變頻技術(shù)在大功率交流異步電動機(jī)驅(qū)動空壓機(jī)中的應(yīng)用

陳 勇

(四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程系，四川 攀枝花 617064)

1 傳統(tǒng)空壓機(jī)控制現(xiàn)狀及問題［1－2］

空壓機(jī)是生產(chǎn)單位提供空氣動力的必備設(shè)備，在空壓機(jī)驅(qū)動中電動機(jī)是主要的動力來源，通過電動機(jī)的調(diào)速控制可以實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)運(yùn)行控制。目前空壓機(jī)的控制中均將空壓機(jī)輸出的管路壓力即管路儲氣罐壓力作為控制對象，控制管路的空氣壓力在一定的范圍內(nèi)，最高不超過管路的安全容限，最低要滿足用氣設(shè)備的最低工作壓力要求。為滿足這一要求，空壓機(jī)中普遍采用兩種控制方法:

(1)利用電動機(jī)頻繁啟動和停止來調(diào)節(jié)管路壓力，這種方法，首先設(shè)定管路壓力的上、下限，當(dāng)管路壓力上升達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，使電動機(jī)斷電，空壓機(jī)停止運(yùn)行，管路壓力隨著現(xiàn)場用氣和管路泄露逐漸下降，當(dāng)壓力降至設(shè)定下限時(shí)，使電動機(jī)通電，空壓機(jī)重新啟動運(yùn)行，管路壓力又開始上升，如此周而復(fù)始，這種方式管路壓力變化如圖1所示。這種方式的控制簡單、成本低，但電機(jī)啟動頻繁，只適用于小功率電動機(jī)的驅(qū)動;

(2)利用空壓機(jī)的壓力氣閥控制，這種方式是當(dāng)管路壓力達(dá)到設(shè)定壓力上限時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣閥門關(guān)閉，空壓機(jī)處于空載運(yùn)行，雖然空壓機(jī)在電動機(jī)帶動下運(yùn)轉(zhuǎn)，但空壓機(jī)不輸出壓縮空氣，管路壓力不再上升，當(dāng)管路壓力達(dá)到設(shè)定下限時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣閥打開，空壓機(jī)輸出壓縮空氣，管路壓力上升，如此往復(fù)，這種方式的壓力變化與圖1類似，整個(gè)運(yùn)行過程電動機(jī)保持運(yùn)行，避免了頻繁起停，適用于大功率的電動機(jī)驅(qū)動。

目前空壓機(jī)的運(yùn)行控制采用空壓機(jī)壓力閥門控制的方法居多，這種方法不考慮電動機(jī)的運(yùn)行控制，對電動機(jī)只須設(shè)計(jì)其啟動控制，對空壓機(jī)中的大功率電動機(jī)，一般采用兩種方法［3］，即線繞式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子串頻敏電阻方法和定子的Y－△啟動方法。線繞式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的啟動特性如圖2所示。

圖1 管路壓力變化圖

圖2 轉(zhuǎn)子串電阻起動特性示意圖

這種方式，電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩大，但電機(jī)的啟動電流沖擊仍然很大，同時(shí)轉(zhuǎn)子電刷機(jī)構(gòu)增加了電動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性;定子Y－△啟動，即電機(jī)啟動時(shí)定子接成Y形，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)定子接成△形，這樣可以降低啟動電流，但也降低了啟動轉(zhuǎn)矩，增加了相應(yīng)的啟動裝置。總之，上述傳統(tǒng)控制方式存在的問題是明顯的:

(1)管路空氣壓力波動較大;

(2)空壓機(jī)頻繁加載卸載造成電網(wǎng)電壓波動大;

(3)空壓機(jī)總處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成空壓機(jī)機(jī)械故障增多和空壓機(jī)機(jī)體溫升高;

(4)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲大，此噪聲一方面由空壓機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生，另一方面在空壓機(jī)氣閥動作時(shí)產(chǎn)生;

