节能型压缩机控制系统设计

张忠莲 张国敏

(山东省循环经济促进会,山东济南 250012)

节能型压缩机控制系统设计

张忠莲 张国敏

(山东省循环经济促进会,山东济南 250012)

针对空气压缩机能源耗费量大的问题,提出了一种基于变频技术的系统优化设计方法,实现了一套以变频器为控制核心的智能型节能控制系统。经过实践验证,该方法节电效果明显。使用该方法对空气压缩机进行优化设计可以提高压缩机的使用效率,实现节能减排。

矿用空气压缩机 变频技术 节能减排 优化设计

1 引言

能源枯竭、资源浪费是全球人们面临的共同性问题。在不可再生能源匮乏严重的前提下，如何提高能源利用效率，减少能源消耗已经成为各个行业亟待解决的难题。螺杆压缩机以其结构简单、重量轻、零件整体性好不易损坏的特点赢得许多行业的广泛关注。尤其是其平衡性好、振动小、以及容积率高，因此成为各个行业中最常用的压缩机机型之一。然而，螺杆式压缩机使用噪声大，工作时需要单独配置一套辅助设备，用于润滑油过滤、分离、冷却和加压。因此不可避免的造成能源消耗比较大。螺杆空气压缩机功率少则几十千瓦，多则上百，大型的压缩机功率甚至达到10000kW，假设能量损失在10%-20%，浪费能源将高达1000kW-2000kW；对于小型的压缩机虽然单个浪费能源量不大，但由于使用比较普遍，浪费总量也不容易忽视。因此研发出新型、环保、高效、节能的螺杆压缩机，即符合当前可持续发展社会对降低成本的需求，又符合减少能源消耗的发展战略要求。

变频是通过改变供电频率调节负载，从而达到降低功耗，延长设备使用寿命以及减小损耗的目的，其核心是变频器。变频器是一种可以改变供电频率的装置，通过改变供电频率，可以实现电动机运转速度率的自动调节，通过变频技术可以使得负载较小时采用较低功耗的输入，负载大使采用较高的输入，因此达到节能的目的。

图1变频技术的空气压缩机控制系统硬件组成

图2 PID控制效果仿真曲线

目前以中央空调内的压缩机为代表的各类压缩机已经开始广泛使用变频技术。在文献[1]采用对理论分析和数学模拟的方法优化设计了转子型线等参数之间的内在规律，因此提高了压缩机工作效率。穆安乐[2，3]则是从整机的角度考虑了泄露和损失对压缩机使用效率的影响，通过优化设计转子端面型线和转子几何特性值计算提高了整机的使用效率。另外，外部传动方式的优化等也是提高使用效率的有效手段。对机械结构优化的方法可以提高传动和运行效率，然而螺杆式压缩机，辅助设备耗能占据总耗能的很大比例。因此，提高螺杆式压缩机的效率需要兼顾压缩机系统的传送节能和辅助系统节能。变频技术具有优异的调速和启制动性能、效率高、功率因素高和节电效果明显的特点[4-7]，因此广泛应用于各类压缩机的设计当中。

1.1 变频调速原理

空气压缩机通常利用加压和卸载压力的方式使空气压力维持在一定范围。当空气压力达到最佳工作压力后，电机继续转动，会导致空气压力继续上升，而当上升超过指定范围后，压缩机会自动泄压，从而导致了能量损失。矿用螺杆式压缩机的电动机一般都是三相异步电动机，其转速可以表示为：

其中， n为电机转速， f表示激励电源的频率， p为电机极对数， S是转速差。变频技术的基本原理就是通过调节电源的频率，从而达到调节转速的目的。

调速的原理就是通过测量气缸内气体的压力，将其作为闭环的速度反馈，通过和给定的压力进行比较，得到偏差，将此信息传输到变频器后，可以对电机转速进行重新的控制和调节从而使压力能够维持在一定范围内。

1.2 PID算法原理

PID算法的要素包括测量、比较和执行。其过程主要是将关心的变量进行测量，并与期望值相比较得到的偏差可以用于调节控制系统的相应。PID控制器由比例单元、积分单元和微分单元组成，输入和输出的关系可以表示为：

