艾默生变频器在空压机上的压力控制应用

    空气压缩机在国民经济和国防建设的许多部门中应用极广，特别是在矿山、化工、动力等工业领域中已成为必不可少的关键设备，是许多工业部门工艺流程中的核心设备。    (1)原系统存在的问题    在生产空压机的使用中，常常由于不能排除空压机在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需要来确定电动机的容量，设计余量一般偏大。工频启动设备时的冲击大，电机轴承磨损大，所以设备维护量大。虽然降压启动，但启动时的电流仍然很大，空载启动电流大约是额定电流的5～7倍，影响电网的稳定及其他用电设备的运行安全。而且大多数是连续运行，由于一般空气压缩机的拖动电机本身不能调速，因此就不能直接使用压力或流量的变动来实现降速调节输出功率的匹配，电机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，电能浪费巨大。    经常卸载和加载导致整个气网压力时常变化，不能保持恒定的工作压力，从而将影响压缩机的使用寿命。空压机的有些调节方式（如调节阀门或调节卸载等方式）即使在需要流量较小的情况下，由于电机转速不变，电机功率下降幅度也比较小。综上所述，若能采用变频调速技术，当流量需要量减少时，就可降低电动机的转速，从而较大幅度减小电动机的运行功率，以实现节能。    综上所述，原系统由于电机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，浪费电能。经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力。    (2)空压机变频改造的可行性分析    空压机的驱动轴上所需要的轴功率与排气压力、空压机转速有直接的关系，也就是说在实际运行中，由于压缩空气的使用随时在变化，空压机并不在额定的工况下运行，而空压机排气压力的高低则直接影响到实际轴功率的大小，排气压力越高，所需的轴功率也越大。其次，为满足用气量的随时变化要求，储气缸内气体必须保持一定的压力，比如现在大部分陶瓷厂的压力为0. 40～0. 55MPa，而目前大部分空压机均采用切断进气的调节方式来改变排气至储气缸的气量。对于空压机气量的供求关系表现为排气压力的变化，空压机排气量正好满足生产用气量要求时，储气压力保持恒定不变，若能维持这种状态当然最佳，但实际上用气量是随时变化的，而且设计余量较大，所以空压机排气量都要大于用气量。如果空压机仍恒速运转，则储气缸内的气体越积越多，当缸内的压力上升达到设定压力时，一般采取两种办法：一是空压机卸荷运行，不产生压缩气体，电动机处空载运转，其用电量仍为满负载的30%～60%，这部分能量被白白浪费掉；二是停止空压机运行，这样似乎空压机空转或不断放空所浪费的电能被消除，但是若无容积较大的储气缸，将会带来电机的频繁启动，空压机的空载电流大约是额定电流的3～5倍，对电网及其他设备冲击较大，同时空压机的使用寿命也会缩短。    综上所述，由于空压机可以在保证生产所需要的最低压力下运行，可使电机输入功率大大下降，辅以压力闭环控制，可实现空压机的供气压力一转速的动态匹配，减少电机的实际输入功率，达到了节能的目的。节能的另一方面是空压机停止了空转，电机不存在轻载运行，运行部分的能量很可观，相应带来的好处是：供气压力稳定性提高，而且压力可以无级设定，随时可调，电机实现软启动，压缩机的使用寿命及检修周期都将会大大延长。    (3)变频器在改造制动器中空压机的应用    在生产铁道机车制动器时，原空压机采用直接启动的控制方法，因厂房内气动设备多，用气量很大，空压机频繁地启动、停止，导致拖动电机以及电控箱多次被烧损，影响了车间的正常生产，为此采用变频调速控制系统对空气压缩机进行改造。    空气压缩机属恒转矩负载，其拖动电机功率为22kW，因此可选用艾默生EV2000-4T0220G/0300G型号的变频器(输出频率范围为0～650Hz)，它采用低频自动转矩提升技术保证通用电机在0. 5Hz时的启动转矩能达到180%，自动转差矢量控制技术可使转速在开环状态下的精度保持在0. 5%以内，它有很强的负载适应性和环境适应性，具有过热、过载、欠压、过压、过流等保护功能。    系统组成如图4-34所示，KM1变频启动接触器和KM2工频启动接触器由控制柜上的转换开关控制，M为三相拖动电机，SP为电流型压力传感器。为保证系统的安全性，变频系统与原直接启动电路采用互锁并联的方式，以便当变频器出现故障时可切换用原系统，确保生产的连续性和安全性。
    图4-34    系统组成框图    按图4-35所示接线。该变频器采用内置PI反馈控制，对空压机实行闭环控制：压力给定值通过电位器设定，压力反馈值为来自SP的0～20mA电流信号，输入到变频器的CCI口，从而实现恒压控制，使储气压力保持在一恒定值上。R、S、T端子接三相交流电源；U、V、W是变频器的输出端，接到电机上；P24是变频器内部提供的+24V DC输出；CCI为外部模拟量输入端；FWD为功能可编程选择端口，接受控制柜上的启、停开关信号命令；VRF为外接频率设定用的+10V DC辅助电源；VCI为电压模拟量输入通道，它接受压力控制指令；TA、TC为可编程继电器输出，出厂时已设置为故障继电器输出节点，当变频器出现故障时，控制柜上的故障灯就会发出报警信号，使操作人员及时发现并切换至工频运行，保证生产的连续进行。
    图4-35    变频器接线图    (4)改造后所达到的效果及问题    ①空压机变频改造后，具有以下优点：    a．电动机软启软停，对电机、空压机、电网的冲击大为减小，延长了设备的使用寿命，减少了设备的维修量和维护费用；    b．进一步完善了保护功能，如热保护，过电流、过电压、欠电压、短路、缺相保护等功能；    c．操作简单方便，运行平稳，电机、空压机温升正常，噪声、振动减小；    d．空压机不再频繁地加载和卸载．供气压力稳定，提高了产品质量。    ②变频改造中应注意的问题：    a．电机的散热问题．电机变频运行后，转速降低，装在电机轴上的散热风扇转速同样降低，电机的散热效果变差；    b．空压机的润滑问题，空压机的转速越低，润滑油的耗量也就越小，其润滑效果越差；    c．系统压力设定问题，由运行工况分析可知，空压机的排气压力越高，所需的电机轴功率越大，电机耗电也就越多，所以在满足生产工艺的要求下，压力设定值要尽可能的低一些。