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                电气自动化行业应用解决方案
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                空压机应用

                ACIV11变频器在空压机节能改造的应用

                一. 空压机工作原理

                    空气压缩机(英文为:air compressor)是气源装置中的主体,它是将原动机(通常是电动机)的机械能转换成气体压力能的装置,是压缩空气的气压发生装置。在工业生产中有着极其广泛的应用,在各种行业中它担负着为工厂中所有气动元件,各种气动阀门提供气源的职责。因此,空压机运行状况的好坏直接影响工厂的生产工艺。空压机的种类很多(主要分为螺杆式,活塞式,其中螺杆式空压机应用最广),空压机供气的控制方式都是采用加、卸载的方式控制储气罐的压力在一定的范围内。

                1.活塞式空压机的工作原理

                活塞式空压机是由电动机带动皮带轮通过联轴器直接驱动曲轴,带动连杆与活塞杆,使活塞在压缩机气缸内作往复运动,完成吸入、压缩、排出等过程,将无压或低压气体升压,并输出到储压罐内。其中,活塞环、活塞与汽缸内壁及汽缸盖构成容积可变的工作腔,在曲柄连杆带动下,在汽缸内作往复运动以实现汽缸内气体的压缩。         

                2.螺杆式空压机工作原理

                螺杆式空压机是由一对相互平行啮合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动,使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化,空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧,实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端,阴转子的槽和阳转子的齿由主电机驱动而旋转。



                二、空压机节能改造的必要性

                    由于空压机不排除在满负荷状态下长时间运行的可能性,所以,选型时只能按最大需求来确定电机容量,造成空压机系统余量一般偏大。传统空压机一般采用星三角、自耦变压器或频敏变阻器启动,启动时电流仍然能达到额定电流的2~3倍,冲击大,会影响到电网的稳定性。且大多数空压机是连续运行,由于一般空压机的电机本身不能根据压力需求的变动来实现降速,使电机输出功率与现场实际压力需求量相匹配,导致在用气量少的时候仍然要空载运行,造成巨大的电能浪费。据统计,空压机的耗电量占工业设备耗电量的15%。因此空压机的节能改造势在必行,另外,空压机还存在以下几个问题:

                1、气压超过上限压力时空压机卸载,这时电机仍然在空转,不仅浪费大量的电能,同时增加了电机轴承的磨损。

                2、频繁加卸载造成对电网的冲击,使电网电压波动较大,同时也加大了机械磨损,缩短机械寿命。

                3、气量无法保持恒压。当用气量不断变化时,供气压力不可避免产生波动,使用气精度达不到工艺要求,影响生产效率及产品品质。

                综上所述:若能采用变频调速技术,当用气量减少时,储气罐压力升高,此时压力大于设定压力,通过变频器PID调节,能够降低电动机的转速,从而减小电动机的运行功率,实现节能的目的。


                三、V11变频恒压控制系统

                1、系统特点

                V11变频调速系统将管网压力作为控制对象。压力值由变频器面板给定(V11有多种给定通道),可根据用气设备的实际需要,在空压机的最高允许工作压力内自由设定。与储气罐相连的压力变送器将储气罐的压力转变为4~20mA电流信号送给V11内置PID调节器,与压力给定值进行比较,并根据差值的大小控制变频器的输出频率,调整电动机的转速,从而使实际压力始终维持在给定压力。V11内置PID具有稳定性高、调试简单的特点。



                2、节能效果

                    采用该系统改造后,压缩机组的供气量与系统所需量动态匹配,压缩机电机转速会随着系统用气量的不同而进行调节,避免了电机空转以及频繁的加卸载所带来的能量损耗,电机的输入功率大大降低,节电效果显著。空压机属于恒转矩负载,供气量Q 与转速N 成正比,负载转矩不变,所以轴功率与转速N成正比,见下表:


                频率值Hz504540353025
                供气量Q%1009080706050
                负载转矩不变不变不变不变不变不变
                轴功率P%1009080706050
                节电率N%01020304050


                    一般来说,对于连续用气的空压机系统,随用气量的变化,电动机运行频率在25-50Hz 之间动态调节,除去电机及其它损耗,系统的节电率可达15%~30%。

                3、综合效益

                    ①运行成本降低:空压机的运行成本由三项组成:初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占压缩机运行成本的70%。通过降低能源成本30%,再加上变频起动后对设备的冲击减少,维护和维修量也随之降低,所以运行成本将大大降低。

