fèi)。

通過對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合采區(qū)用氣負(fù)荷規(guī)律，我們發(fā)現(xiàn)采區(qū)空壓機(jī)使用率只占到設(shè)計(jì)額定的70%左右。以上分析的電能浪費(fèi)，是空壓機(jī)改造的基礎(chǔ)條件。很明顯，在加載卸載控制條件下，空壓機(jī)存在著一定的節(jié)能空間。

3 空壓機(jī)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(jī)壓力罐上原來安裝的壓力傳感器反饋的系統(tǒng)壓力信號(hào)來控制變頻器的轉(zhuǎn)速。

通過壓力變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA直流信號(hào)，并送入變頻控制柜內(nèi)的控制器中。該信號(hào)與控制器中設(shè)定的壓力信號(hào)比較，其差值由控制器作PID運(yùn)算，輸出頻率調(diào)節(jié)信號(hào)給變頻器，實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器的輸出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速維持空壓機(jī)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(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

例如，當(dāng)系統(tǒng)用氣量減少供氣壓力增加時(shí)，調(diào)節(jié)過程是：變送器反饋信號(hào)大于控制器設(shè)定信號(hào)，控制器輸出減少，變頻器輸出頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，壓縮機(jī)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(shí)間內(nèi)變送器反饋信號(hào)和控制器壓力給定信號(hào)便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整變頻器輸出頻率以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的恒壓供氣，使空壓機(jī)始終處于節(jié)電運(yùn)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(jì)

（1）壓縮機(jī)現(xiàn)有工頻啟動(dòng)柜繼續(xù)保留（以備變頻器檢修時(shí)空壓機(jī)正常使用），新配置變頻控制柜（每臺(tái)空壓機(jī)配套1臺(tái)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(shí)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(hào)、供氣壓力信號(hào)、加載閥控制信號(hào)、油濾報(bào)警信號(hào)和系統(tǒng)散熱風(fēng)機(jī)控制信號(hào)做切換設(shè)計(jì)，既可以接入原啟動(dòng)系統(tǒng)，又可以接入變頻控制柜。

（3）變頻柜配套空壓機(jī)專用微電腦控制器。控制器采用觸控一體機(jī)，內(nèi)置空壓機(jī)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)空壓機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，還能夠設(shè)置多種系統(tǒng)保護(hù)功能與系統(tǒng)耗材到期維護(hù)提醒功能。同時(shí)，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(hù)方便。

（4）根據(jù)壓縮機(jī)負(fù)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(qiáng)，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(shí)可倒換工頻啟動(dòng)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(dòng)或不平衡時(shí)對(duì)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(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)；柜門安裝聲光報(bào)警信號(hào)裝置和緊急停機(jī)按鈕。

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

（8）利用設(shè)備檢修時(shí)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(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)工作的影響。

3.3 現(xiàn)場改造及實(shí)施方案

本著保留原工頻啟動(dòng)回路，接入新變頻啟動(dòng)回路，同時(shí)兼顧改造時(shí)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(jì)圖及對(duì)接圖如圖2所示。

圖2 變頻柜一次設(shè)計(jì)圖及對(duì)接圖

變頻柜內(nèi)配置總電源進(jìn)線開關(guān)QF1，接入外部AC380V電源，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)新增變頻系統(tǒng)與原工頻控制系統(tǒng)之間的手動(dòng)切換。

變頻器后端配置輸出接觸器KMC與角接觸器KMD，變頻運(yùn)行時(shí)供給電機(jī)電源，同時(shí)使電機(jī)以角型方式運(yùn)行；工頻運(yùn)行時(shí)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(jī)柜內(nèi)的散熱風(fēng)機(jī)電源也并聯(lián)接入變頻柜內(nèi)進(jìn)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(jī)柜內(nèi)排氣溫度信號(hào)、供氣壓力信號(hào)、加載閥控制信號(hào)、油濾報(bào)警信號(hào)和系統(tǒng)散熱風(fēng)機(jī)控制信號(hào)的切換與控制。

在空壓機(jī)柜內(nèi)增加端子排，把上述信號(hào)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換使用。空壓機(jī)柜二次信號(hào)如圖4所示。

