空压机变频恒压供气控制系统的设计

1  引言
     空压机在工业生产中有着广泛地应用。在供水行业中，它担负着为水厂所有气动元件，包括各种气动阀门，提供气源的职责。因此它运行的好坏直接影响水厂生产工艺。
    空压机的种类有很多，但其供气控制方式几乎都是采用加、卸载控制方式。例如我厂使用的南京三达活塞式空压机、美国寿力螺杆压缩机和Atlas螺杆式空压机都采用了这种控制方式。根据我们多年的运行经验，该供气控制方式虽然原理简单、操作简便，但存在能耗高，进气阀易损坏、供气压力不稳定等诸多问题。
随着社会的发展和进步，高效低耗的技术已愈来愈受到人们的关注。在空压机供气领域能否应用变频调速技术，节省电能同时改善空压机性能、提高供气品质就成为我们关心的一个话题。结合生产实际，我们选择了一台美国寿力LS-10型固定式螺杆空压机进行了研究。

2  空压机加、卸载供气控制方式简介
    作者以美国寿力LS-10型固定式螺杆空压机电控原理图(如图3所示)为例,对加、卸载供气控制方式进行简单介绍。
SA1转至自动位置，按下起动按钮SB2，KT1线圈得电，其瞬时闭合延时断开的动合触点闭合，KM3和KM1线圈得电动作压缩机电机开始Y形起动;此时进气控制阀YV1得电动作，控制气体从小储气罐中放出进入进气阀活塞腔，关闭进气阀，使压缩机从轻载开始起动。当KT达到设定时间(一般为6秒后)其延时断开的动断触点断开，延时闭合的动合触点闭合，KM3线圈断电释放，KM2线圈得电动作，空压机电机从Y形自动改接成△形运行。此时YV1断电关闭，从储气罐放出的控制气被切断，进气阀全开，机组满载运行。(注:进气控制阀YV1只在起动过程起作用，而卸载控制阀YV4却在起动完毕后起作用。)
    若所需气量低于额定排气量，排气压力上升，当超过设定的小压力值Pmin(也称为加载压力)时，压力调节器动作，将控制气输送到进气阀，通过进气阀内的活塞，部分关闭进气阀，减少进气量，使供气与用气趋于平衡。当管线压力继续上升超过压力调节开关(SP4)设定的大压力值Pmax(也称为卸载压力)时，压力调节开关跳开，电磁阀YV4掉电。这样，控制气直接进入进气阀，将进气口完全关闭;同时，放空阀在控制气的作用下打开，将分离罐内压缩空气放掉。
当管线压力下降低于Pmin时，压力调节开关SP4复位(闭合)，YV4接通电源，这时通往进气阀和放空阀的控制气都被切断。这样进气阀重新全部打开，放空阀关闭，机组全负荷运行。

3  加、卸载供气控制方式存在的问题
3.1 能耗分析
    我们知道，加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。Pmin是低压力值，即能够保证用户正常工作的低压力。一般情况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示:
Pmax＝(1＋δ)Pmin  (1)
δ是一个百分数，其数值大致在10%～25%之间。
    而若采用变频调速技术可连续调节供气量的话，则可将管网压力始终维持在能满足供气的工作压力上，即Pmin附近。
由此可知，在加、卸载供气控制方式下的空压机较之变频系统控制下的空压机，所浪费的能量主要在2个部分:
(1) 压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量
在压力达到Pmin后，原控制方式决定其压力会继续上升(直到Pmax)。这一过程中必将会向外界释放更多的热量，从而导致能量损失。
另一方面，高于Pmin的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin。这一过程同样是一个耗能过程。
(2) 卸载时调节方法不合理所消耗的能量
    通常情况下，当压力达到Pmax时，空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。
关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再压缩气体作功，但空压机在空转中还是要带动螺杆做回转运动，据我们测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%～15%(这还是在卸载时间所占比例不大的情况下)。换言之，该空压机10%的时间处于空载状态，在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。
3.2 其它不足之处
    (1) 靠机械方式调节进气阀，使供气量无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力不可避免地产生较大幅度的波动。用气精度达不到工艺要求。再加上频繁调节进气阀，会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。
    (2) 频繁采用打开和关闭放气阀，放气阀的耐用性得不到保障。

4  恒压供气控制方案的设计
    针对原有供气控制方式存在的诸多问题，经过上述对比分析，本人认为可应用变频调速技术进行恒压供气控制。采用这一方案时，我们可以把管网压力作为控制对象，压力变送器YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PID智能调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器VVVF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。同时，该方案可增加工频与变频切换功能，并保留原有的控制和保护系统，另外，采用该方案后，空压机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击。
具体的控制系统流程图如图1所示。

图1     恒压供气控制系统流程图

    变频与工频电源的切换电路如图2所示; 空压机电控原理图如图3所示;变频调速控制系统接线图见图4。

5  系统元器件的选配及系统的安装与调试
5.1 元器件的选型
(1) 变频器

图2      变频和工频电源的切换电路
    LS-10型固定式螺杆压缩机电机型号:LS286TSC-4，功率22kW，频率50Hz，额定电压380V，额定电流42A，4极，转速1470r/min，我们选用一台“台达牌”VFD300B43A型变频器。因为LS-10型空压机是一种大转动惯量负载，因此选用加大一级变频器(30kW)，变频器的外部接线如图5所示。
a) 变频器的主要参数
    l 输出:大适用电机输出功率30kW，输出额定容量45.7kVA，输出额定电流60A

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