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應(yīng)用

英威騰CHE100系列變頻器在空壓機(jī)系統(tǒng)變頻改造中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2011-09-29        瀏覽次數(shù):2847        返回列表

英威騰CHE100系列變頻器在空壓機(jī)系統(tǒng)變頻改造中的應(yīng)用

【摘 要】本文主要描述CHE100在空壓機(jī)系統(tǒng)變頻改造中的應(yīng)用。詳細(xì)介紹空壓機(jī)專用控制器的原理、與變頻器的交互及應(yīng)用。
 
 【關(guān)鍵詞】變頻、Modbus、空壓機(jī)
  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(jī)是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備。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。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%。由于結(jié)構(gòu)原理的原因,大部分空壓機(jī)自身存在著明顯的技術(shù)弱點(diǎn)。當(dāng)輸出壓力大于一定值時(shí),自動(dòng)打開泄載閥,使異步電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn),嚴(yán)重浪費(fèi)能源;異步電動(dòng)機(jī)易頻繁的啟動(dòng)、停止,影響電機(jī)的使用壽命,壓機(jī)工頻啟動(dòng)電流大,對(duì)電網(wǎng)沖擊大,電機(jī)軸承磨損大,設(shè)備維護(hù)量大;工作條件惡劣,噪音大;自動(dòng)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(shí)現(xiàn)的,調(diào)節(jié)速度慢,波動(dòng)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(jī)工作原理
螺桿式空壓機(jī)是由一對(duì)相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子(或稱螺桿)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,空氣則沿著轉(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�?諌簷C(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)子的齒被主電機(jī)驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。
 活塞式空壓機(jī)工作原理
活塞式空壓機(jī)是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)曲軸,帶動(dòng)連桿與活塞桿,使活塞在壓縮機(jī)氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng),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(chǔ)壓罐內(nèi)。其中,活塞組件,活塞與汽缸內(nèi)壁及汽缸蓋構(gòu)成容積可變的工作腔,在曲柄連桿帶動(dòng)下,在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)汽缸內(nèi)氣體的壓縮。
空壓機(jī)主電機(jī)運(yùn)行方式為星-角降壓起動(dòng)后全壓運(yùn)行,供氣系統(tǒng)具體工作流程為:當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕,控制系統(tǒng)接通啟動(dòng)器線圈并打開斷油閥,空壓機(jī)在卸載模式下啟動(dòng),這時(shí)進(jìn)氣閥處于關(guān)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(shí)間繼電器控制)后空壓機(jī)開始加載運(yùn)行,系統(tǒng)壓力開始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開關(guān)上限值,即起跳壓力,控制器使進(jìn)氣閥關(guān)閉,油氣分離器放氣,壓縮機(jī)空載運(yùn)行,直到系統(tǒng)壓力降到壓力開關(guān)下限值后,即回跳壓力下,控制器使進(jìn)氣閥打開,油氣分離器放氣閥關(guān)閉,壓縮機(jī)打開,油氣分離器放氣閥關(guān)閉,壓縮機(jī)滿載運(yùn)行。
卸載和加載易導(dǎo)致整個(gè)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(jī)的使用壽命。空壓機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速不變,電機(jī)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(guān)系可以用下式來表示:
Pmax(1+δ)Pmin
δ是一個(gè)百分?jǐn)?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(jī),所浪費(fèi)的能量主要在2個(gè)部分:
(1) 加載時(shí)的電能消耗
在壓力達(dá)到最小值后,原控制方式?jīng)Q定其壓力會(huì)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(dǎo)致電能損失。另一方面,高于壓力最大值的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)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(gè)耗能過程。
(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)通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),同時(shí)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(fèi)。據(jù)我們測算,空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的10%~25%(這還是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下)。換言之,該空壓機(jī)20%的時(shí)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(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。
其它不足之處
(1)靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥,使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié),當(dāng)用氣量不斷變化時(shí),供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)。用氣精度達(dá)不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥,會(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損,增加維修量和維修成本。
(2) 頻繁采用打開和關(guān)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(zhuǎn)速控制,即通過改變空壓機(jī)的轉(zhuǎn)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(dāng)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速改變時(shí),供氣系統(tǒng)的揚(yáng)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(shù)改變空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,空壓機(jī)的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變,達(dá)到真正的供需平衡,在節(jié)能的同時(shí),也可使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)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(duì)象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)電動(dòng)機(jī)的電源電壓,可方便地改變空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速。
2.3恒壓供氣原理
流量是供氣系統(tǒng)的基本控制對(duì)象,供氣流量需要隨時(shí)滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中,儲(chǔ)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(guān)系:
若   供氣流量 > 用氣流量   →   儲(chǔ)氣管氣壓上升
若   供氣流量 < 用氣流量   →   儲(chǔ)氣管氣壓下降
若   供氣流量 = 用氣流量   →   儲(chǔ)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(dá)到的目的。
變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象,裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給控制器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器,與壓力給定值進(jìn)行比較,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)去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率,調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而使實(shí)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(jī)電動(dòng)機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),避免了啟動(dòng)時(shí)的大電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。正常情況下,空氣壓縮機(jī)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(jī)停機(jī),因此,系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻切換功能,這樣當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),可由工頻電源通過接觸器直接供電,使空氣壓縮機(jī)照常工作。
整個(gè)控制過程如下:
用氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設(shè)定值與返饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)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。
    CHE100-075G/090P-4在上海某公司空壓機(jī)系統(tǒng)改造應(yīng)用為例
三 方案配置
    根據(jù)以往其他工程經(jīng)驗(yàn),在空壓機(jī)變頻改造系統(tǒng)中應(yīng)注意一下幾點(diǎn):
1)空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載,這種啟動(dòng)特點(diǎn)就很容易引起V/F控制方式的變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跳過流保護(hù)的情況,建議選用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器(CHE100系列),保證即能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣連續(xù)性,又保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行;
2)空壓機(jī)不允許長時(shí)間在低頻下運(yùn)行,當(dāng)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速過低,一方面將使空壓機(jī)的工作穩(wěn)定性變差,另一方面也使缸體的潤滑變差,會(huì)加快磨損。所以工作的下限頻率應(yīng)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(jī)運(yùn)行噪音和溫升,提高電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。
該空壓系統(tǒng)中空壓機(jī)電機(jī)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(qū)動(dòng)方案”。
變頻器選用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的CHE100系列矢量變頻器,具體型號(hào)為CHE100-075G/090P-4。風(fēng)機(jī)由CHF100通用型變頻器驅(qū)動(dòng)即可。
此方案適用于對(duì)控制系統(tǒng)精度及可靠性要求較高的應(yīng)用場合。主機(jī)及主機(jī)風(fēng)機(jī)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(yùn)行,檢修及變頻回路故障時(shí),切換為工頻運(yùn)行,同時(shí)控制模式改變。
    專用控制器內(nèi)置多種控制邏輯,可驅(qū)動(dòng)不同開關(guān)狀態(tài)組合,用戶可根據(jù)需要選擇開關(guān)組合以驅(qū)動(dòng)不同控制模式。且控制邏輯組態(tài)化,一鍵即改。
1)主機(jī)變頻驅(qū)動(dòng):控制器PID運(yùn)算調(diào)節(jié)部分對(duì)壓力傳感器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣,與設(shè)定壓力值進(jìn)行PID運(yùn)算輸出調(diào)節(jié)信號(hào)調(diào)節(jié)主變頻器的輸出頻率。切換為工頻驅(qū)動(dòng)方式后,控制器將通過開啟或關(guān)閉進(jìn)氣閥來進(jìn)行排氣壓力的調(diào)節(jié)�!�
2)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)也可選擇變頻方式或工頻方式
若風(fēng)機(jī)采用變頻控制方式,則控制器采樣機(jī)頭溫度傳感器反饋信號(hào),并與設(shè)定溫度值進(jìn)行PID運(yùn)算輸出調(diào)節(jié)信號(hào)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器輸出頻率連續(xù)無級(jí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,以使壓縮機(jī)頭的溫度能夠準(zhǔn)確的維持在設(shè)定的溫度點(diǎn),讓空壓機(jī)的潤滑油保持最佳效果。
若設(shè)置為風(fēng)機(jī)開關(guān)方式控制,則控制器根據(jù)采樣的排氣溫度值,確定相關(guān)開關(guān)狀態(tài)開啟或關(guān)閉風(fēng)扇電機(jī),使排氣溫度保持在設(shè)定的溫度范圍以內(nèi)。
四 專用控制器概述
空壓機(jī)專用控制器針對(duì)空壓機(jī)應(yīng)用專門研制,具備多種靈活控制模式,可實(shí)時(shí)監(jiān)控多種空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù),提供保護(hù)預(yù)警功能,提供維護(hù)保養(yǎng)提醒功能。端子功能定義如下:
  

