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海浦蒙特HD30矢量變頻器在空壓機(jī)改造上的應(yīng)用

更新時(shí)間:2017-05-08 14:46:49 點(diǎn)擊次數(shù):986次
1 引言
空壓機(jī)是空氣壓縮機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng),它是氣源裝置中的主體,是將原動(dòng)機(jī)(通常是電動(dòng)機(jī))的機(jī)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(jī)在冶金、機(jī)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(jì),空壓機(jī)占大型工業(yè)設(shè)備(風(fēng)機(jī)、水泵、鍋爐、空壓機(jī)等)耗電量的15%,面對(duì)能源日趨緊張的國(guó)際形勢(shì),如何降低空壓機(jī)運(yùn)行所消耗的能源對(duì)于響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗的政策以及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2 傳統(tǒng)空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問(wèn)題
                            傳統(tǒng)空壓機(jī)工作圖
能量損耗大
傳統(tǒng)空壓機(jī)加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin-Pmax之間來(lái)回變化。Pmin是能夠保證用戶(hù)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(mǎn)足供氣的工作壓力上,即等于Pmin的數(shù)值。由此可見(jiàn),加、卸載供氣控制方式浪費(fèi)的能量主要在以下幾個(gè)部分:
a.壓縮空氣壓力超過(guò)Pmin所消耗的能量:
當(dāng)儲(chǔ)氣罐中空氣壓力達(dá)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(guò)程需要電源提供空壓機(jī)能量,這是一種能量損失。
b.減壓閥減壓消耗的能量:
氣動(dòng)元件的額定氣壓在Pmin左右,高于Pmin的氣體進(jìn)入氣動(dòng)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(shí)調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量:
通常情況下,當(dāng)壓力達(dá)到Pmax時(shí),空壓機(jī)通過(guò)如下方法來(lái)降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使空壓機(jī)不需要壓縮氣體做功,但空壓機(jī)的電機(jī)還是要帶動(dòng)螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),此時(shí),空壓機(jī)做無(wú)用功,造成能量的嚴(yán)重浪費(fèi)。據(jù)測(cè)算,空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗一般約占其滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)的10-15%左右。
壓力不穩(wěn),自動(dòng)化程度低
傳統(tǒng)空壓機(jī)自動(dòng)化程度低,輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠加、卸載閥,通過(guò)調(diào)節(jié)閥的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。調(diào)節(jié)速度慢,波動(dòng)大,精度低,輸出壓力不穩(wěn)定。
工頻起動(dòng)沖擊電流大
主電機(jī)雖然采用Y-△減壓起動(dòng),但起動(dòng)電流仍然很大,對(duì)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(yùn)行。對(duì)于自發(fā)電工廠,數(shù)倍的額定電流沖擊,可能導(dǎo)致其它設(shè)備異常。
設(shè)備維護(hù)量大
空壓機(jī)工頻起動(dòng)電流大,高達(dá)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(dòng)作,部件易老化,工頻高速運(yùn)行,軸承磨損大,設(shè)備維護(hù)量大。
工作條件惡劣、噪音大
持續(xù)工頻高速運(yùn)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(dǎo)致工頻運(yùn)行噪音大。
3 空壓機(jī)改造原理
變頻控制原理
根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式:
式中,f為電源頻率,S為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率,P為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。
