英威騰CHE100系列變頻器在空壓機系統(tǒng)變頻改造中的應用
【摘 要】本文主要描述CHE100在空壓機系統(tǒng)變頻改造中的應用。詳細介紹空壓機專用控制器的原理、與變頻器的交互及應用。
【關鍵詞】變頻、Modbus、空壓機
Abstract：This paper describes CHE100 in compressor inverter system application. Then the principle of compressor with the special controller, application and interactions with frequency converter are introduced in detail.
Keywords：frequency conversion 、Modbus、compressor
一、引言
空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內(nèi)進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備。作為基礎工業(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)都有廣泛的應用。空壓機占大型工業(yè)設備(風機、水泵、鍋爐、空壓機等)耗電量的15%。由于結構原理的原因，大部分空壓機自身存在著明顯的技術弱點。當輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機空轉，嚴重浪費能源;異步電動機易頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命，壓機工頻啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊大，電機軸承磨損大，設備維護量大;工作條件惡劣，噪音大;自動化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠人為調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)速度慢，波動大，不穩(wěn)定，精度低。
二 工作原理
2.1 原工作方式
螺桿式空壓機工作原理
螺桿式空壓機是由一對相互平行嚙合的陰陽轉子(或稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉動，使轉子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉子軸線由吸入側輸送至輸出側，實現(xiàn)螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。空壓機的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉子的槽和陽轉子的齒被主電機驅動而旋轉。
螺桿式空壓機是由一對相互平行嚙合的陰陽轉子(或稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉動，使轉子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉子軸線由吸入側輸送至輸出側，實現(xiàn)螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。空壓機的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉子的槽和陽轉子的齒被主電機驅動而旋轉。
活塞式空壓機工作原理
活塞式空壓機是由電動機帶動皮帶輪通過聯(lián)軸器直接驅動曲軸，帶動連桿與活塞桿，使活塞在壓縮機氣缸內(nèi)作往復運動，完成吸入、壓縮、排出等過程,將無壓或低壓氣體升壓，并輸出到儲壓罐內(nèi)。其中，活塞組件，活塞與汽缸內(nèi)壁及汽缸蓋構成容積可變的工作腔，在曲柄連桿帶動下，在汽缸內(nèi)作往復運動以實現(xiàn)汽缸內(nèi)氣體的壓縮。
活塞式空壓機是由電動機帶動皮帶輪通過聯(lián)軸器直接驅動曲軸，帶動連桿與活塞桿，使活塞在壓縮機氣缸內(nèi)作往復運動，完成吸入、壓縮、排出等過程,將無壓或低壓氣體升壓，并輸出到儲壓罐內(nèi)。其中，活塞組件，活塞與汽缸內(nèi)壁及汽缸蓋構成容積可變的工作腔，在曲柄連桿帶動下，在汽缸內(nèi)作往復運動以實現(xiàn)汽缸內(nèi)氣體的壓縮。
空壓機主電機運行方式為星-角降壓起動后全壓運行，供氣系統(tǒng)具體工作流程為：當按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動器線圈并打開斷油閥，空壓機在卸載模式下啟動，這時進氣閥處于關閉位置，而放氣閥打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力。等降壓n秒（由時間繼電器控制）后空壓機開始加載運行，系統(tǒng)壓力開始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開關上限值，即起跳壓力，控制器使進氣閥關閉，油氣分離器放氣，壓縮機空載運行，直到系統(tǒng)壓力降到壓力開關下限值后，即回跳壓力下，控制器使進氣閥打開，油氣分離器放氣閥關閉，壓縮機打開，油氣分離器放氣閥關閉，壓縮機滿載運行。