標(biāo)號(hào)
定義
備注
PT1+,PT1-
主電機(jī)
溫度傳感器輸入
實(shí)時(shí)檢測主機(jī)溫度,作為風(fēng)機(jī)的PID調(diào)節(jié)信號(hào),同時(shí)為主機(jī)溫度保護(hù)提供反饋數(shù)據(jù)。
I1+
主機(jī)R相電流傳感器輸入
I1+需與V1+短接,輸入側(cè)加裝相電流互感器。
I2+
主機(jī)T相電流傳感器輸入
I2+需與V2+短接,輸入側(cè)加裝相電流互感器。
V3+,V34-
ST相電壓傳感器輸入
輸入側(cè)加裝相電壓互感器。
V4+,V34-
壓力傳感器輸入
主機(jī)壓力PID調(diào)節(jié)輸入
P24V
——
24V輔助電源
X0
壓力開關(guān)輸入
常開
X1
空濾信號(hào)輸入
常開
X2
油濾信號(hào)輸入
常開
X3
油細(xì)信號(hào)輸入
常開
X4
急停信號(hào)
常閉
COM
公共端
——
Y0
KM1輔助觸點(diǎn)
常開
Y1
KM2輔助觸點(diǎn)
常開
Y2
KM3輔助觸點(diǎn)
常開
Y3
KM4輔助觸點(diǎn)
常開
Y4
KM5輔助觸點(diǎn)
常開
Y5
KM6輔助觸點(diǎn)
常開
Y6
KM7輔助觸點(diǎn)
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(jī)控制器按照螺桿式空壓機(jī)的控制工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì),配備了中英文顯示的液晶屏,用戶界面直觀易懂,實(shí)現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的所需的各項(xiàng)功能:
●具有交流電源的電壓與相序檢測功能,防止電機(jī)反轉(zhuǎn),可設(shè)置欠壓保護(hù)功能;
●PID恒壓控制,輸出壓力穩(wěn)定;
●內(nèi)置多種變頻驅(qū)動(dòng)與工頻驅(qū)動(dòng)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(shè)置開關(guān)即可切換驅(qū)動(dòng)模式,提高了空壓機(jī)系統(tǒng)的工作可靠性;
●過溫預(yù)警、過溫停機(jī)保護(hù)功能;
●過(氣)壓保護(hù),保證用戶輸氣管網(wǎng)設(shè)備的安全;
●輕載啟動(dòng),散熱后停機(jī)的智能控制,緊急停機(jī)時(shí)立即關(guān)閉所有控制輸出;
●溫度與壓力傳感器故障檢測,及時(shí)保護(hù)和告警;
●可檢測顯示主電機(jī)、風(fēng)機(jī)的工作電流,可分別設(shè)置電機(jī)過載、斷相保護(hù);
●可檢測多種堵塞信號(hào),并預(yù)報(bào)警;

