空壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)的變頻改造及效果分析

田偉平

（西山煤電機(jī)電修造園區(qū)新恒源分公司，山西 太原 030053）

引言

空氣壓縮機(jī)為綜采工作面提供動力源僅次于電能的關(guān)鍵設(shè)備，由于設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的原因?qū)е缕浯嬖诿黠@的技術(shù)缺陷。實踐表明：當(dāng)空壓機(jī)的輸出的壓力超過一定限值時，設(shè)備的卸荷閥會自動打開，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，進(jìn)而造成電能的浪費。此外，空壓機(jī)異步電機(jī)的頻繁啟停還會造成對設(shè)備電網(wǎng)的沖擊，對設(shè)備壽命和可靠性造成威脅。為此，實現(xiàn)空壓機(jī)的變頻調(diào)速改造勢在必行，刻不容緩[1]。本文著重對空壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造，并對改造后的效果進(jìn)行驗證。

1 空壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)變頻改造的總體設(shè)計

本文以螺桿式空氣壓縮機(jī)為例。空氣壓縮機(jī)在電動機(jī)驅(qū)動的作用下，將經(jīng)空氣過濾器過濾后的空氣進(jìn)行壓縮并由噴油對壓縮過的空氣進(jìn)行冷卻和潤滑；而后在油氣分離器的作用下對冷卻潤滑后的壓縮空氣進(jìn)行油、壓縮空氣的分離操作，并將分離后空氣儲存于儲氣罐中，以備后期使用。

本文著重實現(xiàn)空壓機(jī)的變頻調(diào)速功能，以解決設(shè)備耗能大的問題。鑒于空氣壓縮機(jī)的最終目的是獲取一定壓力的壓縮空氣，因此可通過控制最終壓縮空氣的出口壓力實現(xiàn)對空氣壓縮機(jī)的節(jié)能改造。而對于特殊行業(yè)而言，對空壓機(jī)出口氣體壓力的要求是不變的[2]。因此，只能通過控制空壓機(jī)的進(jìn)出口壓差實現(xiàn)對設(shè)備的變頻節(jié)能改造，其變頻節(jié)能改造的總體原理框圖如圖1 所示。

如圖1 所示，PLC 通過對管路中的壓力和變頻電機(jī)輸出頻率進(jìn)行比對，進(jìn)而對變頻電機(jī)進(jìn)行控制，以達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

圖1 空壓機(jī)變頻節(jié)能改造總體原理框圖

2 空壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)變頻改造的設(shè)計

目前，在實際應(yīng)用中空壓機(jī)常采用兩臺電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行控制，使其根據(jù)負(fù)載的變化實時控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能生產(chǎn)的目的。因此，對于雙電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動的空壓機(jī)而言，提出如下控制要求：一是要求電機(jī)采用一用一備的工作模式。二是一臺電機(jī)為主控電機(jī)（1 號）且在正常工況下其處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)1 號電機(jī)運(yùn)行頻率達(dá)到極限且進(jìn)出口壓差還很大時，2 號電機(jī)啟動進(jìn)行變頻操作，此時1 號電機(jī)切換為工頻運(yùn)行；當(dāng)2 號電機(jī)的變頻運(yùn)行效率很低且進(jìn)出口壓差很小時，1 號電機(jī)停機(jī)，2 號電機(jī)仍以變頻運(yùn)行[3]。三是為提升空壓機(jī)變頻調(diào)速功能的可靠性，采用PLC 控制器為核心的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對空壓機(jī)變頻電機(jī)在工頻、變頻運(yùn)行模式的切換。變頻器的切換工作如圖2 所示。

2.1 空壓機(jī)變頻改造的硬件設(shè)計

圖2 空壓機(jī)變頻切換示意圖

如圖2 所示，實現(xiàn)空壓機(jī)變頻改造的核心是為其電氣控制系統(tǒng)選擇最佳的變頻器和PLC 控制器。就變頻器而言，其選型主要依據(jù)變頻器的容量，并對變頻器的類型及變頻器能否滿足電網(wǎng)與變頻器的切換、瞬時停電再啟動的功能等提出要求。

為滿足空壓機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部件的調(diào)速控制需求，本方案選用功能更為強(qiáng)大的通用變頻器。當(dāng)前空壓機(jī)系統(tǒng)中對應(yīng)電機(jī)在滿載時電流值最大的電機(jī)為系統(tǒng)配置的主電機(jī)，其電流值為69.8 A，根據(jù)式（1）計算可得：

