空压机变频调速控制系统的设计

2020-06-10王成龙

机械管理开发 2020年4期

关键词：螺杆式空压机变频

王成龙

（山煤集团煤业管理有限公司，山西太原 030006）

引言

空气压缩机在实际生产中存在耗能大、维修程序复杂、维修成本高等问题，而且空压机在实际生产中处于空载运行的状态比例较大，造成大量人力、物力的浪费，大大增加了生产成本，造成不必要的浪费

[1]。传统空压机调速系统采用继电器+逻辑控制器的组合，存在可靠性差、维护困难等特点。因此，需要对空压机调速系统进行改造，以保证其满足生产需求的同时消耗最少的能量。

1 空压机的概述

1.1 空压机的分类

根据空压机的工作原理可将其分为容积式空压机和速度式空压机。其中，容积式空压机是将空气压缩后使其气体的动能得到增加，而后将空气动能转换为压力能；容积式空压机包括有往复式和旋转式。速度式空压机通过涡轮旋转使得空气获得较大的动能，进而使气体的动能变成势能；速度式空压机包括有离心式、轴流式等[2]。

本文所研究的空压机类型为螺杆式空压机，属于容积式空压机的一种。该空压机具有可靠性高、维修方便、适应性强等优势。但是，螺杆式空压机在工作时噪声较大，且其工作时需各种辅助设备进行配合，导致螺杆式空压机的体积较大。

1.2 空压机在应用中存在的问题

如图1 所示，空气进入系统需经过滤器消除其中的杂质和灰尘，经过滤的空气与润滑油混合后进入压缩主机，而后被压缩的混合气体经两次油气分离后待其被压缩到0.45 MPa 时，最小压力阀被打开，流入冷却器中等待使用。目前，螺杆式空压机应用主要存在的问题总结如下：

图1 螺杆式空压机工作流程示意图

1）由于空压机控制系统的滞后性导致其在加载阶段会消耗大量的电能；卸载时，空压机自动打开卸荷阀使得电机空转，期间未向工作面输送压力，造成能量的浪费。经统计，空载时能耗约为满载状态时的40%左右[3]。

2）空压机启动时瞬时大电流会对电网造成冲击，从而影响整个工作面设备运行的安全性。

3）当前空压机控制系统主要依靠机械部件对其压力进行控制，存在控制滞后性大、压力波动较大，使得系统输出的压力不稳定。

2 空压机变频调速系统的总体设计

为解决螺杆式空气压缩机传统控制系统的弊端，本文采用PLC 控制器+变频器的控制思路。其控制原理为由系统中的监控系统对空压机现场工作参数进行监测，而后传入至PLC 控制器中，根据控制需求得出相应控制指令传送至其调节器中，由变频器控制电压的频率，从而实现对电机转速的控制，进而实现对空压机压缩速度的调整[4]。空压机变频调速系统的总体设计方案如下页图2 所示。

如图2 所示，空压机变频调速系统的组成主要可以分为可编程控制器（PLC）、变频器以及各类监测传感器和巡检仪。基于PLC 实现对空压机多种控制模式的切换控制，基于变频器实现对空压机排风量的控制。

3 空压机变频调速系统的设计

3.1 空压机变频调速系统硬件的设计

空压机变频调速系统的硬件组成及其相关通信关系如下页图3 所示。

如图3 所示，变频器对空压机的转速进行控制；传感器对空压机的运行状态参数进行监测，并由巡检仪传送至PLC 控制器；PLC 控制器可实现对空压机设备的启停控制；上位机对PLC 控制器实现远程控制，PLC 将所获取的参数数据上传至上位机[5]。

根据现场控制要求及环境特点，本变频调速系统中所需的各类传感器的选型结果如表1 所示。

图2 空压机变频调速系统总体设计方案

图3 空压机变频调速系统硬件关系

表1 变频调速系统传感器选型结果

3.2 变频调速功能的设计

变频器为实现空压机变频调功能的核心，本系统选用变频器的理由如下：变频器有利于实现系统的智能控制；变频器的应用能够减少机械阀的开启闭合次数，进而间接提高机械部件的使用寿命；基于变频器能够实现空压机的软启动，进而减小了启动阶段大电流对系统所造成的冲击；从长期角度考虑，变频器的应用能够明显达到节能的效果。

基于对现场控制要求及应用环境的分析，所选变频器的型号为FR-A740-CHT，并将其与三菱公司的PLC 控制器配合使用。基于变频器实现对空压机的“一控三”，此举不但减少了设备费用，还能够实现空压机在变频和工频两种方式下相互切换，接线图如图4 所示。

图4 变频调速功能实现的接线示意图

根据所选变频器的特征，为其配置三菱公司的PLC 控制器，具体型号为FX2n-64MR。

4 空压机变频调速系统软件的设计

根据控制需求设计如图5 所示的控制流程框图。

图5 变频调速系统软件控制流程

如图5 所示，首先启动变频器而后启动1 号空压机，若1 号空压机电机频率已达到上限值，而出风口处的压力仍然无法达到事先设定的压力值，则将1 号空压机切换至工频状态下运行，同时将2 号空压机切换至变频状态下运行。当2 号空压机电机频率运行至极限值后其出口风压值仍无法满足设定值要求，则将2 号空压机切换至工频运行，3 号空压机变频启动。当3 组空压机系统同时运行时，出风口压力逐渐增大其风量逐渐减小。当系统需完成任务后，按照启动先后次序一次关闭空压机。在运行期间，出现超温、断水等事故发生时，系统会启动另外一台空压机。