變頻器在空壓機恒壓供氣改造中的應用

翟世寬

(秦皇島首鋼板材有限公司，河北秦皇島 066003)

0 引言

空壓機作為工礦企業中最常用的空氣動力提供設備，其負責為工廠所有氣動元件提供氣源，成為工藝流程中的核心設備，故其運行的好壞直接影響生產工藝。同時，作為長期運轉設備，其每年的電能消耗也相當可觀，針對某公司空壓機電能浪費嚴重，節能需求迫切的現狀，經過深入研究和探討，決定對空壓機傳統控制方式進行改造，結合變頻器的諸多優點，制定了完整的空壓機恒壓變頻控制改造方案。

1 空壓機傳統控制方式存在的問題

由于空壓機電機是按照生產最大用氣量選擇的，因此電機容量都留有一定余量，但生產中設備用氣量多少會受到生產節奏影響，用氣量少時就會出現非滿負荷狀態下空載運行的情況，當管網壓力達到上限時，空壓機自動打開卸載閥，電機空轉。經過觀察，該公司132 kW的空壓機電機額定電流為250 A，空壓機在加載時的運行電流是200 A，卸載時的運行電流是90 A，此時電機功率因數約降低到0.35，其卸載功耗約占滿載功耗的45%，所以直接影響電源質量，并造成嚴重的電能浪費;其次，雖然空壓機電機采用Y-△減壓起動，但起動電流仍然很大，對電網沖擊大，易造成電網不穩定，并威脅其他用電設備的運行安全，同時工頻起動時對設備沖擊也較大，電機軸承及空壓機磨損增大;最后由于傳統空壓機自動化程度低，輸出壓力的調節是通過控制卸荷閥來實現的，調節速度慢、波動大、精度低，造成管網輸出壓力不穩定，同時由于空壓機不斷反復加載、卸載，將直接導致工頻運行噪聲大，如果持續工頻高速運行，超過所需工作壓力的額外壓力，會造成空壓機二級排氣溫度較高，其日常平均溫度約120℃，此時將會達到150℃以上，嚴重影響其使用壽命。

綜上所述，若能對傳統空壓機控制方式進行變頻改造，當生產設備用氣量需求減少時，就可通過降低電機的轉速、減小電機運行消耗功率、提高功率因數，實現節能的目的，同時對存在的其他問題也能夠得到較好的解決。

2 空壓機恒壓變頻調速改造方案

針對原空壓機控制方式存在的諸多問題可以采用恒壓變頻控制設計方案，應用變頻調速技術進行恒壓供氣控制，同時為了確保電氣安全和穩定性，該套設計方案包括兩種控制方式，即手動控制方式和自動控制方式。由于該公司2009年曾對空壓機各種數據顯示進行過一次改造，即取消各種儀表顯示，通過安裝西門子PLC S7-300采集空壓機各種模擬量數據，并在上位機WINCC監控畫面進行顯示，采集數據包括管網壓力、一級缸溫度、二級缸溫度、后冷溫度、冷卻水壓力、冷卻水溫度及油壓等重要數據，考慮PLC已將現場管道壓力信號、油壓、水壓等信號進行了采集，可以直接應用這些數據編程，所以決定利用PLC編寫控制程序。該方案中手動控制方式是指空壓機起動為變頻器軟起動，起動完成后以50 Hz運轉，空壓機打壓、卸荷通過管網壓力傳感器信號，在PLC內部編程比較控制其通斷，該控制方式相當于將原來外部接觸器起動改為變頻器軟起動;自動控制方式是指變頻調速系統以供氣管網壓力作為控制對象，采用PLC內部壓力設定值與管網壓力反饋信號組成閉環恒壓控制系統，通過PLC內部PID功能塊FB41進行比較計算，然后通過PLC模擬量輸出模塊輸出作為變頻器運行給定值，從而自動調節其運行頻率，最終達到空壓機恒壓供氣和節能的目的。整套控制系統由PI7800變頻器、PLC S7－300、壓力傳感器和電機組成。

2.1 空壓機改造設備參數

(1)空壓機型號:L型雙缸二級復動水冷空氣壓縮機 4L－20/8，軸功率 118 kW，轉速400 r/min;

