變頻調速技術在空氣壓縮機中的改造應用

莫南釗　許本強

摘要:本文闡述了變頻調整技術在空氣壓縮機改造應用的必要性,提出系統控制方案,詳述了系統硬件選配、PID設定,最后對變頻前后耗能進行比較。

關鍵詞:變頻器;硬件;PID;耗能

湛江飛躍有限公司使用兩臺空氣壓縮機來滿足生產中用氣的需要,電動機的功率分別為37KW和22KW,空氣壓縮機的加、減載由機械加減載閥控制,兩臺電動機加、減載壓力不能相差太大,當有一臺減載失靈時,將造成壓縮機長期加載運行,儲罐壓力升高,需要經常對儲氣罐放空,這對機械與電氣運行都很不利,既浪費了電能,以延長限設備檢修周期,當空氣壓縮機加載失靈時,會造成壓力降低,直接影響整個設備正常運行,為此,用變頻調整技術對22KW電動機進行改造試驗,以滿足節能降耗的需要。

1 變頻器概述

變頻技術的核心部件是變頻器,變頻器全稱交流變頻調速器,用于交流電機,在調整輸出頻率的同時按比例調整輸出電壓,從而改變電機轉速,以達到交流電機調速的目的。變頻器是電力電子技術、微電子技術、控制技術相結合的綜合性高技術產品

變頻器的作用主要有以下幾方面:

變頻節能。目前市場中變頻器主要以對風機和水泵的調速來實現節能。以風機和泵類為例,能夠清楚地計算出變頻器所具有的節能空間。根據電流力學知識可知,P(功率)=Q(流量)×H(壓力)。流量Q與轉速N的一次方成正比,壓力H與轉速N的平方成正比。理論上功率P與轉速N的立方成正比。例如一個功率為P0=55KW的電動機,當轉速下降到原轉速的4/5時,由P=(4/5)3P0=64/125×55=28.16KW,節電率為48%,當轉速下降到原來的1/2時,P=(1/2)3P0=1/8×55=6.875,節電率為87.5%,節能空間很大。

軟起動功能。當電機為直接起動時,啟動電流為額定電流的5-7倍,這樣會對設備和電網造成嚴重的沖擊,對電網容量提出很高的要求。采用變頻器后,電機的起動電流一般小于額定電流的1.5倍。減輕了對電網的沖擊,提高了設備的使用壽命。

調速作用。在很多應用場合,由于工藝的要求,需要平滑地調速,此時,變頻器的應用必不可少。

提高電網功率因數。無功功率增加了線路的損耗和設備的發熱,從而會導致大量的電能消耗在線路當中,設備使用率下降。變頻設備使用后,不但減少了電網線路上的損耗,同時可以提高電網的功率因數。

2 系統控制方案

該系統有三種控制方案,分別為強手動、手動和自動控制。

強手動主要是為了在發生事故時及變頻器、編程控制器等自動設備出現故障或檢修時,為了保證生產的正常運行而采取的一種預防措施。

手動調頻方式是在現場調試或壓力傳感器出現故障閉環控制回路被斷開而采取的一種調節方式,是一種開環控制系統。這種控制方式使電機在一個定常頻率下工作(其頻率設定值是一個經驗值),當裝置的用風量基本不變時,這種工作方式的效果還是不錯的,但出現用風量波動較大時,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調頻方式,這是一種閉環控制環路

3 系統硬件選配

3.1 變頻器的選擇

三菱變頻器具有性價比高的特點,能滿足壓力傳感器控制要求,并且高起動轉矩,適合風機、水泵的自動節能運行。

3.2 變頻器的容量選擇

用標準2、4極電動機搬運的連續恒定負載,變頻器可根據適用電動機的功率選擇。但對于用6極以上的變極電動機的負載、變動負載等,變頻器的容量應按運行過程中可能出現的最大工作電流來選擇。

空氣壓縮機的型號及規格:型號:V-3/8-A;排氣量:3m3/min;排氣壓力:0.8Mpa;主機轉速:970r/min;功率:22kw;額定電流:44A;接法:△;極數:6

根據空氣壓縮機的參數及變頻器的選擇要求,通過查看變頻器的各項參數指標,本次設計選用了三菱變頻器FR-A540-30k-CH,適用電機額定功率: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,并采用先進磁通矢量控制方式,調速比可達1:120(0.5-60Hz);內置RS485通信口,并可支持各種常用的現場;PID等多種功能適合各種應用場合,完全滿足使用要求。

3.3 壓力變送器的選擇

根據測量對象和測量范圍、靈敏度、頻率響應特性、精度等要求,選用美國原裝高精度擴散硅不銹鋼隔離膜傳感器及專門變換電路,傳感器型號為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為現場顯示。傳感器后面設有惠斯頓電橋,當增加壓力時,電橋各橋臂電阻值發生變化,通過信號處理電路,轉換為電壓變化,輸出4-20mA直流信號。

4 變頻器的PID設定

在PID控制下,使用一個4mA 對應0Mpa,20 mA 對應0.8Mpa的傳感器調節空氣壓縮機的供氣壓力,設定值通過變頻器的2和4端子(0～5V)給定。設定Pr128使PID有效。

由于4mA 對應0%,20 mA 對應100%,所以0.48對應60%。

當有校準時,用Pr902～Pr905校正傳感器的輸出,并且在變頻器停止時,在PU模式下輸入設定值,如表1所示。

升速和降速時間的預置 風機的轉動慣性很大,但啟動和停止的次數極少,所以升速和降速的時間盡量加長,使啟動電流限制在額定電流之內,根據實驗,選升速時間Tr=30s,降速時間Td=60s。

5 變頻前后耗能比較

統計表的數值為一小時的平均值,每小時抄表四次,調頻頻率在50Hz～36Hz時,頻率每下降1 Hz電壓將下降11V,調頻電流基本不變,平均頻率為37.88Hz,平均電壓為254V。

電機每小時可節電8.51KW.h。

每天工作按16個小時計,每年工作按310天計算,可節余電量42210KW.h,按每度電0.7元計算,可節約費用29547 元,一年之內可收回投資。

6 結束語

該變頻器投入運行后,達到了生產所需的供風量和供風壓力,基本不需要因機械引起的加減載工作,減少了崗位工人的勞動強度,并節約大量的能源。

參考文獻

[1]曾毅.變頻調速控制系統的設計與維護 [M].濟南:山東科學技術出版社,2005.

[2]上海經委節能辦公室.風機水泵調速節能手冊 [M].北京:機械工業出版社,1987.

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

作者簡介:許本強(1971-),男,廣東湛江人,一級實習指導教師,技師,機電工程系主任,主要研究方向:PLC、變頻教學、研究及開發。