當(dāng)P和S確定后,電動(dòng)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速n,從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。
變頻節(jié)能原理 
根據(jù)空壓機(jī)的運(yùn)行特性可知,空壓機(jī)基本屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,用變頻調(diào)速的方法根據(jù)供氣量大小來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,能使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速(供氣量)成正比關(guān)系。
當(dāng)用氣量減小時(shí),排氣口壓力上升,通過(guò)閉環(huán)反饋給變頻器,使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,減小了軸輸出功率;當(dāng)用氣量增加時(shí),排氣口壓力下降,通過(guò)閉環(huán)反饋給變頻器,使電機(jī)轉(zhuǎn)速升高,增加了軸輸出功率。
因此,變頻空壓機(jī)系統(tǒng)通過(guò)壓力閉環(huán),可實(shí)時(shí)跟蹤供氣系統(tǒng)負(fù)載變化,調(diào)整空氣壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,保證排氣口壓力恒定,使壓縮機(jī)電機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)下。避免了原控制方式空壓機(jī)頻繁的加載與卸載,頻繁地起動(dòng)與停機(jī),使得從電網(wǎng)吸收的電能大大下降。
4 空壓機(jī)改造方案
如前所述,通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),可以有效的實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)改造,HD30系列矢量控制變頻器內(nèi)置強(qiáng)大的PID調(diào)節(jié)功能,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理設(shè)置PID參數(shù),可達(dá)到較好的控制效果。
控制配線(xiàn)圖
 控制方法說(shuō)明
變頻調(diào)速系統(tǒng)以空壓機(jī)壓縮空氣的輸出壓力作為控制對(duì)象,由變頻器,壓力傳感器、電機(jī)、空壓機(jī)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(chǎng)壓力由傳感器來(lái)檢測(cè),轉(zhuǎn)換成0-10V電壓信號(hào)(也可轉(zhuǎn)換成電流信號(hào))后反饋到變頻器,變頻器通過(guò)內(nèi)置PID進(jìn)行比較計(jì)算,從而調(diào)節(jié)其輸出頻率,達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率的目的。
由此可見(jiàn)只要調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,就可以調(diào)節(jié)電機(jī)軸輸出功率,也即調(diào)節(jié)了空壓機(jī)的輸入功率,使空壓機(jī)的制風(fēng)量與用風(fēng)量相匹配,達(dá)到恒壓供氣與節(jié)能的目的。
功能參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)表
需設(shè)置的基本功能參數(shù)見(jiàn)下表。
參數(shù)號(hào)
參數(shù)名稱(chēng)
設(shè)定值
功能備注
F00.01
速度控制方式選擇
0
無(wú)PG的V/f控制
F00.11
命令設(shè)定通道選擇
1
端子運(yùn)行命令通道
F03.01
加速時(shí)間
40.0
S
F03.02
減速時(shí)間
40.0
S
F04.00
過(guò)程PID控制選擇
1
PID控制有效
F04.01
給定通道選擇
0
數(shù)字給定
F04.02
反饋通道選擇
0
AI模擬量反饋
F04.03
給定數(shù)字量設(shè)定
5.00
V
F04.13
PID調(diào)節(jié)器上限值
50.00
Hz
F04.14
PID調(diào)節(jié)器下限值
20.00
Hz
F04.16
積分項(xiàng)調(diào)節(jié)選擇
1
積分項(xiàng)到達(dá)上限繼續(xù)積分
F04.18
PID輸出反轉(zhuǎn)選擇
0
PID調(diào)節(jié)禁止反轉(zhuǎn)
參數(shù)號(hào)
參數(shù)名稱(chēng)
設(shè)定值
功能備注
F08.00
電機(jī)1額定功率
根據(jù)電機(jī)銘牌參數(shù)設(shè)定
kW
F08.01
電機(jī)1額定電壓
V
F08.02
電機(jī)1額定電流
A
F08.03
電機(jī)1額定頻率
Hz
F08.04
電機(jī)1額定轉(zhuǎn)速
Rpm
F08.05
電機(jī)1功率因素
 