(5)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率低，能耗大，盡管空壓機(jī)處于卸載時(shí)，電動機(jī)負(fù)載小，消耗的電能小，但大功率電動機(jī)在輕載時(shí)的功率因數(shù)很低;

(6)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)不能實(shí)時(shí)監(jiān)控。出于對空壓機(jī)運(yùn)行的節(jié)能、環(huán)保和減少故障考慮，對空壓機(jī)運(yùn)行加以控制很有必要［4］。

2 空壓機(jī)運(yùn)行的微機(jī)變頻控制改造

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)和大功率半導(dǎo)體技術(shù)的日益成熟，為空壓機(jī)運(yùn)行的微機(jī)變頻控制改造提供了可靠的技術(shù)支持，一方面，以大功率半導(dǎo)體器件為核心的變頻控制技術(shù)解決了空壓機(jī)的電動機(jī)的調(diào)速控制;另一方面，以微機(jī)為核心的檢測監(jiān)控系統(tǒng)解決了空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)監(jiān)測，這包括空壓機(jī)運(yùn)行中的冷卻水、潤滑油壓力和機(jī)體溫升的監(jiān)測，保證空壓機(jī)在這些參數(shù)不正常時(shí)自動停止空壓機(jī)的運(yùn)行，避免由于操作人員疏忽而造成空壓機(jī)故障。同時(shí)，電子控制設(shè)備的價(jià)格大幅度降低也大大減少了改造成本［5］。

2.1 基于管路壓力控制的電動機(jī)變頻控制原理［6－7］

與傳統(tǒng)的空壓機(jī)運(yùn)行控制管路壓力的方法不同，變頻控制方式是通過控制電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速來控制空壓機(jī)的單位時(shí)間出風(fēng)量，從而達(dá)到控制管路壓力的目的。其系統(tǒng)控制框圖如圖3所示

圖3 管路壓力控制框圖

其控制過程是:通過壓力設(shè)定和壓力反饋的比較，得到被控量和期望值的偏差，經(jīng)PID調(diào)節(jié)計(jì)算出變頻器輸出的控制異步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的交流電頻率值，由變頻器輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電，在異步電動機(jī)上得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，直到管路壓力與設(shè)定壓力相同，其管路壓力控制過程如圖4所示，實(shí)際控制系統(tǒng)中往往采用變頻控制器中內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)。

圖4 管路壓力變化示意圖

2.2 空壓機(jī)運(yùn)行監(jiān)測

空壓機(jī)運(yùn)行過程中，冷卻水和潤滑油的正常工作是保證空壓機(jī)正常工作的必要條件，機(jī)體溫升是反映空壓機(jī)運(yùn)行是否正常的因素之一。當(dāng)然，反映空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)較多，其中上述參數(shù)的監(jiān)測是方便可行的。

(1)機(jī)體溫升監(jiān)測

機(jī)體溫度是空壓機(jī)運(yùn)行故障的綜合反映之一，監(jiān)測方法可以檢測冷卻水出口處的水溫來間接反映機(jī)體溫度;

(2)冷卻水監(jiān)測

冷卻水監(jiān)測是預(yù)防由于水泵故障等原因造成的冷卻水供應(yīng)異常，監(jiān)測時(shí)可以監(jiān)測管路中的水流量或水的壓力，從成本和可靠性考慮，監(jiān)測水的壓力較為方便、經(jīng)濟(jì);

(3)潤滑油監(jiān)測

潤滑油監(jiān)測目的是監(jiān)測潤滑油是否需要補(bǔ)充和潤滑泵油器工作是否正常，比較方便的方法是監(jiān)測潤滑油壓力;

