文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2022）12-070-05中圖分類(lèi)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井下空氣壓縮機均為螺桿式空氣壓縮機，設備采用星三角（Y-Δ）降壓?jiǎn)?dòng)方式。運行中頻繁的加載卸載不僅設備噪聲大，對電網(wǎng)與管網(wǎng)沖擊大，同時(shí)還極大的浪費電能。我們將之改造為變頻啟動(dòng)，PID恒壓運行加設備休眠功能，供氣流量隨生產(chǎn)需求變化，從而達到節能降噪、減小沖擊的目的。

關(guān)鍵詞：變頻器；空壓機；調速節能；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(dòng)力源的設備，在工礦企業(yè)中應用十分普遍，配套電動(dòng)機的容量一般較大，且大多是常年連續運行的，故節能的潛力很大。

目前常見(jiàn)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(shí)間內產(chǎn)氣量是一定的。目前壓縮機大多數采用上下限壓力控制或啟停式控制，也就是說(shuō)，當氣缸內的壓力達到設定值的上限時(shí)，空壓機通過(guò)本身的壓力或油壓開(kāi)關(guān)關(guān)閉進(jìn)氣閥，這種工作方式頻繁出現加載卸載，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(shí)，不產(chǎn)生壓縮空氣，電動(dòng)機處于空載狀態(tài)，其用電量為滿(mǎn)負載的60%左右，這部分電能會(huì )被白白地浪費。

系統在設計時(shí)是針對全廠(chǎng)滿(mǎn)負荷用氣量來(lái)設計的，并考慮了一定的富余，基本上都是按照最大用氣量來(lái)設計的，而實(shí)際運行中的工況是用氣量經(jīng)常變化，并且經(jīng)常在非滿(mǎn)載狀態(tài)下運行，在整個(gè)系統運行時(shí)存在著(zhù)“大馬拉小車(chē)”的現象。為了解決這種現象，節約能源，提高經(jīng)濟效益，有必要對其進(jìn)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(guò)程中的氣壓波動(dòng)；二是停用加、卸載控制，取消卸載運行模式，避免原來(lái)卸載期間的電力消耗。在變頻調速方案中，我們把儲氣罐壓力作為控制對象，通過(guò)壓力變送器將儲氣罐的壓力P轉變?yōu)殡娦盘査徒o智能控制器，與用戶(hù)的壓力設定值進(jìn)行比較運算，算法可采用PID控制模式。運算結果產(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速，從而使儲氣罐的實(shí)際壓力始終恒等于用戶(hù)設定的壓力。

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?jiǎn)?dòng)方式。

具體設備情況見(jiàn)表1。

表1 設備型號及參數

原啟動(dòng)系統設定加載壓力0.65，卸載壓力0.75，輸出壓力在0.65~0.75MPa之間波動(dòng)。記錄設備運行狀況得出以下數據：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)對管網(wǎng)沖擊大，加載卸載時(shí)運行噪音大；開(kāi)環(huán)控制，不能保證供氣壓力的精度；啟動(dòng)電流大，對電網(wǎng)有沖擊；輸出氣壓大于0.75MPa時(shí)，卸載閥打開(kāi)，造成資源浪費。

通過(guò)對空壓機運行數據進(jìn)行分析，結合采區用氣負荷規律，我們發(fā)現采區空壓機使用率只占到設計額定的70%左右。以上分析的電能浪費，是空壓機改造的基礎條件。很明顯，在加載卸載控制條件下，空壓機存在著(zhù)一定的節能空間。

3 空壓機變頻改造方案

3.1 系統控制原理簡(jiǎn)述

該系統采用壓力閉環(huán)調節方式，利用空壓機壓力罐上原來(lái)安裝的壓力傳感器反饋的系統壓力信號來(lái)控制變頻器的轉速。

通過(guò)壓力變送器將壓力信號轉換為標準的4-20mA直流信號，并送入變頻控制柜內的控制器中。該信號與控制器中設定的壓力信號比較，其差值由控制器作PID運算，輸出頻率調節信號給變頻器，實(shí)時(shí)調整變頻器的輸出頻率，控制電機轉速維持空壓機供氣壓力穩定在設定的壓力值。若供氣壓力發(fā)生變化將自動(dòng)進(jìn)行調節。

例如，當系統用氣量減少供氣壓力增加時(shí)，調節過(guò)程是：變送器反饋信號大于控制器設定信號，控制器輸出減少，變頻器輸出頻率降低，電機轉速下降，壓縮機減小壓力輸出使供氣壓力減小。由于其調控過(guò)程較快，短時(shí)間內變送器反饋信號和控制器壓力給定信號便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而動(dòng)態(tài)調整變頻器輸出頻率以實(shí)現穩定的恒壓供氣，使空壓機始終處于節電運行狀態(tài)。其控制系統邏輯如圖1所示。

圖1 系統控制原理

3.2 系統方案設計

（1）壓縮機現有工頻啟動(dòng)柜繼續保留（以備變頻器檢修時(shí)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）。在保留原系統的情況下增加變頻控制系統，既實(shí)現了變頻節能改造，又預留了備用系統。

（2）變頻控制柜安裝工頻/變頻切換開(kāi)關(guān)。原來(lái)系統內排氣溫度信號、供氣壓力信號、加載閥控制信號、油濾報警信號和系統散熱風(fēng)機控制信號做切換設計，既可以接入原啟動(dòng)系統，又可以接入變頻控制柜。

（3）變頻柜配套空壓機專(zhuān)用微電腦控制器?？刂破鞑捎糜|控一體機，內置空壓機專(zhuān)用控制程序，配線(xiàn)簡(jiǎn)單，功能完善。用戶(hù)可直觀(guān)地通過(guò)控制器屏幕查看空壓機運行狀態(tài)，根據需要調節空壓機各項運行參數，還能夠設置多種系統保護功能與系統耗材到期維護提醒功能。同時(shí)，該控制器與變頻器具有良好的通訊能力，系統結構簡(jiǎn)單，維護方便。

