空气压缩机变频控制系统的设计与实现

河南中烟工业有限责任公司 郑州卷烟厂 周亚丽 王建忠 李明伟

空气压缩机变频控制系统的设计与实现

河南中烟工业有限责任公司 郑州卷烟厂 周亚丽 王建忠 李明伟

空气压缩机的种类有很多，但其供气控制方式几乎都是采用加、卸载的控制方式，如美国寿力螺杆压缩机采用了这种控制方式。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。本文，笔者根据多年的运行管理经验，提出一种改进控制方案。

一、设备现状

1.能耗分析。美国寿力固定式螺杆空压机的启动方式为星—三角启动方式，该方式能耗高，噪音大。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为最低压力值，指能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下，Pmax与Pmin关系可以表示为Pmax＝（1＋δ）Pmin。这里，δ取值在10%～25%。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够满足供气的工作压力上。由此可知，在加、卸载供气控制方式下的空压机，所浪费的能量主要为压缩空气压力超过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）。在这一过程中，必将会向外界释放更多的热量，从而导致能量损失。

2.卸载时调节方法不合理所增加消耗的能量。通常情况下，当压力达到Pmax时，空压机的降压卸载可通过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。但这时的电机仍以额定转速运行。据测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行的10%～15%。很明显，在加载、卸载供气控制方式下，这种调节方法造成很大的能量浪费和噪声。

3.其他不足之处。

（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。致使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）频繁打开和关闭放气阀，使放气阀的耐用性得不到保障。

二、改进方案

针对原有供气控制方式存在的诸多问题，可采用变频调速技术进行恒压供气控制。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转变为电信号发至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，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可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流给空压机带来的机械冲击。控制系统流程如图1所示。

端子FWD和CM为变频器启动/停止控制端。通过FWD和CM的连接或断开，控制变频器的运行或停止。另一路外接的AC 220 V变DC 24 V直流电源为智能控制器和角度变送器提供工作电源，使压力变送器能够反馈4～20 mA的电流信号到智能控制器。再由智能控制器经过压力整定，把信号传给变频器，从而对变频器的频率进行调节，以控制空压机的电动机转速（即负荷大小），从而使压缩机可靠地工作在恒压状态下。

三、元器件的选型

1.变频器。选用美国寿力固定式螺杆空压机电机，功率220 kW，频率50 Hz，额定电压380 V，额定电流440 A，选用1台丹弗斯VLT6000/250 kW型变频器。因为美国寿力螺杆空压机是一种大转动惯量负载，因此选用丹弗斯VLT6000/250 kW型变频器。

2.控制器。选用兰利牌PID智能控制器1个，型号为AL808，单路输入/输出，输出4～20 mA的模拟信号，测量精度0.2%。

3.压力变送器。选用压力变送器1个，型号为HX-T61，量程0～10 MPa，输出4～20 mA的模拟信号，精确度0.5%FS。

4.PID参数。由于用于控制变频器，不允许输出信号频繁变化，因此只能采用PI调节方式，以减少对变频器的冲击。

四、节能估算

改造后，空压机电机的能耗降低了22%。由此可进行如下节能估算。

空压机电机电流差值为改造前空压机电机平均电流减改造后空压机电机平均电流，即398A-365A=49A，改造前空压机电机平均功率为P＝√3UI×cosφ=1.732×380×398×0.85=222（kW），改造后空压机电机平均功率为P＝√3UI×cosφ=1.732× 380×365×0.85=204（kW），节省功率为222 kW-204 kW=18 kW，每年平均节约电费为18×0.75×24×26×12=10.1（万元），节约成本非常可观。