HC10系列IPLC智能控制器，主模塊最大點數(shù)達64點，靈活組網(wǎng)，支持CAN總線擴展，豐富的通訊接口、程序硬件加密保護。
解決方案
HD30在空壓機改造上的應(yīng)用
1 引言
空壓機是空氣壓縮機的簡稱，它是氣源裝置中的主體，是將原動機（通常是電動機）的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置。作為基礎(chǔ)工業(yè)裝備，空壓機在冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。
據(jù)不完全統(tǒng)計，空壓機占大型工業(yè)設(shè)備（風機、水泵、鍋爐、空壓機等）耗電量的15%，面對能源日趨緊張的國際形勢，如何降低空壓機運行所消耗的能源對于響應(yīng)國家節(jié)能降耗的政策以及提高企業(yè)的經(jīng)濟效益都具有十分重要的現(xiàn)實意義。
2 傳統(tǒng)空壓機加、卸載供氣控制方式存在的問題
傳統(tǒng)空壓機工作圖
能量損耗大
傳統(tǒng)空壓機加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin－Pmax之間來回變化。Pmin是能夠保證用戶正常工作的最低壓力值，Pmax是設(shè)定的最高壓力值。
一般情況下，Pmax和Pmin之間關(guān)系可用下式表示：Pmin = (1-δ) Pmax，式中δ值在10－20%之間。
如果采用變頻調(diào)速技術(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，則可使管網(wǎng)壓力始終維持在能滿足供氣的工作壓力上，即等于Pmin的數(shù)值。由此可見，加、卸載供氣控制方式浪費的能量主要在以下幾個部分：
a．壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量：
當儲氣罐中空氣壓力達到Pmin后，加、卸載供氣控制方式還要使其壓力繼續(xù)上升，直到Pmax這一過程需要電源提供空壓機能量，這是一種能量損失。
b．減壓閥減壓消耗的能量：
氣動元件的額定氣壓在Pmin左右，高于Pmin的氣體進入氣動元件前的壓力，這就需要用減壓閥將其減至接近Pmin，這同樣是一種能量損失。
c．卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量：
通常情況下，當壓力達到Pmax時，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進氣閥使空壓機不需要壓縮氣體做功，但空壓機的電機還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運動，此時，空壓機做無用功，造成能量的嚴重浪費。據(jù)測算，空壓機卸載時的能耗一般約占其滿載運行時的10－15%左右。
壓力不穩(wěn)，自動化程度低
傳統(tǒng)空壓機自動化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠加、卸載閥，通過調(diào)節(jié)閥的控制來實現(xiàn)的。調(diào)節(jié)速度慢，波動大，精度低，輸出壓力不穩(wěn)定。
工頻起動沖擊電流大
主電機雖然采用Y-△減壓起動，但起動電流仍然很大，對電網(wǎng)沖擊大，易造成電網(wǎng)不穩(wěn)以及威脅其他用電設(shè)備的安全運行。對于自發(fā)電工廠，數(shù)倍的額定電流沖擊，可能導致其它設(shè)備異常。
設(shè)備維護量大
空壓機工頻起動電流大，高達5－8倍額定電流，工作方式?jīng)Q定了加、卸載閥必然反復(fù)動作，部件易老化，工頻高速運行，軸承磨損大，設(shè)備維護量大。
工作條件惡劣、噪音大
持續(xù)工頻高速運行，超出工作壓力所需的額外壓力，反復(fù)加載、卸載，都直接導致工頻運行噪音大。
3 空壓機改造原理
變頻控制原理
根據(jù)異步電動機轉(zhuǎn)速公式：
式中，f為電源頻率，S為電動機轉(zhuǎn)差率，P為電動機的極對數(shù)。
當P和S確定后，電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變電機轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。
變頻節(jié)能原理
根據(jù)空壓機的運行特性可知，空壓機基本屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，用變頻調(diào)速的方法根據(jù)供氣量大小來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，能使電機的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比關(guān)系。
當用氣量減小時，排氣口壓力上升，通過閉環(huán)反饋給變頻器，使電機轉(zhuǎn)速降低，減小了軸輸出功率；當用氣量增加時，排氣口壓力下降，通過閉環(huán)反饋給變頻器，使電機轉(zhuǎn)速升高，增加了軸輸出功率。
因此，變頻空壓機系統(tǒng)通過壓力閉環(huán)，可實時跟蹤供氣系統(tǒng)負載變化，調(diào)整空氣壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，保證排氣口壓力恒定，使壓縮機電機工作在最經(jīng)濟的運行狀態(tài)下。避免了原控制方式空壓機頻繁的加載與卸載，頻繁地起動與停機，使得從電網(wǎng)吸收的電能大大下降。
4 空壓機改造方案
如前所述，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以有效的實現(xiàn)空壓機改造，HD30系列矢量控制變頻器內(nèi)置強大的PID調(diào)節(jié)功能，根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理設(shè)置PID參數(shù)，可達到較好的控制效果。
控制配線圖
控制方法說明
變頻調(diào)速系統(tǒng)以空壓機壓縮空氣的輸出壓力作為控制對象，由變頻器，壓力傳感器、電機、空壓機等組成閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)。
工作壓力值由變頻器PID調(diào)節(jié)給定通道確定，現(xiàn)場壓力由傳感器來檢測，轉(zhuǎn)換成0－10V電壓信號（也可轉(zhuǎn)換成電流信號）后反饋到變頻器，變頻器通過內(nèi)置PID進行比較計算，從而調(diào)節(jié)其輸出頻率，達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)電機輸出功率的目的。