（1）在空壓機(jī)柜內(nèi)增加部分端子排。

（2）信號(hào)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(hào)分別接入工頻系統(tǒng)與變頻系統(tǒng)。

圖4 空壓機(jī)柜二次信號(hào)

3.3.3 變頻柜柜面設(shè)計(jì)

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(bào)警指示燈，可在故障時(shí)發(fā)出聲光信號(hào)，提醒運(yùn)行人員及時(shí)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(yùn)行參數(shù)，查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

（4）柜門安裝緊急停機(jī)按鈕，在事故時(shí)可以按下緊急停車，及時(shí)防止事故擴(kuò)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(shí)現(xiàn)新啟動(dòng)系統(tǒng)與原啟動(dòng)系統(tǒng)的對(duì)接及變頻回路與工頻回路的切換。

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

圖5 變頻柜柜面設(shè)計(jì)

4 設(shè)備的選型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 變頻器的選型

（1）根據(jù)采區(qū)井下環(huán)境特點(diǎn)：粉塵大、空壓機(jī)附近環(huán)境溫度高，為保障生產(chǎn)的連續(xù)可靠運(yùn)行，盡量選擇高性能重載型變頻器并進(jìn)行放大選型，以滿足選廠較為惡劣的工業(yè)環(huán)境，同時(shí)重載型變頻器過載能力強(qiáng)，運(yùn)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(fù)載啟動(dòng)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)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(duì)變頻器造成的不利影響，同時(shí)可抑制變頻器整流元件對(duì)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(jià)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(diǎn)：

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

?過載能力：150％額定電流1分鐘；

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

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

?強(qiáng)大的過程PID功能：兩套參數(shù)，可根據(jù)運(yùn)行頻率進(jìn)行參數(shù)過渡；多種修正模式，可滿足多種拉絲機(jī)、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(qiáng)大的用戶可編程模塊；

?豐富的擴(kuò)展選件：編碼器接口板、I/O擴(kuò)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(jī)專用一體化控制器6090BTV，針對(duì)空氣壓縮機(jī)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(hào)和模擬量輸入、輸出信號(hào)集成到一個(gè)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(jì)，增強(qiáng)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(jī)交互界面，方便用戶直觀地監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整系統(tǒng)配置與保護(hù)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(hù)參數(shù)界面

圖8 智能控制器保護(hù)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(jì)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(jī)由工頻降壓啟動(dòng)改為變頻啟動(dòng)后啟動(dòng)沖擊電流小，運(yùn)行效果平穩(wěn)。

空壓機(jī)啟動(dòng)后，系統(tǒng)按照設(shè)定的主機(jī)變頻壓力0.72MPa變頻恒壓運(yùn)行，壓力超卸載壓力0.75MPa后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入卸載模式，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)主機(jī)在0.72MPa恒壓運(yùn)行中，若系統(tǒng)沒有用氣需求，則變頻器會(huì)自動(dòng)調(diào)整頻率下降運(yùn)行。當(dāng)降低到系統(tǒng)下限頻率25Hz后繼續(xù)運(yùn)行延時(shí)600s后，若系統(tǒng)壓力還在0.72MPa，則系統(tǒng)進(jìn)入低頻過久停機(jī)狀態(tài)；待壓力低于供氣加載壓力0.60MPa后，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)入變頻恒壓運(yùn)行狀態(tài)。

經(jīng)過測試對(duì)比，工頻模式下加載時(shí)電流在220A左右，卸載時(shí)運(yùn)行電流90A左右；變頻運(yùn)行模式下加載電流130A左右，卸載時(shí)電流50A左右，低頻過久停機(jī)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(duì)選廠生產(chǎn)的工藝有極大的改進(jìn)，給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)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(jí)工程師，現(xiàn)就職于陜西西北有色鉛鋅集團(tuán)有限公司，主要從事礦山機(jī)電設(shè)備的選型、安裝、調(diào)試、維護(hù)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(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)、選型、調(diào)試、維護(hù)及變頻器技術(shù)的應(yīng)用。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年12月刊