上述檢測方法，檢測元件均安裝于空壓機(jī)外部管路，對空壓機(jī)機(jī)體沒有任何改裝，安裝工作量小，簡單易行。

2.3 空壓機(jī)運(yùn)行的微機(jī)變頻改造設(shè)計(jì)［8］

(1)空壓機(jī)微機(jī)變頻控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成簡圖如圖5所示，系統(tǒng)由原空壓機(jī)、電動機(jī)加上電動機(jī)變頻控制器、微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和參數(shù)測量傳感器組成。變頻器根據(jù)空壓機(jī)驅(qū)動電動機(jī)的功率選擇，選擇中考慮成本和系統(tǒng)組成方便，可選擇帶PID控制的風(fēng)機(jī)水泵型變頻器;微機(jī)系統(tǒng)配置多路AD轉(zhuǎn)換接口板檢測各壓力傳感器的模擬信號，配置多路繼電器輸出接口板用于變頻器、報(bào)警輸出和電機(jī)的接觸器控制，配置通訊接口便于系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)通訊距離選擇相應(yīng)的通訊接口如RS232C、422、485或加MODEM;壓力傳感器根據(jù)壓力檢測范圍選擇成本低、安裝方便和接口設(shè)計(jì)容易的產(chǎn)品。

圖5 空壓機(jī)微機(jī)變頻控制系統(tǒng)組成圖

(2)系統(tǒng)監(jiān)控的軟件設(shè)計(jì)及參數(shù)調(diào)整

系統(tǒng)監(jiān)控軟件可包括以下功能模塊:主界面模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、密碼輸入模塊、運(yùn)行模塊和在線幫助模塊。主界面顯示系統(tǒng)功能選擇，包括數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行管理、幫助和退出。數(shù)據(jù)管理界面用于系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)管理，包括用氣單位的用氣記錄、空壓機(jī)運(yùn)行的異常記錄;運(yùn)行管理界面用于空壓機(jī)運(yùn)行管理，包括進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)的密碼輸入、運(yùn)行中管路壓力值、機(jī)體溫度、潤滑油壓力值和冷卻水狀態(tài)顯示，同時(shí)可顯示系統(tǒng)的運(yùn)行模式如設(shè)定運(yùn)行或自由運(yùn)行，還包括如自由運(yùn)行、設(shè)定運(yùn)行、停止運(yùn)行和返回的命令按鈕;在線幫助用于方便用戶在線查詢系統(tǒng)的使用方法。

參數(shù)調(diào)整的主要項(xiàng)目有各傳感信號的數(shù)值整定和PID控制的參數(shù)整定，其中PID參數(shù)要經(jīng)過多次試探，保證系統(tǒng)壓力在短時(shí)震蕩后穩(wěn)定于設(shè)定的值。

(3)空壓機(jī)變頻控制改造后的節(jié)能分析

空壓機(jī)變頻控制的節(jié)能分析如下［9］:

某75 kW和110 kW引風(fēng)機(jī)的變頻改造，改造前經(jīng)過多組測試，表1為75 kW風(fēng)機(jī)的測試參數(shù)，該風(fēng)機(jī)在42 Hz就能滿足井下抽風(fēng)的要求［10－11］。

表1 75 kW風(fēng)機(jī)的測試參數(shù)

由表1可知:運(yùn)行時(shí)電流下降率

δ=I前－I后/I前×100%=117 －80/117=31.6%

節(jié)電率

δ=P前－P后/P前×100%=69.5 －39.8/69.5=42.7%

按每天24 h、每年300 d計(jì)算，每年可節(jié)約電能:

W=(69.5 －39.8) ×24 ×300=2.14 ×105kWh

表2 110 kW風(fēng)機(jī)的測試參數(shù)

由表2可知:運(yùn)行時(shí)電流下降率

δ=I前－ I后/I前× 100% =169 － 132/169=21.9%

節(jié)電率

δ=P前－P后/P前×100%=100－69/100=31%

按每天24 h、每年300 d計(jì)算，每年可節(jié)約電能:

W=(100－69)×24×300=2.23×105kWh。

3 結(jié)論

實(shí)踐表明，在大功率異步電動機(jī)驅(qū)動的空壓機(jī)中采用變頻控制和微機(jī)監(jiān)控，可以大大降低空壓機(jī)運(yùn)行的故障率，降低空壓機(jī)運(yùn)行噪聲，節(jié)約電能，在生產(chǎn)單位中有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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