(2)電機型號:Y315M2－6，額定功率132 kW，額定電壓380 V，額定電流250 A，960 r/min;

(3)變頻器型號:PI7800 200G3，額定電流200 A;

(4)油泵電機型號:Y90L－6 1.1 kW 3.2 A，電接點壓力表0.25 MPa;

(5)水泵電機型號:Y160M2－2 15 kW 32 A，水壓壓力 0.18 MPa。

2.2 恒壓變頻PLC程序設計

在該改造設計方案中，利用原有PLC系統的編寫功能 FC5，通過 PLC內部壓力設定值0.645 MPa與管網壓力信號求取偏差(管道壓力傳感器輸出信號為4～20 mA電流信號)，然后經過PID功能塊FB41進行PID閉環控制模式計算(經過對現場設備進行反復調試，PI取值分別為P=40，I=8)，最后輸出模擬量電壓控制信號0～10 V作為變頻器運行給定值進行頻率調節，從而保證實際壓力始終接近設定壓力。同時，為了保證空壓機供氣壓力系統運行安全穩定，防止出現管網壓力過高、無潤滑油等情況時不能及時停車的事故，在編寫功能FC5程序時加入了電機起車及故障停車條件，保護功能還包括將空壓機潤滑油壓和冷卻水壓作為空壓機電機起停的必要條件;如果出現管網壓力變送器斷線，PLC輸出固定頻率(25 Hz)作為變頻器運行給定，保證供氣不中斷;當管網壓力超過上限0.7 MPa時，PLC輸出停車信號，變頻器停止運行;當管網壓力低于下限0.6 MPa時，PLC輸出起車信號，變頻器自動運行;同時，將潤滑油壓高低報警、水壓高低報警、管網壓力高低報警及變送器斷線等故障信息通過PLC輸出報警，編寫程序時各開關量都經過3 s延時輸出動作，以防止外部干擾或傳感器采樣值處于臨界狀態誤動作。

2.3 變頻器外部接線和參數設置

變頻器外部接線如圖1所示，通過轉換開關SA實現手動和自動兩種控制方式，空壓機電機如滿足起車條件，則PLC開關量輸出點K1閉合，允許起車，否則不允許起車;若在運行中起車條件丟失，K1斷開，變頻器會自動停車保護，同時變頻器外部接有故障復位按鈕和報警指示。轉換開關SA處于自動控制方式時，變頻器給定值為PLC模擬量輸出值;轉換開關SA處于手動控制方式時，變頻器給定直接接入直流10 V電壓信號，同時為卸荷閥提供24 V直流電源，卸荷閥動作由PLC輸出K2點控制，當管網壓力大于0.68 MPa時，閉合卸荷，管網壓力小于0.64 MPa時，斷開打壓。變頻器相應參數設置見表1(其他參數為出廠值)。

2.4 空壓機變頻調試及改進

下面針對空壓機在恒壓變頻調試過程中出現的問題進行了以下幾方面的改進，具體改進如下。

圖1 空壓機變頻改造電氣圖紙

表1 變頻器參數設置

(1)空壓機改為恒壓變頻控制后，電機運行頻率會隨著設備用氣量的變化而變化，用氣量少時會長時間運行在約20 Hz。空壓機不允許長時間在低頻下運行，因為空壓機缸體潤滑為自身潤滑，潤滑油通過缸體運行自動帶動潤滑油潤滑，如果電機轉速過低，供油油壓降低，缸體的潤滑會變差，加快磨損;在設備改造完成后試車時，發現潤滑油壓遠低于0.25 MPa。經研究決定，采用外部供油方式解決潤滑油壓不足的問題，將自身油循環系統改為由一臺1.1 kW獨立油泵電機拖動實現潤滑，試車成功。