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

（5）變頻柜內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，在檢修時(shí)可倒換工頻啟動(dòng)模式）、變頻器，輸入電抗器（降低設備諧波干擾，提高系統功率因數，改善電網(wǎng)電壓波動(dòng)或不平衡時(shí)對變頻器產(chǎn)生的不利影響）。

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

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

（8）利用設備檢修時(shí)間完成新設備的安裝、調試，盡量縮短現場(chǎng)施工期限，盡可能減少對現場(chǎng)生產(chǎn)工作的影響。

3.3 現場(chǎng)改造及實(shí)施方案

本著(zhù)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)現場(chǎng)施工最簡(jiǎn)化和改造后設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

變頻柜一次設計圖及對接圖如圖2所示。

圖2 變頻柜一次設計圖及對接圖

變頻柜內配置總電源進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)QF1，接入外部AC380V電源，對系統進(jìn)線(xiàn)送電與斷電操作。

總電源開(kāi)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)現新增變頻系統與原工頻控制系統之間的手動(dòng)切換。

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

另，空壓機柜內的散熱風(fēng)機電源也并聯(lián)接入變頻柜內進(jìn)線(xiàn)連鎖控制。

現場(chǎng)一次接線(xiàn)方案如圖3所示。

圖3 現場(chǎng)一次接線(xiàn)方案

3.3.2 二次回路改造

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

在空壓機柜內增加端子排，把上述信號引入端子排，并通過(guò)將多芯線(xiàn)纜接到變頻控制柜的工頻-變頻轉換開(kāi)關(guān)上實(shí)現信號的切換使用?？諌簷C柜二次信號如圖4所示。

（1）在空壓機柜內增加部分端子排。

（2）信號通過(guò)端子排轉接至變頻柜工頻-變頻轉換

開(kāi)關(guān)上。

（3）切換后的信號分別接入工頻系統與變頻系統。

圖4 空壓機柜二次信號

3.3.3 變頻柜柜面設計

根據系統控制需求，柜門(mén)布置如圖5所示。

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

（2）柜門(mén)安裝電壓顯示儀表，可檢測系統輸入電壓。

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

（4）柜門(mén)安裝緊急停機按鈕，在事故時(shí)可以按下緊急停車(chē)，及時(shí)防止事故擴大化。

（5）柜門(mén)安裝工頻-變頻選擇開(kāi)關(guān)，配合一次回路與二次回路接線(xiàn)，可實(shí)現新啟動(dòng)系統與原啟動(dòng)系統的對接及變頻回路與工頻回路的切換。

（6）柜門(mén)安裝本地-遠程切換開(kāi)關(guān)，并預留遠期接入遠程操控系統的控制接口。

圖5 變頻柜柜面設計

4 設備的選型及系統設計

4.1 變頻器的選型

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

（2）為避免出現井下長(cháng)距離輸電后末端電壓降大，大型負載啟動(dòng)導致電網(wǎng)電壓波動(dòng)的狀況，變頻器前端配置變頻器專(zhuān)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(shí)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(chǎng)家中，我們選用了質(zhì)量可靠，性?xún)r(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電壓型變頻器結構圖如圖6所示。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

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

?過(guò)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)洗滌設備、制造設備應用；

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

?強大的過(guò)程PID功能：兩套參數，可根據運行頻率進(jìn)行參數過(guò)渡；多種修正模式，可滿(mǎn)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(hù)可編程模塊；

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

圖6 SB70G系列高性能矢量控制變頻器結構圖

4.2 控制器的選型

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

智能控制器配置人機交互界面，方便用戶(hù)直觀(guān)地監測系統運行狀態(tài)，調整系統配置與保護參數。

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界面

圖8 智能控制器保護參數界面

表2 智能控制器耗材管理界面

4.3 系統參數設置

根據系統設計方案與現場(chǎng)控制需求，控制器參數設置見(jiàn)表3。

表3 控制器參數設置

5 結論

經(jīng)過(guò)現場(chǎng)參數設置與調整，空壓機由工頻降壓?jiǎn)?dòng)改為變頻啟動(dòng)后啟動(dòng)沖擊電流小，運行效果平穩。

空壓機啟動(dòng)后，系統按照設定的主機變頻壓力0.72MPa變頻恒壓運行，壓力超卸載壓力0.75MPa后系統自動(dòng)進(jìn)入卸載模式，使系統安全穩定運行；同時(shí)主機在0.72MPa恒壓運行中，若系統沒(méi)有用氣需求，則變頻器會(huì )自動(dòng)調整頻率下降運行。當降低到系統下限頻率25Hz后繼續運行延時(shí)600s后，若系統壓力還在0.72MPa，則系統進(jìn)入低頻過(guò)久停機狀態(tài)；待壓力低于供氣加載壓力0.60MPa后，系統自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)入變頻恒壓運行狀態(tài)。

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

變頻技術(shù)發(fā)展日趨成熟，結合液位控制系統對選廠(chǎng)生產(chǎn)的工藝有極大的改進(jìn)，給企業(yè)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟效益，值得在廠(chǎng)內設備上推廣使用。

作者簡(jiǎn)介：

陳葆（1973-），男，陜西西安人，高級工程師，現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備的選型、安裝、調試、維護改造及新技術(shù)的推廣應用。

郭靖（1987-），男，陜西西安人，現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)化設備的設計、選型、調試、維護及變頻器技術(shù)的應用。

參考文獻：

[1] 仲明振, 趙相賓. 低壓變頻器應用手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009.

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

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

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年12月刊