变频器在空压机恒压供气改造中的应用

2012-08-28翟世宽

电机与控制应用 2012年3期

翟世宽

(秦皇岛首钢板材有限公司，河北秦皇岛 066003)

0 引言

空压机作为工矿企业中最常用的空气动力提供设备，其负责为工厂所有气动元件提供气源，成为工艺流程中的核心设备，故其运行的好坏直接影响生产工艺。同时，作为长期运转设备，其每年的电能消耗也相当可观，针对某公司空压机电能浪费严重，节能需求迫切的现状，经过深入研究和探讨，决定对空压机传统控制方式进行改造，结合变频器的诸多优点，制定了完整的空压机恒压变频控制改造方案。

1 空压机传统控制方式存在的问题

由于空压机电机是按照生产最大用气量选择的，因此电机容量都留有一定余量，但生产中设备用气量多少会受到生产节奏影响，用气量少时就会出现非满负荷状态下空载运行的情况，当管网压力达到上限时，空压机自动打开卸载阀，电机空转。经过观察，该公司132 kW的空压机电机额定电流为250 A，空压机在加载时的运行电流是200 A，卸载时的运行电流是90 A，此时电机功率因数约降低到0.35，其卸载功耗约占满载功耗的45%，所以直接影响电源质量，并造成严重的电能浪费;其次，虽然空压机电机采用Y-△减压起动，但起动电流仍然很大，对电网冲击大，易造成电网不稳定，并威胁其他用电设备的运行安全，同时工频起动时对设备冲击也较大，电机轴承及空压机磨损增大;最后由于传统空压机自动化程度低，输出压力的调节是通过控制卸荷阀来实现的，调节速度慢、波动大、精度低，造成管网输出压力不稳定，同时由于空压机不断反复加载、卸载，将直接导致工频运行噪声大，如果持续工频高速运行，超过所需工作压力的额外压力，会造成空压机二级排气温度较高，其日常平均温度约120℃，此时将会达到150℃以上，严重影响其使用寿命。

综上所述，若能对传统空压机控制方式进行变频改造，当生产设备用气量需求减少时，就可通过降低电机的转速、减小电机运行消耗功率、提高功率因数，实现节能的目的，同时对存在的其他问题也能够得到较好的解决。

2 空压机恒压变频调速改造方案

针对原空压机控制方式存在的诸多问题可以采用恒压变频控制设计方案，应用变频调速技术进行恒压供气控制，同时为了确保电气安全和稳定性，该套设计方案包括两种控制方式，即手动控制方式和自动控制方式。由于该公司2009年曾对空压机各种数据显示进行过一次改造，即取消各种仪表显示，通过安装西门子PLC S7-300采集空压机各种模拟量数据，并在上位机WINCC监控画面进行显示，采集数据包括管网压力、一级缸温度、二级缸温度、后冷温度、冷却水压力、冷却水温度及油压等重要数据，考虑PLC已将现场管道压力信号、油压、水压等信号进行了采集，可以直接应用这些数据编程，所以决定利用PLC编写控制程序。该方案中手动控制方式是指空压机起动为变频器软起动，起动完成后以50 Hz运转，空压机打压、卸荷通过管网压力传感器信号，在PLC内部编程比较控制其通断，该控制方式相当于将原来外部接触器起动改为变频器软起动;自动控制方式是指变频调速系统以供气管网压力作为控制对象，采用PLC内部压力设定值与管网压力反馈信号组成闭环恒压控制系统，通过PLC内部PID功能块FB41进行比较计算，然后通过PLC模拟量输出模块输出作为变频器运行给定值，从而自动调节其运行频率，最终达到空压机恒压供气和节能的目的。整套控制系统由PI7800变频器、PLC S7－300、压力传感器和电机组成。

2.1 空压机改造设备参数

(1)空压机型号:L型双缸二级复动水冷空气压缩机 4L－20/8，轴功率 118 kW，转速400 r/min;

(2)电机型号:Y315M2－6，额定功率132 kW，额定电压380 V，额定电流250 A，960 r/min;

(3)变频器型号:PI7800 200G3，额定电流200 A;

(4)油泵电机型号:Y90L－6 1.1 kW 3.2 A，电接点压力表0.25 MPa;

(5)水泵电机型号:Y160M2－2 15 kW 32 A，水压压力 0.18 MPa。

2.2 恒压变频PLC程序设计

在该改造设计方案中，利用原有PLC系统的编写功能 FC5，通过 PLC内部压力设定值0.645 MPa与管网压力信号求取偏差(管道压力传感器输出信号为4～20 mA电流信号)，然后经过PID功能块FB41进行PID闭环控制模式计算(经过对现场设备进行反复调试，PI取值分别为P=40，I=8)，最后输出模拟量电压控制信号0～10 V作为变频器运行给定值进行频率调节，从而保证实际压力始终接近设定压力。同时，为了保证空压机供气压力系统运行安全稳定，防止出现管网压力过高、无润滑油等情况时不能及时停车的事故，在编写功能FC5程序时加入了电机起车及故障停车条件，保护功能还包括将空压机润滑油压和冷却水压作为空压机电机起停的必要条件;如果出现管网压力变送器断线，PLC输出固定频率(25 Hz)作为变频器运行给定，保证供气不中断;当管网压力超过上限0.7 MPa时，PLC输出停车信号，变频器停止运行;当管网压力低于下限0.6 MPa时，PLC输出起车信号，变频器自动运行;同时，将润滑油压高低报警、水压高低报警、管网压力高低报警及变送器断线等故障信息通过PLC输出报警，编写程序时各开关量都经过3 s延时输出动作，以防止外部干扰或传感器采样值处于临界状态误动作。