(2)由于該公司空壓機為L型雙缸二級復動水冷空氣壓縮機，因此為保證空壓機的正常工作，必須保證氣缸運行在正常溫度范圍內，必須嚴格要求冷卻水溫度和壓力。同樣，為保證空壓機的正常潤滑，必須要求潤滑油壓達到額定壓力，因此將水壓、油壓信號作為空壓機正常起車運行的必要條件，通過在PLC內部編寫相應的連鎖保護程序，同時外部串入明顯的開點實現，這樣將使空壓機運行更加穩定，為防止管網壓力變送器損壞，將壓力高信號編入PLC內停車，防止出現管網壓力超高事故。

(3)由于空壓機采用變頻控制方式運行時，系統能根據用戶設定壓力和壓力反饋自動調節電機轉速，實現恒壓控制，所以當生產用氣量較小時，空壓機電機可能將長時間處于低速打壓狀態，不利于電機自冷風扇的散熱，從而導致電機溫升過高甚至燒毀電機繞組。因此，在編寫PLC程序時，將頻率低于15 Hz作為變頻器自行停車條件之一，杜絕電機長期低頻率、大電流運行。

(4)為了方便統計空壓機用電量，通過使用西門子PLC S7－300的循環中斷OB35編寫程序，進行用電量統計，同時在WINCC監控畫面上做出趨勢圖，這樣可以更加直觀地了解實際用電量，能間接反應生產線設備的用氣情況。PI7800變頻器模擬量輸出選項如表2所示，輸出功率設定值為7，輸出信號范圍定義為0～200%(即實際輸出功率可顯示2倍電機額定功率)。本設計中選用模擬量輸出端子 DA1輸出功率信號，即F69.o06=7，輸出信號選擇電流信號4～20 mA。由于變頻器模擬量默認為電壓輸出，選擇電流輸出時需要用連片短接控制板上的JP3針腳DA1C，如圖2所示。相應參數設置:F69.o08=20、F69.o09=100。

3 空壓機變頻恒壓控制的優點

空壓機進行恒壓變頻改造后，由于空壓機起動具有軟起動功能，因此起動、打壓時的電流上升更加平緩，降低了起動沖擊電流和起動瞬間給空壓機帶來的機械沖擊;空壓機根據用氣量自動調節電機轉速，電機運轉頻率低，二級缸溫度降低，機械轉動噪聲變小，軸承磨損相對減小，設備維護量變小，延長了空壓機使用壽命;空壓機采用恒壓變頻改造后，由于采用PID閉環恒壓自動調節控制方式，提高了管網壓力控制精度，保證了供氣質量;空壓機根據用氣量自行調節輸出功率，電機平均總功耗下降，運行功率因數提高，變頻改造前空壓機在打壓時的平均運行電流是200 A，卸載時的平均運行電流是90 A，變頻改造后空壓機電機的運行頻率約為27 Hz，變頻器輸出電流約為160 A。

表2 變頻器模擬量輸出選項

圖2 DA1電流輸出端子選擇

4 空壓機變頻改造效益分析

在節電方面，通過實際測量耗電量改造后，每小時平均節電13°，每年節電量約為1.1萬度，按照電價每度0.6元計算，每年平均節約費用6.8萬元;在機械磨損方面，改造完成后空壓機二級排氣平均溫度約為95℃，最高未超過110℃，在一定程度上降低了機械磨損，同時也節約了設備檢修和備件消耗費用;間接經濟方面，恒壓變頻改造完成后，電機轉速降明顯低，每天潤滑油消耗量比以前節省約1/2，按照油價平均價格1 600元計算，每年節省潤滑油費用約0.8萬元(冬季19#潤滑油，價格1 700元，夏季13#潤滑油，價格1 500元，一年共計10桶)。

5 結語

本文對傳統控制方式下的空壓機進行了恒壓變頻改造，同時對調試過程中出現的新問題進行了解決，希望這些改造經驗能給讀者提供借鑒。空壓機恒壓變頻改造完成后，保證了管網壓力穩定，節約了一筆數目可觀的電力費用，同時也間接延長了空壓機的使用壽命，進一步提高了生產效率和保證了產品的工藝質量。

［1］普傳變頻器有限公司.普傳PI7600 7800系列變頻器說明書［G］.2008.

［2］廖常初.S7－300/400 PLC應用技術［M］.北京:機械工業出版社，2008.