卸載和加載易導致整個氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命。空壓機的有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門或調(diào)節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉速不變，電機功率下降幅度比較小。
能耗分析：
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是最低壓力值，即能夠保證用戶正常工作的最低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關系可以用下式來表示:
Pmax＝(1＋δ)Pmin
δ是一個百分數(shù)，其數(shù)值大致在15%～30%之間。
在加、卸載供氣控制方式下的空壓機，所浪費的能量主要在2個部分:
(1) 加載時的電能消耗
在壓力達到最小值后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過程中,一定要向外界釋放更多的熱量，從而導致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓,這一過程同樣是一個耗能過程。
(2) 卸載時電能的消耗
當壓力達到壓力最大值時，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使電機處于空轉狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費。據(jù)我們測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%～25%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機20%的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節(jié)能空間。
其它不足之處
(1)靠機械方式調(diào)節(jié)進氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。
(2) 頻繁采用打開和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。
2.2 變頻工作方式
轉速控制，即通過改變空壓機的轉速來調(diào)節(jié)流量，而閥門的開度保持不變（一般保持最大開度）。當空壓機轉速改變時，供氣系統(tǒng)的揚程特性隨之改變，而管阻特性不變。
在這種控制方式下，通過變頻調(diào)速技術改變空壓機電機的轉速，空壓機的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變，達到真正的供需平衡，在節(jié)能的同時，也可使整個系統(tǒng)達到最佳工作效率。變頻器基于交一直一交電源變換原理，可根據(jù)控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。電動機轉速與電源頻率成正比，因此，用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空壓機電動機的電源電壓，可方便地改變空壓機的轉速。
2.3恒壓供氣原理
流量是供氣系統(tǒng)的基本控制對象，供氣流量需要隨時滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中，儲氣管中的氣壓能夠充分反映供氣能力與用氣需求之間的關系：
若 供氣流量 > 用氣流量 → 儲氣管氣壓上升
若 供氣流量 < 用氣流量 → 儲氣管氣壓下降
若 供氣流量 = 用氣流量 → 儲氣管氣壓不變
所以,保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達到的目的。
變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變?yōu)殡娦盘査徒o控制器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率，調(diào)整電動機的轉速，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。另外，采用該方案后，空氣壓縮機電動機從靜止到穩(wěn)定轉速可由變頻器實現(xiàn)軟啟動，避免了啟動時的大電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機在變頻器調(diào)速控制方式下工作。變頻器一旦出現(xiàn)故障，生產(chǎn)工藝不允許空氣壓縮機停機，因此，系統(tǒng)設置了工頻與變頻切換功能，這樣當變頻器出現(xiàn)故障時，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機照常工作。
整個控制過程如下：
用氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設定值與返饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機電機轉速↑ —— 供氣流量↑—— 管路氣壓趨于穩(wěn)定。
特別注意，在壓力容差范圍內(nèi)，控制器的PID不調(diào)節(jié)，即保持輸出頻率不變。
以CHE100-075G/090P-4在上海某公司空壓機系統(tǒng)改造應用為例
三 方案配置
根據(jù)以往其他工程經(jīng)驗，在空壓機變頻改造系統(tǒng)中應注意一下幾點：
1)空壓機是大轉動慣量負載，這種啟動特點就很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動時出現(xiàn)跳過流保護的情況，建議選用具有高啟動轉矩的無速度傳感器矢量變頻器（CHE100系列），保證即能實現(xiàn)恒壓供氣連續(xù)性，又保證設備可靠穩(wěn)定的運行；
2)空壓機不允許長時間在低頻下運行，當空壓機的轉速過低，一方面將使空壓機的工作穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會加快磨損。所以工作的下限頻率應不低于20Hz；
3)為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減小電機運行噪音和溫升，提高電動機的穩(wěn)定性。
2)空壓機不允許長時間在低頻下運行，當空壓機的轉速過低，一方面將使空壓機的工作穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體的潤滑變差，會加快磨損。所以工作的下限頻率應不低于20Hz；
3)為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減小電機運行噪音和溫升，提高電動機的穩(wěn)定性。
該空壓系統(tǒng)中空壓機電機為55KW。根據(jù)現(xiàn)場的工況為其配置“工/變兼容帶專用控制器驅動方案”。
變頻器選用具有高啟動轉矩的CHE100系列矢量變頻器，具體型號為CHE100-075G/090P-4。風機由CHF100通用型變頻器驅動即可。
此方案適用于對控制系統(tǒng)精度及可靠性要求較高的應用場合。主機及主機風機均采用工變頻兼容雙冗余回路。正常工作模式下均為變頻運行，檢修及變頻回路故障時，切換為工頻運行，同時控制模式改變。
專用控制器內(nèi)置多種控制邏輯，可驅動不同開關狀態(tài)組合，用戶可根據(jù)需要選擇開關組合以驅動不同控制模式。且控制邏輯組態(tài)化，一鍵即改。
（1）主機變頻驅動：控制器PID運算調(diào)節(jié)部分對壓力傳感器反饋信號進行采樣，與設定壓力值進行PID運算輸出調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)主變頻器的輸出頻率。切換為工頻驅動方式后，控制器將通過開啟或關閉進氣閥來進行排氣壓力的調(diào)節(jié)。
（2）風機的驅動也可選擇變頻方式或工頻方式
若風機采用變頻控制方式，則控制器采樣機頭溫度傳感器反饋信號，并與設定溫度值進行PID運算輸出調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)風機變頻器輸出頻率連續(xù)無級調(diào)節(jié)風機轉速，以使壓縮機頭的溫度能夠準確的維持在設定的溫度點，讓空壓機的潤滑油保持最佳效果。
若設置為風機開關方式控制，則控制器根據(jù)采樣的排氣溫度值，確定相關開關狀態(tài)開啟或關閉風扇電機，使排氣溫度保持在設定的溫度范圍以內(nèi)。
四 專用控制器概述
空壓機專用控制器針對空壓機應用專門研制，具備多種靈活控制模式，可實時監(jiān)控多種空壓機運行數(shù)據(jù)，提供保護預警功能，提供維護保養(yǎng)提醒功能。端子功能定義如下：
|
標號
|
定義
|
備注
|
|
PT1+,PT1-
|
主電機
溫度傳感器輸入
|
實時檢測主機溫度，作為風機的PID調(diào)節(jié)信號，同時為主機溫度保護提供反饋數(shù)據(jù)。
|
|
I1+
|
主機R相電流傳感器輸入
|
I1+需與V1+短接，輸入側加裝相電流互感器。
|
|
I2+
|
主機T相電流傳感器輸入
|
I2+需與V2+短接，輸入側加裝相電流互感器。
|
|
V3+,V34-
|
ST相電壓傳感器輸入
|
輸入側加裝相電壓互感器。
|
|
V4+,V34-
|
壓力傳感器輸入
|
主機壓力PID調(diào)節(jié)輸入
|
|
P24V
|
——
|
24V輔助電源
|
|
X0
|
壓力開關輸入
|
常開
|
|
X1
|
空濾信號輸入
|
常開
|
|
X2
|
油濾信號輸入
|
常開
|
|
X3
|
油細信號輸入
|
常開
|
|
X4
|
急停信號
|
常閉
|
|
COM
|
公共端
|
——
|
|
Y0
|
KM1輔助觸點
|
常開
|
|
Y1
|
KM2輔助觸點
|
常開
|
|
Y2
|
KM3輔助觸點
|
常開
|
|
Y3
|
KM4輔助觸點
|
常開
|
|
Y4
|
KM5輔助觸點
|
常開
|
|
Y5