                    ②提高供气质量:变频控制系统具有精确的压力控制能力。通过使空压机的空气压力输出与用户所需的气量相匹配,可以使管网的系统压力保持恒定,有效地提高了供气的质量。

                    ③延长压缩机的使用寿命:变频器有软启动功能,可减少启动时对压缩机机械部件的冲击,增强系统可靠性,延长压缩机使用寿命。同时减少空压机启动对电网的冲击。


                四、变频系统设计中注意事项

                1、空压机是大转动惯量负载,很容易引起V/F控制方式的变频器在启动时出现过电流,在电机转速过低时(如频率小于30Hz)如果V/F曲线调得不好,空压机的震动会加大,噪音也会加大。因此应选用大启动转矩、过载能力强的矢量变频器。V11系列的过载能力达到180%,启动转矩0.5HZ可输出100%转矩,可保证设备运行时稳定可靠、噪音小、供气压力连续稳定。

                2、空压机不允许长时间低频运行,若空压机转速过低,一方面会使空压机的工作稳定性变差,噪音加大,另一方面也使缸体的润滑条件变差、磨损加大,进而导致喷油现象。所以,空压机工作的下限频率应不低于25Hz(25Hz以下运行时,电机散热条件变差,电机发热严重,电机温升过高,容易造成电机绝缘降低,降低电机的使用寿命),且减速时间应尽量短。V11电压波动范围±15%且耐压高、可设置较短的减速时间短,从而避免因减速时间过长而产生的喷油现象。

                3、在满足生产工艺的要求下,压力设定越低越好。因为空压机工作压力越高,空压机工作时的背压越高,压缩比越大,所需电动机轴功率就越大,耗电量就越多。

                4、供气管网应没有漏气现象,以避免由此导致的电能浪费。


                五、V11空压机改造功能参数表:


                功能码

                功能说明

                设定值

                功能备注

                F0.00

                控制模式选择

                0

                矢量控制

                F0.01

                启停信号选择

                1

                端子启停

                F0.03

                主频率源选择

                8

                PID

                F0.11

                上限频率设定

                50

                HZ

                F0.14

                下限频率设定

                25

                HZ

                F0.15

                下限频率作用

                1

                根据实际需要设定

                F0.18

                加速时间

                12

                S

                F0.19

                减速时间

                5

                S

                F2.01

                电机额定功率

                280KW

                Hz

                Prm

                V

                F2.02

                电机额定频率

                50

                F2.03

                电机额定转速

                1470

                F2.04

                电机额定电压

                380

                F2.05

                电机额定电流

                538        A

                F2.11

                电机参数辨识

                1

                完整调谐

                F4.10

                节能运行

                1

                自动节能运行

                F5.00

                X1端子功能选择

                1

                正转运行(FWD)

                F5.18

                CI下限对应值

                4ma

                根据实际需要设定

                F5.19

                CI下限对应值

                0%

                F5.20

                CI上限值

                20ma

                F5.21

                CI上限对应设定

                100%

                F5.22

                CI输入滤波时间

                0.2s

                F9.00

                PID给定源选择

                0

                键盘给定

                F9.01

                键盘预置PID给定

                20%

                根据实际需要设定

                F9.02

                PID反馈源选择

                1

                模拟通道CI反馈

                F9.03

                PID输出特性

                0

                根据实际需要设定

                F9.04

                比例增益

                0.9

                F9.05

                积分时间

                7s

                F9.06

                微分时间

                0s

                F9.07

                采样周期

                2s

                F9.08

                偏差极限

                2%


                    应用实例1:佛山中帮无纺使用美国寿力牌空压机,电机功率为280KW,配V11  280KW矢量型变频器。设定加速时间为12S、减速时间为5S,设定压力0.72MPa。压力稳定在0.71~0.73MPa。运行数据如下:


                启动压力

                设定压力

                启动电流A

                运行电流A

                0Mpa

                0.72

                460

                420

                0.6Mpa

                0.72

                490

                450

                0.7Mpa

                0.72

                560

                490


                    应用实例2:广州花都同昌纸品有限公司有4台30KW的空压机,采用广州市珠峰电气有限公司生产的空压机专用控制器 ACI KYK3/KB。该控制器由微电脑控制,能够实现智能化运行,包括空压机排气温度自动控制,空压机各种故障检测及实时显示、故障保护停机。空压机专用控制器由控制模块,显示屏组成。该控制器配合高性能V11矢量变频器能够有效的控制空压机的稳定运行,即使在25Hz时噪音也很小,不仅能节约电能,还能降低空压机机械磨损,提高轴承的使用寿命,减少维修费用,降低运行成本,综合效益明显。控制原理简图图如下:



                   
                    通过改造后,运行电流、电机功耗降低(节电18%),维修周期延长(原来半年左右就要维修1次,自2011年3月改造至2012年2月一直在稳定运行),综合成本下降。

                六 结束语

                    珠峰ACI空压机节电系统作为珠峰电气目前推进的项目,已经成立空压机事业部,变频技术已经成熟成功的应用在了工业生产中,而伺服空压机作为未来的重点项目,也已经在珠峰电气的应用项目中提上了日程。 



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