基于PLC模式的空壓機(jī)電機(jī)變頻控制分析

鐵真

摘??要：介紹了變頻器工作基本原理及變頻節(jié)能原理，通過某工廠空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)變頻改造情況，對(duì)比分析改造前后節(jié)能效果，具有很好的節(jié)能效果和廣泛的推廣前景。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī);變頻器;PLC;節(jié)能

螺桿式空壓機(jī)運(yùn)用很廣泛，傳統(tǒng)的控制大多采用接觸器直接對(duì)空壓機(jī)主電機(jī)加載工頻電源，依靠進(jìn)氣閥門的開關(guān)來控制空壓機(jī)的進(jìn)氣口是否進(jìn)氣，從而達(dá)到控制空壓機(jī)供氣的目的。由于實(shí)際運(yùn)行中空壓機(jī)的設(shè)備的工作周期和生產(chǎn)工藝的差別，使得用氣量瞬時(shí)變化非常大，這就造成進(jìn)氣閥門加載、卸載動(dòng)作頻繁。卸載后空壓機(jī)沒有進(jìn)氣，但電機(jī)依然維持在工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi);當(dāng)系統(tǒng)壓力變小后，進(jìn)氣閥突然打開加載，會(huì)對(duì)供電電網(wǎng)和空壓機(jī)設(shè)備造成很大的沖擊，也增加了設(shè)備的機(jī)械磨損。

1.螺桿式空壓機(jī)的工作原理和能耗分析

螺桿式空壓機(jī)由一對(duì)相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實(shí)現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程。空壓機(jī)的進(jìn)氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽和陽轉(zhuǎn)子的齒在主電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。

傳統(tǒng)的加載和卸載控制方式使得壓縮空氣的壓力在Pmin～Pmax之間來回變化。Pmin是能夠保證現(xiàn)場(chǎng)用氣點(diǎn)正常工作的最低壓力。一般情況下，Pmax與Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示：Pmax=P（1+δ）Pmin，式中δ大致在15%～30%之間。

在加載和卸載控制方式下的空壓機(jī)，能量主要浪費(fèi)在兩個(gè)方面：①加載時(shí)的電能消耗。在壓力值達(dá)到最小后，檢測(cè)元件檢測(cè)到壓力低信號(hào)，這時(shí)控制元件會(huì)打開進(jìn)氣閥門，氣壓會(huì)持續(xù)上升直到最大壓力值。在整個(gè)加壓過程中，外界釋放更多的熱量。②卸載時(shí)電能的消耗。當(dāng)壓力達(dá)到壓力最大值時(shí)，空壓機(jī)通過關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)的方法來降壓卸載。造成很大的能量浪費(fèi)?？諌簷C(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的15%～35%之間。很明顯，在加載、卸載供氣控制方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。

2.變頻器的節(jié)能原理

2.1變頻節(jié)能

由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）×H（壓力），流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)解流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。通過計(jì)算：一臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)功率為55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到其原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16KW，省電48.8%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量為6.875KW，省電87.5%。

2.2功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能

無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，有公式P=S×cosφ，Q=S×sinφ，其中S—視在功率，P—有功功率，Q—無功功率，cosφ—功率因素，可知cosφ越大，有功功率P越大，普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在0.6-0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，cosφ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

2.3軟啟動(dòng)節(jié)能

由于異步電動(dòng)機(jī)如果采用直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流等于（4-7）倍額定電流，這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且對(duì)電網(wǎng)容量要求過高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對(duì)擋板和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用軟啟動(dòng)器將使啟動(dòng)電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

3.變頻器和PLC的控制模式及節(jié)能效益分析

采用變頻調(diào)速控制，即把管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，壓力變送器YB將儲(chǔ)氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給PLC的PID調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定值P0作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)送給變頻器，通過變頻器控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力P始終接近設(shè)定壓力P0。

某工廠空壓機(jī)電機(jī)參數(shù)：功率為185KW，轉(zhuǎn)速為1480r/m，額定電壓380V，額定電流405A，功率因數(shù)為0.89;變頻器功率為200KW。在傳統(tǒng)的接觸器直接加工頻電源控制電機(jī)模式下，正常生產(chǎn)情況時(shí)，壓力維持在0.45～5.6MPa范圍內(nèi)，空壓機(jī)進(jìn)氣閥門開關(guān)都呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即閥門打開加載時(shí)間約為118s，關(guān)閉時(shí)間約為96s（加載時(shí)間占總時(shí)間的55%，卸載時(shí)間占45%）;加載時(shí)電機(jī)電流大約為額定電流的1.4倍，關(guān)閉閥門電機(jī)電流約為額定電流的0.4倍。按照以上電機(jī)參數(shù)計(jì)算，電機(jī)每天做功P1（24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)）;

由公式p=UI?cosφ??????可知：I加載=1.4I0?，I卸載=0.4I0?，P加載=UI加載?cosφ=1.732×380V×1.4×405×0.89，P?加載=?P加載×24×55%=4384KWh，P卸載=UI卸載?cosφ=1.732×380V×0.4×405×0.89，P?卸載=?P卸載×24×45%=1024KWh

空壓機(jī)每天做功：P1=?P?加載+?P?卸載=4384?KWh?+1024?KWh?=5408?KWh

采用變頻恒壓控制以后，正常生產(chǎn)時(shí)，管網(wǎng)壓力保持在5.2MPa這樣一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，變頻器顯示40HZ，電機(jī)電流維持在275A左右，上下波動(dòng)較小，功率因素為0.8。電機(jī)每天做功P2;

由公式p=UI?cosφ?????計(jì)算可知：P2=UI?cosφ×24h=1.732×380V×275A×0.8×24，P2=3475KWh

每天可節(jié)約電能：Pˊ=P1-P2=5408-3475=1933?KWh，這樣每天節(jié)約的電能大約為1933KWh，工業(yè)電價(jià)按當(dāng)?shù)鼐鶅r(jià)0.7831元/KWh計(jì)算，每年按330天計(jì)算，可節(jié)約生產(chǎn)成本：1933×0.7831×330=49.95萬元。

4.結(jié)束語

利用變頻器+PLC的控制模式實(shí)現(xiàn)了螺桿空壓機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，同時(shí)空壓機(jī)電機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)工作由變頻器來啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空壓機(jī)帶來的機(jī)械沖擊，降低了原系統(tǒng)噪音，減少了設(shè)備維修費(fèi)用，具有很好的節(jié)能效果和廣泛的推廣前景。