空壓機變頻調速控制系統的設計

王成龍

（山煤集團煤業管理有限公司， 山西 太原 030006）

引言

空氣壓縮機在實際生產中存在耗能大、維修程序復雜、維修成本高等問題，而且空壓機在實際生產中處于空載運行的狀態比例較大，造成大量人力、物力的浪費，大大增加了生產成本，造成不必要的浪費

[1]。傳統空壓機調速系統采用繼電器+邏輯控制器的組合，存在可靠性差、維護困難等特點。因此，需要對空壓機調速系統進行改造，以保證其滿足生產需求的同時消耗最少的能量。

1 空壓機的概述

1.1 空壓機的分類

根據空壓機的工作原理可將其分為容積式空壓機和速度式空壓機。其中，容積式空壓機是將空氣壓縮后使其氣體的動能得到增加，而后將空氣動能轉換為壓力能；容積式空壓機包括有往復式和旋轉式。速度式空壓機通過渦輪旋轉使得空氣獲得較大的動能，進而使氣體的動能變成勢能；速度式空壓機包括有離心式、軸流式等[2]。

本文所研究的空壓機類型為螺桿式空壓機，屬于容積式空壓機的一種。該空壓機具有可靠性高、維修方便、適應性強等優勢。但是，螺桿式空壓機在工作時噪聲較大，且其工作時需各種輔助設備進行配合，導致螺桿式空壓機的體積較大。

1.2 空壓機在應用中存在的問題

如圖1 所示，空氣進入系統需經過濾器消除其中的雜質和灰塵，經過濾的空氣與潤滑油混合后進入壓縮主機，而后被壓縮的混合氣體經兩次油氣分離后待其被壓縮到0.45 MPa 時，最小壓力閥被打開，流入冷卻器中等待使用。目前，螺桿式空壓機應用主要存在的問題總結如下：

圖1 螺桿式空壓機工作流程示意圖

1）由于空壓機控制系統的滯后性導致其在加載階段會消耗大量的電能；卸載時，空壓機自動打開卸荷閥使得電機空轉，期間未向工作面輸送壓力，造成能量的浪費。經統計，空載時能耗約為滿載狀態時的40%左右[3]。

2）空壓機啟動時瞬時大電流會對電網造成沖擊，從而影響整個工作面設備運行的安全性。

3）當前空壓機控制系統主要依靠機械部件對其壓力進行控制，存在控制滯后性大、壓力波動較大，使得系統輸出的壓力不穩定。

2 空壓機變頻調速系統的總體設計

為解決螺桿式空氣壓縮機傳統控制系統的弊端，本文采用PLC 控制器+變頻器的控制思路。其控制原理為由系統中的監控系統對空壓機現場工作參數進行監測，而后傳入至PLC 控制器中，根據控制需求得出相應控制指令傳送至其調節器中，由變頻器控制電壓的頻率，從而實現對電機轉速的控制，進而實現對空壓機壓縮速度的調整[4]。空壓機變頻調速系統的總體設計方案如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，空壓機變頻調速系統的組成主要可以分為可編程控制器（PLC）、變頻器以及各類監測傳感器和巡檢儀。基于PLC 實現對空壓機多種控制模式的切換控制，基于變頻器實現對空壓機排風量的控制。

3 空壓機變頻調速系統的設計

3.1 空壓機變頻調速系統硬件的設計

空壓機變頻調速系統的硬件組成及其相關通信關系如下頁圖3 所示。

如圖3 所示，變頻器對空壓機的轉速進行控制；傳感器對空壓機的運行狀態參數進行監測，并由巡檢儀傳送至PLC 控制器；PLC 控制器可實現對空壓機設備的啟停控制；上位機對PLC 控制器實現遠程控制，PLC 將所獲取的參數數據上傳至上位機[5]。

根據現場控制要求及環境特點，本變頻調速系統中所需的各類傳感器的選型結果如表1 所示。

圖2 空壓機變頻調速系統總體設計方案

圖3 空壓機變頻調速系統硬件關系

表1 變頻調速系統傳感器選型結果

3.2 變頻調速功能的設計

變頻器為實現空壓機變頻調功能的核心，本系統選用變頻器的理由如下：變頻器有利于實現系統的智能控制；變頻器的應用能夠減少機械閥的開啟閉合次數，進而間接提高機械部件的使用壽命；基于變頻器能夠實現空壓機的軟啟動，進而減小了啟動階段大電流對系統所造成的沖擊；從長期角度考慮，變頻器的應用能夠明顯達到節能的效果。

基于對現場控制要求及應用環境的分析，所選變頻器的型號為FR-A740-CHT，并將其與三菱公司的PLC 控制器配合使用。基于變頻器實現對空壓機的“一控三”，此舉不但減少了設備費用，還能夠實現空壓機在變頻和工頻兩種方式下相互切換，接線圖如圖4 所示。

圖4 變頻調速功能實現的接線示意圖

根據所選變頻器的特征，為其配置三菱公司的PLC 控制器，具體型號為FX2n-64MR。

4 空壓機變頻調速系統軟件的設計

根據控制需求設計如圖5 所示的控制流程框圖。

圖5 變頻調速系統軟件控制流程

如圖5 所示，首先啟動變頻器而后啟動1 號空壓機，若1 號空壓機電機頻率已達到上限值，而出風口處的壓力仍然無法達到事先設定的壓力值，則將1 號空壓機切換至工頻狀態下運行，同時將2 號空壓機切換至變頻狀態下運行。當2 號空壓機電機頻率運行至極限值后其出口風壓值仍無法滿足設定值要求，則將2 號空壓機切換至工頻運行，3 號空壓機變頻啟動。當3 組空壓機系統同時運行時，出風口壓力逐漸增大其風量逐漸減小。當系統需完成任務后，按照啟動先后次序一次關閉空壓機。在運行期間，出現超溫、斷水等事故發生時，系統會啟動另外一臺空壓機。

5 結語

空壓機在實際生產中由于其控制方式落后導致控制系統滯后，進而使得在空壓機運行期間無法根據現場控制需求對其運行狀態進行調整，導致大量電能浪費的問題。為此，將變頻器和PLC 控制器應用于空壓機的控制系統中，使其能夠根據實際需求對其電機轉速進行實時控制。