F15.00
DI1端子功能選擇
2
正轉(zhuǎn)功能
F16.02
模擬輸入AI2功能選擇
5
過(guò)程PID反饋
 
控制流程詳細(xì)說(shuō)明
當(dāng)用氣量減小時(shí),出氣閥出氣量減小,儲(chǔ)氣罐壓力上升,壓力傳感器的電壓信號(hào)值增大,送至變頻器的反饋量增加,當(dāng)PID反饋壓力≥PID給定壓力時(shí),通過(guò)PID調(diào)節(jié)功能,變頻器將減速運(yùn)行,電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,進(jìn)氣閥進(jìn)氣量減小,當(dāng)?shù)竭_(dá)PID調(diào)節(jié)器下限頻率時(shí),以下限頻率恒速運(yùn)行。
而當(dāng)用氣量增加時(shí),出氣閥出氣量增加,儲(chǔ)氣罐壓力下降,壓力傳感器的電壓信號(hào)值減小,送至變頻器的反饋量減小,當(dāng)PID反饋壓力<PID給定壓力時(shí),變頻器將加速運(yùn)行,電機(jī)轉(zhuǎn)速增大,進(jìn)氣閥進(jìn)氣量增加,當(dāng)達(dá)到PID調(diào)節(jié)上限頻率時(shí)以上限頻率恒速運(yùn)行。
5 空壓機(jī)改造后的優(yōu)點(diǎn)
運(yùn)行成本降低
用電成本大約占?jí)嚎s機(jī)運(yùn)行成本的72%。通過(guò)變頻器用電大約降低18%,再加上變頻起動(dòng)后對(duì)設(shè)備的沖擊減少,維護(hù)和維修量也跟隨降低,所以運(yùn)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(chǔ)氣罐可以得到相對(duì)平穩(wěn)的供風(fēng)壓力,有利于用風(fēng)設(shè)備的安全運(yùn)行,同時(shí)又減少了無(wú)用壓力提高而帶來(lái)的能耗支出,變頻控制空壓機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機(jī)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(zhǎng)電機(jī)、空壓機(jī)等機(jī)械設(shè)備的使用壽命
變頻器從0Hz起動(dòng)空壓機(jī),它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整,從而減少起動(dòng)時(shí)對(duì)空壓機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊,增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,既保護(hù)了電動(dòng)機(jī),延長(zhǎng)了其使用壽命,對(duì)電網(wǎng)而言又可以算是增加了系統(tǒng)的裝機(jī)容量,同時(shí)還延長(zhǎng)了機(jī)械和模具的使用壽命。此外,變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng),這一波動(dòng)電流會(huì)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(dòng)電流的峰值減小到最低程度。
降低了空壓機(jī)的噪音
根據(jù)空壓機(jī)的工況要求,變頻調(diào)速改造后,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯減慢,因此有效降低了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定表明,噪音與原系統(tǒng)比較下降約5-10dB,設(shè)備動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hù)功能完善
生產(chǎn)中不需要對(duì)節(jié)電設(shè)備進(jìn)行調(diào)整,全程自動(dòng)跟蹤控制,且有多種(過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、電機(jī)過(guò)載、電機(jī)過(guò)熱等)保護(hù)功能,簡(jiǎn)單、安全、方便。
設(shè)備維護(hù)量小
空壓機(jī)變頻起動(dòng)電流小,小于2倍額定電流,加卸載閥無(wú)須反復(fù)動(dòng)作,變頻空壓機(jī)根據(jù)用氣量自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,運(yùn)行頻率低,轉(zhuǎn)速慢,軸承磨損小,設(shè)備使用壽命延長(zhǎng),維護(hù)工作量變小。
6 注意事項(xiàng)
安裝
安裝時(shí),控制柜與壓縮機(jī)之間的配線(xiàn)不得超過(guò)30m,且與控制線(xiàn)保持一定距離,分開(kāi)走線(xiàn)??刂苹芈返呐渚€(xiàn)采用屏蔽雙絞線(xiàn),接線(xiàn)距離在20m以?xún)?nèi)。由于變頻器發(fā)熱量大,控制柜內(nèi)要裝散熱風(fēng)扇,變頻器接地端子不可與動(dòng)力接地混用。
調(diào)試
在完成變頻器的功能設(shè)定及空載運(yùn)行后,可進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)調(diào)試。
開(kāi)環(huán)
此時(shí),主要觀察變頻器頻率上升情況,即設(shè)備運(yùn)行聲音是否正常、空壓機(jī)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(jī)是否正常等。如一切正常,則可進(jìn)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(jī)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(jī)械共振點(diǎn),需將共振點(diǎn)附近的頻率跳過(guò)去(可通過(guò)對(duì)F05.17-F05.20跳躍頻率相關(guān)參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置)??諌簷C(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載,這種起動(dòng)特點(diǎn)很容易引起變頻器在起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的情況,采用具有高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無(wú)速度矢量控制變頻器,既能保證實(shí)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(yùn)行??諌簷C(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行,空壓機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低,一方面使空壓機(jī)穩(wěn)定性變差;另一方面潤(rùn)滑油壓力降低,使缸體潤(rùn)滑度變差,會(huì)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(jī)運(yùn)行噪聲與溫升,提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。
建議功率選用比空壓機(jī)功率大一等級(jí)的變頻器,以免空壓機(jī)起動(dòng)出現(xiàn)頻繁跳閘的情況。
7 結(jié)語(yǔ)
采用以上改造方案,能達(dá)到較為理想的節(jié)能效果,從而為客戶(hù)創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

為做出最為合理可行的改造方案,在改造過(guò)程中,應(yīng)認(rèn)真分析設(shè)備工頻運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù),計(jì)算節(jié)能空間,仔細(xì)分析設(shè)備的電路原理。

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