由此可見只要調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，就可以調(diào)節(jié)電機軸輸出功率，也即調(diào)節(jié)了空壓機的輸入功率，使空壓機的制風量與用風量相匹配，達到恒壓供氣與節(jié)能的目的。
功能參數(shù)設(shè)置簡表
需設(shè)置的基本功能參數(shù)見下表。
控制流程詳細說明
當用氣量減小時，出氣閥出氣量減小，儲氣罐壓力上升，壓力傳感器的電壓信號值增大，送至變頻器的反饋量增加，當PID反饋壓力≥PID給定壓力時，通過PID調(diào)節(jié)功能，變頻器將減速運行，電機轉(zhuǎn)速降低，進氣閥進氣量減小，當?shù)竭_PID調(diào)節(jié)器下限頻率時，以下限頻率恒速運行。
而當用氣量增加時，出氣閥出氣量增加，儲氣罐壓力下降，壓力傳感器的電壓信號值減小，送至變頻器的反饋量減小，當PID反饋壓力＜PID給定壓力時，變頻器將加速運行，電機轉(zhuǎn)速增大，進氣閥進氣量增加，當達到PID調(diào)節(jié)上限頻率時以上限頻率恒速運行。
5 空壓機改造后的優(yōu)點
運行成本降低
用電成本大約占壓縮機運行成本的72%。通過變頻器用電大約降低18%，再加上變頻起動后對設(shè)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，節(jié)約了能源。
提高壓力控制精度
由于變頻控制系統(tǒng)具有恒壓供氣控制模式，儲氣罐可以得到相對平穩(wěn)的供風壓力，有利于用風設(shè)備的安全運行，同時又減少了無用壓力提高而帶來的能耗支出，變頻控制空壓機的輸出氣量隨著電機轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力變化保持在0.2MPa范圍內(nèi)，有效地提高了工況質(zhì)量。
延長電機、空壓機等機械設(shè)備的使用壽命
變頻器從0Hz起動空壓機，它的起動加速時間可以調(diào)整，從而減少起動時對空壓機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統(tǒng)的可靠性，既保護了電動機，延長了其使用壽命，對電網(wǎng)而言又可以算是增加了系統(tǒng)的裝機容量，同時還延長了機械和模具的使用壽命。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(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減小到最低程度。
降低了空壓機的噪音
根據(jù)空壓機的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機運轉(zhuǎn)速度明顯減慢，因此有效降低了空壓機運行時的噪音?，F(xiàn)場測定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約5－10dB，設(shè)備動作更穩(wěn)，環(huán)境得到改善。
輸出壓力穩(wěn)定
采用變頻控制系統(tǒng)后，可以實時監(jiān)測供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中的氣體的壓力保持恒定，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
操作方便、保護功能完善
生產(chǎn)中不需要對節(jié)電設(shè)備進行調(diào)整，全程自動跟蹤控制，且有多種（過流、過壓、欠壓、電機過載、電機過熱等）保護功能，簡單、安全、方便。
設(shè)備維護量小
空壓機變頻起動電流小，小于2倍額定電流，加卸載閥無須反復(fù)動作，變頻空壓機根據(jù)用氣量自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，運行頻率低，轉(zhuǎn)速慢，軸承磨損小，設(shè)備使用壽命延長，維護工作量變小。
6 注意事項
安裝
安裝時，控制柜與壓縮機之間的配線不得超過30m，且與控制線保持一定距離，分開走線。控制回路的配線采用屏蔽雙絞線，接線距離在20m以內(nèi)。由于變頻器發(fā)熱量大，控制柜內(nèi)要裝散熱風扇，變頻器接地端子不可與動力接地混用。
調(diào)試
在完成變頻器的功能設(shè)定及空載運行后，可進行系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)試。
開環(huán)
此時，主要觀察變頻器頻率上升情況，即設(shè)備運行聲音是否正常、空壓機壓力上升是否穩(wěn)定、壓力傳感器顯示是否正常、設(shè)備停機是否正常等。如一切正常，則可進行閉環(huán)的調(diào)試。
閉環(huán)
主要依據(jù)變頻器頻率上升與下降的速度和空壓機壓力的升降相匹配，避免產(chǎn)生壓力振蕩。另外還要注意觀察機械共振點，需將共振點附近的頻率跳過去（可通過對F05.17－F05.20跳躍頻率相關(guān)參數(shù)進行正確設(shè)置）?？諌簷C是大轉(zhuǎn)動慣量負載，這種起動特點很容易引起變頻器在起動時出現(xiàn)過流保護的情況，采用具有高起動轉(zhuǎn)矩的無速度矢量控制變頻器，既能保證實現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運行。空壓機不允許長時間在低頻下運行，空壓機轉(zhuǎn)速過低，一方面使空壓機穩(wěn)定性變差；另一方面潤滑油壓力降低，使缸體潤滑度變差，會加快磨損。所以工作下限應(yīng)不低于20Hz。
為了有效濾去變頻器輸出端電流中高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減少電機運行噪聲與溫升，提高電機運行穩(wěn)定性。
建議功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機起動出現(xiàn)頻繁跳閘的情況。
7 結(jié)語
采用以上改造方案，能達到較為理想的節(jié)能效果，從而為客戶創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟效益。
為做出最為合理可行的改造方案，在改造過程中，應(yīng)認真分析設(shè)備工頻運行的歷史數(shù)據(jù)，計算節(jié)能空間，仔細分析設(shè)備的電路原理。
參考文獻：
深圳海浦蒙特科技有限公司 HD30系列矢量控制變頻器用戶手冊（V1.0）
文章轉(zhuǎn)自《控制與傳動》 2012年第九期