|
KM6輔助觸點
|
常開
|
|
Y6
|
KM7輔助觸點
|
常開
|
|
COM0
|
公共端0
|
Y0~Y1的公共端
|
|
COM1
|
公共端1
|
Y2~Y4的公共端
|
|
COM2
|
公共端2
|
Y5~Y7的公共端
|
|
RS485
(+ \-)
|
485接線端子
|
通訊用RS485端子，支持Modbus通訊協(xié)議
|
空壓機控制器按照螺桿式空壓機的控制工藝要求進行設計，配備了中英文顯示的液晶屏，用戶界面直觀易懂，實現(xiàn)螺桿式空壓機的所需的各項功能：
●具有交流電源的電壓與相序檢測功能，防止電機反轉，可設置欠壓保護功能；
●PID恒壓控制，輸出壓力穩(wěn)定；
●內(nèi)置多種變頻驅動與工頻驅動的組合控制方案，用戶可根據(jù)現(xiàn)場需要求配置變頻與否、工/變切換與否，通過外部設置開關即可切換驅動模式，提高了空壓機系統(tǒng)的工作可靠性；
●過溫預警、過溫停機保護功能；
●具有交流電源的電壓與相序檢測功能，防止電機反轉，可設置欠壓保護功能；
●PID恒壓控制，輸出壓力穩(wěn)定；
●內(nèi)置多種變頻驅動與工頻驅動的組合控制方案，用戶可根據(jù)現(xiàn)場需要求配置變頻與否、工/變切換與否，通過外部設置開關即可切換驅動模式，提高了空壓機系統(tǒng)的工作可靠性；
●過溫預警、過溫停機保護功能；
●過（氣）壓保護，保證用戶輸氣管網(wǎng)設備的安全；
●輕載啟動，散熱后停機的智能控制，緊急停機時立即關閉所有控制輸出；
●溫度與壓力傳感器故障檢測，及時保護和告警；
●可檢測顯示主電機、風機的工作電流，可分別設置電機過載、斷相保護；
●可檢測多種堵塞信號，并預報警；
●溫度與壓力傳感器故障檢測，及時保護和告警；
●可檢測顯示主電機、風機的工作電流，可分別設置電機過載、斷相保護；
●可檢測多種堵塞信號，并預報警；
|
故障情況
|
狀態(tài)顯示
|
空壓機狀態(tài)
|
|
空濾堵塞
|
空氣濾清器堵塞
|
報警不停機
|
|
空濾使用時間到
|
空濾器剩余使用時間
|
報警不停機
|
|
油濾堵塞
|
油過濾器堵塞
|
報警不停機
|
|
油濾使用時間到
|
油過濾器剩余使用時間
|
報警不停機
|
|
油細堵塞
|
油細分離器堵塞
|
報警不停機
|
|
油細使用時間到
|
油細分離器剩余使用時間
|
報警不停機
|
|
潤滑脂使用時間到
|
電機軸承需注油
|
報警不停機
|
|
排氣溫度高于報警值
|
排氣高溫報警
|
報警不停機
|
|
排氣溫度高于停機值
|
排氣高溫停機
|
報警并停機
|
|
排氣溫度低于極限值
|
溫度過低
|
報警并停機
|
|
排氣壓力高于極限值
|
壓力過高停機
|
報警并停機
|
|
溫度傳感器斷線
|
溫度傳感器斷線
|
報警并停機
|
|
壓力傳感器斷線
|
壓力傳感器斷線
|
報警并停機
|
|
電機過載
|
主電機過載停機
|
報警停機
開機需要延時
|
|
風機過載
|
風機過載停機
|
報警并停機
|
|
相序錯誤,缺相
|
相序錯誤停機
|
報警并停機
|
●提供兩種聯(lián)控方式；聯(lián)控機組順序啟動、卸載、輪換時間可調(diào)。
●顯示界面結構簡潔易懂，菜單分級顯示，操作簡單，無需特別學習和記憶；
●通過提供后臺監(jiān)控后臺軟件，可實現(xiàn)上位PC機的遠程監(jiān)控；
●耗氣少的條件下具有自動休眠功能，有利于節(jié)能，降低設備磨損；
●提供了內(nèi)置中/英文雙語言顯示功能，并可在線切換；
●空壓機運行參數(shù)和狀態(tài)的直觀瀏覽；
●具有實時萬年歷功能；
●通過提供后臺監(jiān)控后臺軟件，可實現(xiàn)上位PC機的遠程監(jiān)控；
●耗氣少的條件下具有自動休眠功能，有利于節(jié)能，降低設備磨損；
●提供了內(nèi)置中/英文雙語言顯示功能，并可在線切換；
●空壓機運行參數(shù)和狀態(tài)的直觀瀏覽；
●具有實時萬年歷功能；
●可根據(jù)各項保養(yǎng)計劃，提前100小時開始相應的保養(yǎng)提醒；
●故障記錄可查詢并具有時間標識；
●故障記錄可查詢并具有時間標識；
●與CHE變頻器的無縫連接，無需人工設置變頻器的功能參數(shù)；
●提供了多級密碼保護功能，參數(shù)設置按顯示頁面分級設定，防止非授權的操作，并提供備用萬能密碼。
●提供了多級密碼保護功能，參數(shù)設置按顯示頁面分級設定，防止非授權的操作，并提供備用萬能密碼。
結束語
經(jīng)過變頻改造，該空壓機系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)整體節(jié)能率為31.8%。總之，變頻調(diào)速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術，其應用已經(jīng)滲透到各行業(yè)的各個技術部門。在空壓機行業(yè)應用中可能會出現(xiàn)了許多問題，這些都待于進步解決。所以只有充分考慮實際工況需求，不斷優(yōu)化解決方案，才能促進變頻技術在空壓機設備中的應用。
參考文獻
[1] 深圳英威騰電氣股份有限公司.《INVT應用案例第二輯》.[M],2009
[2] 深圳英威騰電氣股份有限公司.《CHE100矢量變頻器說明書》.[M], 2009