空壓機電氣控制系統的變頻改造及效果分析

田偉平

（西山煤電機電修造園區新恒源分公司，山西 太原 030053）

引言

空氣壓縮機為綜采工作面提供動力源僅次于電能的關鍵設備，由于設備本身結構的原因導致其存在明顯的技術缺陷。實踐表明：當空壓機的輸出的壓力超過一定限值時，設備的卸荷閥會自動打開，導致設備出現空轉的現象，進而造成電能的浪費。此外，空壓機異步電機的頻繁啟停還會造成對設備電網的沖擊，對設備壽命和可靠性造成威脅。為此，實現空壓機的變頻調速改造勢在必行，刻不容緩[1]。本文著重對空壓機電氣控制系統進行變頻改造，并對改造后的效果進行驗證。

1 空壓機電氣控制系統變頻改造的總體設計

本文以螺桿式空氣壓縮機為例。空氣壓縮機在電動機驅動的作用下，將經空氣過濾器過濾后的空氣進行壓縮并由噴油對壓縮過的空氣進行冷卻和潤滑；而后在油氣分離器的作用下對冷卻潤滑后的壓縮空氣進行油、壓縮空氣的分離操作，并將分離后空氣儲存于儲氣罐中，以備后期使用。

本文著重實現空壓機的變頻調速功能，以解決設備耗能大的問題。鑒于空氣壓縮機的最終目的是獲取一定壓力的壓縮空氣，因此可通過控制最終壓縮空氣的出口壓力實現對空氣壓縮機的節能改造。而對于特殊行業而言，對空壓機出口氣體壓力的要求是不變的[2]。因此，只能通過控制空壓機的進出口壓差實現對設備的變頻節能改造，其變頻節能改造的總體原理框圖如圖1 所示。

如圖1 所示，PLC 通過對管路中的壓力和變頻電機輸出頻率進行比對，進而對變頻電機進行控制，以達到節能運行的目的。

圖1 空壓機變頻節能改造總體原理框圖

2 空壓機電氣控制系統變頻改造的設計

目前，在實際應用中空壓機常采用兩臺電機并聯運行進行控制，使其根據負載的變化實時控制電機轉速，進而達到節能生產的目的。因此，對于雙電機并聯驅動的空壓機而言，提出如下控制要求：一是要求電機采用一用一備的工作模式。二是一臺電機為主控電機（1 號）且在正常工況下其處于工頻運行狀態，當1 號電機運行頻率達到極限且進出口壓差還很大時，2 號電機啟動進行變頻操作，此時1 號電機切換為工頻運行；當2 號電機的變頻運行效率很低且進出口壓差很小時，1 號電機停機，2 號電機仍以變頻運行[3]。三是為提升空壓機變頻調速功能的可靠性，采用PLC 控制器為核心的控制系統，實現對空壓機變頻電機在工頻、變頻運行模式的切換。變頻器的切換工作如圖2 所示。

2.1 空壓機變頻改造的硬件設計

圖2 空壓機變頻切換示意圖

如圖2 所示，實現空壓機變頻改造的核心是為其電氣控制系統選擇最佳的變頻器和PLC 控制器。就變頻器而言，其選型主要依據變頻器的容量，并對變頻器的類型及變頻器能否滿足電網與變頻器的切換、瞬時停電再啟動的功能等提出要求。

為滿足空壓機系統機械部件的調速控制需求，本方案選用功能更為強大的通用變頻器。當前空壓機系統中對應電機在滿載時電流值最大的電機為系統配置的主電機，其電流值為69.8 A，根據式（1）計算可得：

式中：Imax為空壓機系統中主機或風機的最大電流值，IN為對應選型變頻器的額定電流值。

經計算可得，對于空壓機的主電機而言，其對應變頻器的額定電流值需滿足≥76.78 A 的要求，綜合比對產品最終針對空壓機主電機所選型變頻器的型號為三菱廠家的FR-F740-45K-CH，該產品對應額定電流值為85 A；對于空壓機系統中的風機而言，其在滿載狀態下的最大電流值為29.4 A，則對應變頻器的額定電流值需滿足≥32.34 A 的要求，綜合比對產品最終針對空壓機主電機所選型變頻器的型號為三菱廠家的FR-F740-18.5K-CHT，該產品對應額定電流值為35 A[4]。

在變頻器選型的基礎上，為確保空壓機電氣控制系統變頻改造后的閉環控制效果，結合PLC 控制CPU 模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊以及存儲器模塊功能需求，本方案選用三菱FX2N 系列的PLC 控制器。根據空壓機電氣控制系統變頻改造后的控制思路及控制要求，針對PLC 控制器設計如圖3 所示的接線圖。

經改造后的空壓機變頻調速控制系統主要由變頻器、PLC 控制器、接觸器和壓機監測裝置等組成。在實際運行中，PLC 控制器可對空壓機主電機、風機電機等實現工頻、變頻運行的切換，并在切換到的同時根據負載及電機變頻器的運行狀態對空壓機電機轉速進行控制，從而達到節能運行的效果。

2.2 空壓機變頻改造的軟件設計

空壓機變頻改造的軟件設計主要是完成PLC控制器程序控制流程圖及程序的編寫（鑒于篇幅有限，此處不列出PLC 主控制程序的流程圖）。

此外，為提升經變頻改造后空壓機的抗干擾性能，提升其運行的可靠性，針對綜采工作面相對惡劣的工作環境，將采取如下抗干擾措施：將控制系統的輸入/輸出信號電纜與供電電纜分開鋪設，如需必要或條件允許，分別在信號電纜和供電電纜外層包裹屏蔽材料；務必將電纜中備用電芯接地，在增加電纜屏蔽作用的同時，避免外部信號對電纜信號的干擾；盡可能地采用雙芯屏蔽線作為信號傳輸線，并將低電平信號的傳輸與其他信號線分開[5]。

圖3 空壓機變頻調速系統PLC 控制器接線圖

3 改造效果分析

將上述改造方案應用于實際生產中，并對改造前后設備的運行參數進行對比可得：改造后空壓機所獲得壓縮空氣的壓力更加穩定，其壓力值為0.6 MPa，電網的電流值也相對平穩；空壓機在運行一段時間內的平均電流值由原先的68 A 降低至49 A，對應的功率值由原先的36 kW 降低至26 kW。

現場試驗的節能效果分析如下：按照空壓機每天工作8 h，每年工作350 d 計算。對于主電機，改造前耗能為36 kW×8 h×350=100 800 kWh，改造后耗能為26 kW×8 h×350=72 800 kWh。則，改造后每年可節約電能為28 000 kWh。

4 結論

1）采用三菱系列的變頻器與PLC 控制器相結合的改造思路，將空壓機電氣控制系統改造為可根據管網壓力差及電機運行頻率對設備主電機和風機的變頻電機進行變頻調速控制。

2）經對空壓機電氣系統變頻改造后所獲得壓縮空氣的壓力更加穩定，為0.6 MPa；空壓機運行的平均電流和功率明顯降低，且每年可節約電能為28 000 kWh。