故障情況
狀態(tài)顯示
空壓機(jī)狀態(tài)
空濾堵塞
空氣濾清器堵塞
報(bào)警不停機(jī)
空濾使用時(shí)間到
空濾器剩余使用時(shí)間
報(bào)警不停機(jī)
油濾堵塞
油過濾器堵塞
報(bào)警不停機(jī)
油濾使用時(shí)間到
油過濾器剩余使用時(shí)間
報(bào)警不停機(jī)
油細(xì)堵塞
油細(xì)分離器堵塞
報(bào)警不停機(jī)
油細(xì)使用時(shí)間到
油細(xì)分離器剩余使用時(shí)間
報(bào)警不停機(jī)
潤滑脂使用時(shí)間到
電機(jī)軸承需注油
報(bào)警不停機(jī)
排氣溫度高于報(bào)警值
排氣高溫報(bào)警
報(bào)警不停機(jī)
排氣溫度高于停機(jī)值
排氣高溫停機(jī)
報(bào)警并停機(jī)
排氣溫度低于極限值
溫度過低
報(bào)警并停機(jī)
排氣壓力高于極限值
壓力過高停機(jī)
報(bào)警并停機(jī)
溫度傳感器斷線
溫度傳感器斷線
報(bào)警并停機(jī)
壓力傳感器斷線
壓力傳感器斷線
報(bào)警并停機(jī)
電機(jī)過載
主電機(jī)過載停機(jī)
報(bào)警停機(jī)
開機(jī)需要延時(shí)
風(fēng)機(jī)過載
風(fēng)機(jī)過載停機(jī)
報(bào)警并停機(jī)
相序錯(cuò)誤,缺相
相序錯(cuò)誤停機(jī)
報(bào)警并停機(jī)

●提供兩種聯(lián)控方式;聯(lián)控機(jī)組順序啟動(dòng)、卸載、輪換時(shí)間可調(diào)。
●顯示界面結(jié)構(gòu)簡潔易懂,菜單分級(jí)顯示,操作簡單,無需特別學(xué)習(xí)和記憶;
●通過提供后臺(tái)監(jiān)控后臺(tái)軟件,可實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控;
●耗氣少的條件下具有自動(dòng)休眠功能,有利于節(jié)能,降低設(shè)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(jī)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)的直觀瀏覽;
●具有實(shí)時(shí)萬年歷功能;
●可根據(jù)各項(xiàng)保養(yǎng)計(jì)劃,提前100小時(shí)開始相應(yīng)的保養(yǎng)提醒;
●故障記錄可查詢并具有時(shí)間標(biāo)識(shí);
●與CHE變頻器的無縫連接,無需人工設(shè)置變頻器的功能參數(shù);
●提供了多級(jí)密碼保護(hù)功能,參數(shù)設(shè)置按顯示頁面分級(jí)設(shè)定,防止非授權(quán)的操作,并提供備用萬能密碼。
結(jié)束語
    經(jīng)過變頻改造,該空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)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(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù),其應(yīng)用已經(jīng)滲透到各行業(yè)的各個(gè)技術(shù)部門。在空壓機(jī)行業(yè)應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)了許多問題,這些都待于進(jìn)步解決。所以只有充分考慮實(shí)際工況需求,不斷優(yōu)化解決方案,才能促進(jìn)變頻技術(shù)在空壓機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用。
 參考文獻(xiàn)
[1] 深圳英威騰電氣股份有限公司.《INVT應(yīng)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

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