空压机电气控制系统的变频改造及效果分析

田伟平

（西山煤电机电修造园区新恒源分公司，山西 太原 030053）

引言

空气压缩机为综采工作面提供动力源仅次于电能的关键设备，由于设备本身结构的原因导致其存在明显的技术缺陷。实践表明：当空压机的输出的压力超过一定限值时，设备的卸荷阀会自动打开，导致设备出现空转的现象，进而造成电能的浪费。此外，空压机异步电机的频繁启停还会造成对设备电网的冲击，对设备寿命和可靠性造成威胁。为此，实现空压机的变频调速改造势在必行，刻不容缓[1]。本文着重对空压机电气控制系统进行变频改造，并对改造后的效果进行验证。

1 空压机电气控制系统变频改造的总体设计

本文以螺杆式空气压缩机为例。空气压缩机在电动机驱动的作用下，将经空气过滤器过滤后的空气进行压缩并由喷油对压缩过的空气进行冷却和润滑；而后在油气分离器的作用下对冷却润滑后的压缩空气进行油、压缩空气的分离操作，并将分离后空气储存于储气罐中，以备后期使用。

本文着重实现空压机的变频调速功能，以解决设备耗能大的问题。鉴于空气压缩机的最终目的是获取一定压力的压缩空气，因此可通过控制最终压缩空气的出口压力实现对空气压缩机的节能改造。而对于特殊行业而言，对空压机出口气体压力的要求是不变的[2]。因此，只能通过控制空压机的进出口压差实现对设备的变频节能改造，其变频节能改造的总体原理框图如图1 所示。

如图1 所示，PLC 通过对管路中的压力和变频电机输出频率进行比对，进而对变频电机进行控制，以达到节能运行的目的。

图1 空压机变频节能改造总体原理框图

2 空压机电气控制系统变频改造的设计

目前，在实际应用中空压机常采用两台电机并联运行进行控制，使其根据负载的变化实时控制电机转速，进而达到节能生产的目的。因此，对于双电机并联驱动的空压机而言，提出如下控制要求：一是要求电机采用一用一备的工作模式。二是一台电机为主控电机（1 号）且在正常工况下其处于工频运行状态，当1 号电机运行频率达到极限且进出口压差还很大时，2 号电机启动进行变频操作，此时1 号电机切换为工频运行；当2 号电机的变频运行效率很低且进出口压差很小时，1 号电机停机，2 号电机仍以变频运行[3]。三是为提升空压机变频调速功能的可靠性，采用PLC 控制器为核心的控制系统，实现对空压机变频电机在工频、变频运行模式的切换。变频器的切换工作如图2 所示。

2.1 空压机变频改造的硬件设计

图2 空压机变频切换示意图

如图2 所示，实现空压机变频改造的核心是为其电气控制系统选择最佳的变频器和PLC 控制器。就变频器而言，其选型主要依据变频器的容量，并对变频器的类型及变频器能否满足电网与变频器的切换、瞬时停电再启动的功能等提出要求。

为满足空压机系统机械部件的调速控制需求，本方案选用功能更为强大的通用变频器。当前空压机系统中对应电机在满载时电流值最大的电机为系统配置的主电机，其电流值为69.8 A，根据式（1）计算可得：

式中：Imax为空压机系统中主机或风机的最大电流值，IN为对应选型变频器的额定电流值。

经计算可得，对于空压机的主电机而言，其对应变频器的额定电流值需满足≥76.78 A 的要求，综合比对产品最终针对空压机主电机所选型变频器的型号为三菱厂家的FR-F740-45K-CH，该产品对应额定电流值为85 A；对于空压机系统中的风机而言，其在满载状态下的最大电流值为29.4 A，则对应变频器的额定电流值需满足≥32.34 A 的要求，综合比对产品最终针对空压机主电机所选型变频器的型号为三菱厂家的FR-F740-18.5K-CHT，该产品对应额定电流值为35 A[4]。

在变频器选型的基础上，为确保空压机电气控制系统变频改造后的闭环控制效果，结合PLC 控制CPU 模块、输入/输出模块、通信模块以及存储器模块功能需求，本方案选用三菱FX2N 系列的PLC 控制器。根据空压机电气控制系统变频改造后的控制思路及控制要求，针对PLC 控制器设计如图3 所示的接线图。

经改造后的空压机变频调速控制系统主要由变频器、PLC 控制器、接触器和压机监测装置等组成。在实际运行中，PLC 控制器可对空压机主电机、风机电机等实现工频、变频运行的切换，并在切换到的同时根据负载及电机变频器的运行状态对空压机电机转速进行控制，从而达到节能运行的效果。

2.2 空压机变频改造的软件设计

空压机变频改造的软件设计主要是完成PLC控制器程序控制流程图及程序的编写（鉴于篇幅有限，此处不列出PLC 主控制程序的流程图）。

此外，为提升经变频改造后空压机的抗干扰性能，提升其运行的可靠性，针对综采工作面相对恶劣的工作环境，将采取如下抗干扰措施：将控制系统的输入/输出信号电缆与供电电缆分开铺设，如需必要或条件允许，分别在信号电缆和供电电缆外层包裹屏蔽材料；务必将电缆中备用电芯接地，在增加电缆屏蔽作用的同时，避免外部信号对电缆信号的干扰；尽可能地采用双芯屏蔽线作为信号传输线，并将低电平信号的传输与其他信号线分开[5]。

图3 空压机变频调速系统PLC 控制器接线图

3 改造效果分析

将上述改造方案应用于实际生产中，并对改造前后设备的运行参数进行对比可得：改造后空压机所获得压缩空气的压力更加稳定，其压力值为0.6 MPa，电网的电流值也相对平稳；空压机在运行一段时间内的平均电流值由原先的68 A 降低至49 A，对应的功率值由原先的36 kW 降低至26 kW。

现场试验的节能效果分析如下：按照空压机每天工作8 h，每年工作350 d 计算。对于主电机，改造前耗能为36 kW×8 h×350=100 800 kWh，改造后耗能为26 kW×8 h×350=72 800 kWh。则，改造后每年可节约电能为28 000 kWh。

4 结论

1）采用三菱系列的变频器与PLC 控制器相结合的改造思路，将空压机电气控制系统改造为可根据管网压力差及电机运行频率对设备主电机和风机的变频电机进行变频调速控制。

2）经对空压机电气系统变频改造后所获得压缩空气的压力更加稳定，为0.6 MPa；空压机运行的平均电流和功率明显降低，且每年可节约电能为28 000 kWh。