其中 e(t)和 u(t)分别代表了输入和输出信号， Kp、 Ti、 Td分别代表了比例系数、积分时间常数和微分时间常数。在压缩机调速系统中，针对系统稳定性、响应速度、稳定精度等指标， Kp、 Ti、 Td的作用如下：

比例环节 Kp：能够反映出输入和输出之间的偏差转速，当偏差不为零时产生控制作用，从而达到减少偏差的目的。 Kp数值的大小与系统响应速度和调节精度都成正比，但与系统稳定性成反比。

积分环节 Ti：用于提高系统的误差度。积分时间常数越大则积分作用越明显，静态误差消除的也就越快，但过大则会在响应初期产生饱和，影响到系统的超调量。

微分环节 Td：用于反映偏差转速的一个变化速率，改善系统的动态特性. Td越大则系统的动态特性越好，但过大时会导致提前制动，影响系统的响应速度。

2 节能系统实现

2.1 系统的硬件实现

结合某型矿用空气压缩设备的使用环境，本文给出了基于变频技术的空气压缩机控制系统。其硬件组成如图1所示。

其中，系统采用西门子公司S7-200系列的PLC作为系统的主控单元，用于连接变频器以及实现PID智能控制。选用该系列PLC的好处是容易添加扩展模块，例如在本系统中在该PLC中扩展数模扩展模块EM235可以直接将测量到的压力数据和设定好的数据进行比较。通过变频器可以改变电源频率从而达到调速的目的。压力传感器用于测量气缸中空气的压力，从而和给定压力进行对比。由于压力测量结果的准确性直接影响到了调节的精度，本文中增添了温度传感器，通过对温度的测量从而对压力传感器进行温度补偿，因而提高了压力传感器测量的准确性。

2.2 系统的软件实现

本文当中的控制系统的核心在于利用PID算法对电动机转速进行调节。由于S7-200系列的PLC提供了PID预算指令，可以通过逻辑图编程直接实现核心算法。当系统启动后，通过读取人机交互参数可以得到设定的压力值，电动机带动压缩机对空气进行压缩，此时，PLC不断读取压力传感器采集得到的空气压力值，通过处理后与设定的压力值进行对比，作为输入进行PID调节，得到调整的参数后控制变频器改变电源频率，并不断重复测量、比较和调整的过程，达到维持气缸内部空气压力值的目的。

3 实验结果分析

系统完成后，需要通过测试不断完善PID的控制参数。本文在matlab中对PID算法进行了仿真，并得到在P设定为22，I设定为0.8，D设定为12时可以得到较好的控制效果，仿真结果如2图所示。

从图2中可以看出在选用该参数时，控制性、系统超调量、动态响应都可以得到实际工程要求。将该方法用到某矿用空气压缩机后，系统可以达到25%以上的节电率。空气压缩机通常是24小时不停运转。因此单台机器每月产生的经济效应可以计算如下：

因此，采用变频技术对系统进行控制可以得到明显的节能效果。

4 结语

空气压缩机通常利用加压和卸载压力的方式对气缸内空气压力进行调节。这种粗放式的压力调节方式常常导致大量的能源浪费。本文提出了一种基于变频技术的空气压缩机控制方法，基于matlab仿真得到了最优的控制参数。将该方法只需在原有设备的基础上增加控制系统旁路即可。系统实现方法简单，从实际应用效果来看，节能率可以达到25%，节能效果明显。

[1]邢子文,吴华根,束鹏程.螺杆压缩机设计理论与关键技术的研究和开发.西安交通大学学报,2007(07)：第755-763+810页.

[2]穆安乐，等.螺杆压缩机整机优化目标函数的确定.压缩机技术,2003(01)：第7-10页.

[3]穆安乐，等.螺杆压缩机整机优化设计.压缩机技术,2003(03)：第20-23页.

[4]石毅登，等.采用变频技术的制冷装置的优势分析.制冷与空调,2004(05)：第59-62页.

[5]石磊.数码涡旋与变频技术的对比分析.制冷技术,2006(02)：第25-27+31页.

[6]杜书有.我国变频技术的发展与应用.矿山机械, 2007(04)：第119-121页.

[7]彭晓晖.变频技术的发展应用及普及前景.有色冶炼,2002(06)：第146-148页.