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        BD330系列變頻器在螺桿空壓機上的應用方案



        一、引言 

        空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備,主要有吸氣、壓縮、作功輸送和排氣四個主要過程。已有幾百年的應用歷史,在機械結構方面也經過了100年的發展,原理是成熟的,但大容量的空壓機在工作過程的帶載啟動和泄載一直是一個難題。在結構上分常見有活塞式、螺桿式、離心式和渦旋式空壓機等。它的用途廣泛,可以用于冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石油化工等各個行業,是各種工廠、筑路、礦山及建筑行業的必備設備??諌簷C占大型工業設備(風機、水泵、鍋爐、空壓機等)耗電量的15%。經考察,大部分空壓機自身存在著以下幾個缺點:

        1.當輸出壓力大于一定值時,自動打開泄載閥,使異步電動機空轉,屬非經濟運行,造成嚴重的能源浪費。

        2.異步電動機易頻繁的啟動、停止,影響電機的使用壽命。

        3.工作條件惡劣,自動排空放氣時噪音極大,造成環境污染。

        4.自動化程度低,輸出壓力的調節是靠人為調節閥的開度來實現的,調節速度慢,波動大,不穩定,精度低。

        5.空壓機工頻啟動電流大,對電網沖擊大,電機軸承磨損大,設備維護量大。

        6.上下限壓力不易調節。壓力調得太小則易造成不斷的起停而燒毀電機及電磁開關;調節的太大則易造成管路的高壓力、高的傳送損失、漏氣、管路破裂的危險,而且壓力范圍太大也無法滿足現代化工藝要求。

        綜上所述,可用變頻器對現用的空壓機系統進行改造,以建立恒壓供氣系統,從而達到節電、減少噪音、降低設備磨損、減少電網沖擊、提高功率因數、起到穩定產品質量的效果。近年來,通過變頻調速技術改變空壓機電機的轉速,而且空壓機的供氣流量隨著用氣流量的改變自行調節,達到真正的供需平衡,在節能的同時,也可使整個系統達到最佳工作效率,變頻空壓機成為空壓機市場的發展趨勢。

        二、空氣壓縮機機組簡介

        1.工藝流程

        由電動機直接驅動壓縮機,使曲軸產生旋轉運動,帶動連桿使活塞產生往復運動,引起氣缸容積變化。由于氣缸內壓力的變化,通過進氣閥使空氣經過空氣濾清器進入氣缸,在壓縮行程中,由于氣缸容積的縮小,壓縮空氣經過排氣閥的作用,經排氣管,單向閥(止回閥)進入儲氣罐,當排氣壓力達到額定壓力時由壓力開關控制而自動停機。當儲氣罐壓力降至下限壓力時壓力開關自動聯接啟動,如此反復工作。

        2.系統配置

        空壓機系統主要有動力傳輸系統(電動機驅動和柴油機驅動主機中轉子運動),空氣壓縮系統,(空氣從空濾進入機頭經壓縮后降溫,除油除水除雜質進入用氣單位)。冷卻潤滑系統(一般都是潤滑油全程參與氣體壓縮,減少阻力并作為熱力傳導介質,后與氣體分離,冷卻后再參與氣體壓縮)。

        三、空壓機變頻改造原理介紹(以螺桿機為例) 

          變頻調速技術近年來發展迅速,并在許多領域發揮了重要的作用。由于許多螺桿式空壓機運行方式是加載、減載方式。減載時電機空轉,那么能源都被白白的浪費了,而電動機轉速自身不能改變,只能通過改變電機頻率來調節轉速。變頻控制即通過改變電動機的轉速來控制空壓機單位時間的出風量,從而達到控制管路的壓力。原理如下:通過壓力變送器測得的管網壓力值與壓力的設定值相比較,得到偏差,經PID調節器計算出變頻器作用于異步電動機的頻率值。由變頻器輸出的相應頻率和幅值的交流電,使電動機上得到相應的轉速。那么空壓機輸出相應的壓縮空氣至儲氣罐,使之壓力變化,直到管網壓力與給定壓力值相同。

        四、空壓機變頻改造方案

        1.系統方案實例

        空壓機拖動系統具有恒轉矩性質,電動機的軸功率PL與轉速n 成正比。大多處于長時間連續運行狀態,但負載大小常有變動,為連續變動負載。飛輪力矩大,故要求有較大的啟動轉矩。啟動次數少,對升、降速時間無特殊要求。大多有自動卸載與裝載裝置,在自動卸載或裝載時,負載將突變。

        由于空壓機不排除在滿負荷狀態下長時間運行的可能性,所以,選型時要按照最大需求來確定變頻器功率,變頻器要留一些余量。傳統空壓機大多是采用星三角降壓啟動,但工頻啟動時電流仍然能達到額定電流的23倍,沖擊大,會影響到電網的穩定性。且大多數空壓機是連續運行,由于一般空壓機的電機本身不能根據壓力需求的變動來實現降速,使電機輸出功率與現場實際壓力需求量相匹配,導致在用氣量少的時候仍然要空載運行,采用富凌空壓機專用變頻器改造后,可以根據壓力信號調整電機轉速,平穩的調整儲氣罐壓力,減小對電網的沖擊,達到節能的目的。

        以某機械廠使用的一臺英格索蘭EP100螺桿式油冷型空壓機為實例,電動機的功率為75KW,最大的空氣壓力為0.86MPa。設備改造前空壓機工作在工頻狀態,壓力采用兩點控制(上、下限控制),即當空壓機氣缸內壓力達到設定值上限時,空壓機通過本身的油壓關閉進氣閥;當壓力下限降到設定值下限時,空壓機打開進氣閥,調節壓力為0.6MPa,超過設定壓力則空壓機卸載。由用氣車間生產的工作狀況決定了用氣量的時常變化,這樣就導致了空壓機頻繁的加載和卸載。加載時電機電流為120A,卸載時電機電流為60A,對電動機、空壓機和電網沖擊較大。另外卸載運行時不產生壓縮空氣,電動機呈空載狀態,其用電量為滿負荷的60%,浪費較大。