2.3 变频器外部接线和参数设置

变频器外部接线如图1所示，通过转换开关SA实现手动和自动两种控制方式，空压机电机如满足起车条件，则PLC开关量输出点K1闭合，允许起车，否则不允许起车;若在运行中起车条件丢失，K1断开，变频器会自动停车保护，同时变频器外部接有故障复位按钮和报警指示。转换开关SA处于自动控制方式时，变频器给定值为PLC模拟量输出值;转换开关SA处于手动控制方式时，变频器给定直接接入直流10 V电压信号，同时为卸荷阀提供24 V直流电源，卸荷阀动作由PLC输出K2点控制，当管网压力大于0.68 MPa时，闭合卸荷，管网压力小于0.64 MPa时，断开打压。变频器相应参数设置见表1(其他参数为出厂值)。

2.4 空压机变频调试及改进

下面针对空压机在恒压变频调试过程中出现的问题进行了以下几方面的改进，具体改进如下。

图1 空压机变频改造电气图纸

表1 变频器参数设置

(1)空压机改为恒压变频控制后，电机运行频率会随着设备用气量的变化而变化，用气量少时会长时间运行在约20 Hz。空压机不允许长时间在低频下运行，因为空压机缸体润滑为自身润滑，润滑油通过缸体运行自动带动润滑油润滑，如果电机转速过低，供油油压降低，缸体的润滑会变差，加快磨损;在设备改造完成后试车时，发现润滑油压远低于0.25 MPa。经研究决定，采用外部供油方式解决润滑油压不足的问题，将自身油循环系统改为由一台1.1 kW独立油泵电机拖动实现润滑，试车成功。

(2)由于该公司空压机为L型双缸二级复动水冷空气压缩机，因此为保证空压机的正常工作，必须保证气缸运行在正常温度范围内，必须严格要求冷却水温度和压力。同样，为保证空压机的正常润滑，必须要求润滑油压达到额定压力，因此将水压、油压信号作为空压机正常起车运行的必要条件，通过在PLC内部编写相应的连锁保护程序，同时外部串入明显的开点实现，这样将使空压机运行更加稳定，为防止管网压力变送器损坏，将压力高信号编入PLC内停车，防止出现管网压力超高事故。

(3)由于空压机采用变频控制方式运行时，系统能根据用户设定压力和压力反馈自动调节电机转速，实现恒压控制，所以当生产用气量较小时，空压机电机可能将长时间处于低速打压状态，不利于电机自冷风扇的散热，从而导致电机温升过高甚至烧毁电机绕组。因此，在编写PLC程序时，将频率低于15 Hz作为变频器自行停车条件之一，杜绝电机长期低频率、大电流运行。

(4)为了方便统计空压机用电量，通过使用西门子PLC S7－300的循环中断OB35编写程序，进行用电量统计，同时在WINCC监控画面上做出趋势图，这样可以更加直观地了解实际用电量，能间接反应生产线设备的用气情况。PI7800变频器模拟量输出选项如表2所示，输出功率设定值为7，输出信号范围定义为0～200%(即实际输出功率可显示2倍电机额定功率)。本设计中选用模拟量输出端子 DA1输出功率信号，即F69.o06=7，输出信号选择电流信号4～20 mA。由于变频器模拟量默认为电压输出，选择电流输出时需要用连片短接控制板上的JP3针脚DA1C，如图2所示。相应参数设置:F69.o08=20、F69.o09=100。

3 空压机变频恒压控制的优点

空压机进行恒压变频改造后，由于空压机起动具有软起动功能，因此起动、打压时的电流上升更加平缓，降低了起动冲击电流和起动瞬间给空压机带来的机械冲击;空压机根据用气量自动调节电机转速，电机运转频率低，二级缸温度降低，机械转动噪声变小，轴承磨损相对减小，设备维护量变小，延长了空压机使用寿命;空压机采用恒压变频改造后，由于采用PID闭环恒压自动调节控制方式，提高了管网压力控制精度，保证了供气质量;空压机根据用气量自行调节输出功率，电机平均总功耗下降，运行功率因数提高，变频改造前空压机在打压时的平均运行电流是200 A，卸载时的平均运行电流是90 A，变频改造后空压机电机的运行频率约为27 Hz，变频器输出电流约为160 A。

表2 变频器模拟量输出选项

图2 DA1电流输出端子选择

4 空压机变频改造效益分析

在节电方面，通过实际测量耗电量改造后，每小时平均节电13°，每年节电量约为1.1万度，按照电价每度0.6元计算，每年平均节约费用6.8万元;在机械磨损方面，改造完成后空压机二级排气平均温度约为95℃，最高未超过110℃，在一定程度上降低了机械磨损，同时也节约了设备检修和备件消耗费用;间接经济方面，恒压变频改造完成后，电机转速降明显低，每天润滑油消耗量比以前节省约1/2，按照油价平均价格1 600元计算，每年节省润滑油费用约0.8万元(冬季19#润滑油，价格1 700元，夏季13#润滑油，价格1 500元，一年共计10桶)。