式中：Imax為空壓機(jī)系統(tǒng)中主機(jī)或風(fēng)機(jī)的最大電流值，IN為對應(yīng)選型變頻器的額定電流值。

經(jīng)計算可得，對于空壓機(jī)的主電機(jī)而言，其對應(yīng)變頻器的額定電流值需滿足≥76.78 A 的要求，綜合比對產(chǎn)品最終針對空壓機(jī)主電機(jī)所選型變頻器的型號為三菱廠家的FR-F740-45K-CH，該產(chǎn)品對應(yīng)額定電流值為85 A；對于空壓機(jī)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)而言，其在滿載狀態(tài)下的最大電流值為29.4 A，則對應(yīng)變頻器的額定電流值需滿足≥32.34 A 的要求，綜合比對產(chǎn)品最終針對空壓機(jī)主電機(jī)所選型變頻器的型號為三菱廠家的FR-F740-18.5K-CHT，該產(chǎn)品對應(yīng)額定電流值為35 A[4]。

在變頻器選型的基礎(chǔ)上，為確保空壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)變頻改造后的閉環(huán)控制效果，結(jié)合PLC 控制CPU 模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊以及存儲器模塊功能需求，本方案選用三菱FX2N 系列的PLC 控制器。根據(jù)空壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)變頻改造后的控制思路及控制要求，針對PLC 控制器設(shè)計如圖3 所示的接線圖。

經(jīng)改造后的空壓機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由變頻器、PLC 控制器、接觸器和壓機(jī)監(jiān)測裝置等組成。在實際運(yùn)行中，PLC 控制器可對空壓機(jī)主電機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)等實現(xiàn)工頻、變頻運(yùn)行的切換，并在切換到的同時根據(jù)負(fù)載及電機(jī)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)對空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的效果。

2.2 空壓機(jī)變頻改造的軟件設(shè)計

空壓機(jī)變頻改造的軟件設(shè)計主要是完成PLC控制器程序控制流程圖及程序的編寫（鑒于篇幅有限，此處不列出PLC 主控制程序的流程圖）。

此外，為提升經(jīng)變頻改造后空壓機(jī)的抗干擾性能，提升其運(yùn)行的可靠性，針對綜采工作面相對惡劣的工作環(huán)境，將采取如下抗干擾措施：將控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號電纜與供電電纜分開鋪設(shè)，如需必要或條件允許，分別在信號電纜和供電電纜外層包裹屏蔽材料；務(wù)必將電纜中備用電芯接地，在增加電纜屏蔽作用的同時，避免外部信號對電纜信號的干擾；盡可能地采用雙芯屏蔽線作為信號傳輸線，并將低電平信號的傳輸與其他信號線分開[5]。

圖3 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC 控制器接線圖

3 改造效果分析

將上述改造方案應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，并對改造前后設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對比可得：改造后空壓機(jī)所獲得壓縮空氣的壓力更加穩(wěn)定，其壓力值為0.6 MPa，電網(wǎng)的電流值也相對平穩(wěn)；空壓機(jī)在運(yùn)行一段時間內(nèi)的平均電流值由原先的68 A 降低至49 A，對應(yīng)的功率值由原先的36 kW 降低至26 kW。

現(xiàn)場試驗的節(jié)能效果分析如下：按照空壓機(jī)每天工作8 h，每年工作350 d 計算。對于主電機(jī)，改造前耗能為36 kW×8 h×350=100 800 kWh，改造后耗能為26 kW×8 h×350=72 800 kWh。則，改造后每年可節(jié)約電能為28 000 kWh。

4 結(jié)論

1）采用三菱系列的變頻器與PLC 控制器相結(jié)合的改造思路，將空壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)改造為可根據(jù)管網(wǎng)壓力差及電機(jī)運(yùn)行頻率對設(shè)備主電機(jī)和風(fēng)機(jī)的變頻電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。

2）經(jīng)對空壓機(jī)電氣系統(tǒng)變頻改造后所獲得壓縮空氣的壓力更加穩(wěn)定，為0.6 MPa；空壓機(jī)運(yùn)行的平均電流和功率明顯降低，且每年可節(jié)約電能為28 000 kWh。