        在保留原工頻系統情況下,增加變頻系統,做到了工頻∕變頻互鎖切換。通過外部控制電路,使空壓機啟停操作步驟如前,原有監控儀表的油溫、油壓等儀表仍然保留使用。本系統采用壓力閉環控制,在原來的壓力儲氣罐上加裝一個壓力傳感器,將壓力信號轉換為4~20mA的電流信號送到變頻器內部的PID調節器,調節器將信號與壓力設定目標值進行比較運算后輸出控制信號。變頻器依據該信號輸出頻率,改變電動機的轉速,調節供氣壓力,保持壓力的恒定,使空壓機始終處于節電經濟運行狀態。

        2.空壓機系統圖示

         

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        3.改造基本原理圖

         

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        4.參數設定

        序號

        功能碼

        名稱

        設定值

        設定值意義

        1

        F0.01

        運行指令通道

        1

        端子控制

        2

        F0.03

        頻率指令選擇

        5

        采用PID調節

        3

        F0.06

        下限頻率

        20Hz


        4

        F1.01

        電機額定功率

        根據電機設定

        電機額定功率

        5

        F1.02

        電機額定頻率

        根據電機設定

        電機額定頻率

        6

        F1.03

        電機額定電壓

        根據電機設定

        電機額定電壓

        7

        F1.04

        電機額定電流

        根據電機設定

        電機額定電流

        8

        F2.03

        多段速一

        12


        10

        F2.14

        CI下限值

        2.10

        CI端子對應下限值

        11

        F4.19

        按實際需要壓力設定


        PID給定值

        12

        F4.20

        PID反饋

        1

        CI模塊電流輸入

        13

        F4.22

        PID比例增益

        5.0

        此參數可調節PID調節的快慢

        14

        F7.27

        頻率給定低于下限時動作

        0

        低于下限值時以下限頻率運行

        15

        F4.30

        多段速一

        40.0

        以20Hz運行

         

        控制接線圖:

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               變頻改造接線圖                                 改造前空壓機控制電路

         

        5.注意問題

        電動機經過變頻器變頻運行后,轉速降低,其電機風扇的散熱效果也降低??諌簷C的轉速越低,潤滑油的耗量也就越小,其潤滑效果越差。在滿足生產工藝的要求下,壓力設定越低,電動機耗電就越小。故綜合節能效果和空壓機的機械特性,把系統壓力設定在為0.6MPa運行。既滿足空壓機散熱和潤滑的需要,又能降低電能損耗。

        6.節能效果

        使用變頻器前空壓機用電為58度/小時,使用變頻器后加載電流為107A,卸載電流為45A。因采用了PID控制,頻率在27Hz~46Hz,工作壓力在0.6MPa左右,用電量為45度/小時,每小時節電為13度。

        每月節電量=13度×24小時×30天=9360度。

        每月節約電費=9360度×1.00元/度=9360元。

        經濟效益明顯,投資回報率很高。

        五、空壓機變頻改造后的效益

        1.節約能源。變頻器控制壓縮機與傳統控制的壓縮機比較,能源節約是最有實際意義的,根據空氣量需求來供給的壓縮機工況是經濟的運行狀況。

        2.運行成本降低。傳統壓縮機的運行成本由三項組成:初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本大約占壓縮機運行成本的77%。通過能源成本降低44.3%,再加上變頻起動后對設備的沖擊減少,維護和維修量也跟隨降低,所以運行成本將大大降低。

        3.提高壓力控制精度。變頻控制系統具有精確的壓力控制能力。使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高,所以它可以使管網的系統壓力變化保持在3pisg變化范圍,也就是0.2bar范圍內,有效地提高了工況的質量。

        4.延長壓縮機的使用壽命。變頻器從0HZ起動壓縮機,它的起動加速時間可以調整,從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊,增強系統的可靠性,使壓縮機的使用壽命延長。此外,變頻控制能夠減少機組起動時電流波動,這一波動電流會影響電網和其它設備的用電,變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減少到最低程度。

        5.降低了空壓機的噪音。根據壓縮機的工況要求,變頻調速改造后,電機運轉速度明顯減慢,因此有效地降低了空壓機運行時的噪音。

        六、結束語

        綜上所述,由于空壓機可以在保證生產所需要的最低壓力下運行,電機輸入功率大大下降,輔以壓力閉環控制,實現空壓機的供氣壓力與轉速的動態匹配,減少了電機的實際輸入功率,達到節能目的。即電機的轉速由供氣壓力來控制,壓縮機需要多大的功率,電機就輸出多大的功率,而不必做無用功,從而取得良好的節能效果,節能的第二方面是空壓機停止了空轉,電機不存在輕載運行,這部分能量很可觀。相應帶來的其它好處是:供氣壓力穩定,通過壓力調節器,可使空壓機保持在設定的壓力值下工作,壓力穩定可靠性高,而且壓力可以無級設定,隨時可調。電機實現軟啟動,壓縮機的使用壽命及檢修周期都將得到大大延長??諌簷C排氣量由空壓機的轉速來控制,氣缸內氣閥片不再反復地開啟和關閉,閥座、彈簧等工作條件大大改善,避免了高溫、高壓氣體急劇的流動與沖擊,維修工作量減少。

         


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