PLC和變頻器在空壓機節能改造中的應用
1 引 言
空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內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行業都有廣泛的應用。空壓機占大型工業設備（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，輸出壓力的調節是靠人為調節閥的開度來實現的，調節速度慢，波動大，不穩定，精度低。
針對以上存在的問題，設計采用PLC和變頻器實現對螺桿式空氣壓縮機的節能改造方案，經分析，該方案自動化程度高，節能效果顯著，實用性好。
2 空壓機變頻改造原理
2.1 空壓機的工作原理
螺桿式空壓機的工作原理圖如圖1所示，空
氣經空氣過濾器和吸氣調節閥而吸入，該調節閥主要用于調節氣缸、轉子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽轉子旋轉相對于氣缸里偏心方式運轉。滑片安裝在轉子的槽中，并通過離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統能夠確保壓縮機良好的冷卻及潤滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經過油氣分離器進行分離，之后，油氣經過油冷卻器冷卻在經過油過濾器流回儲油罐，空氣經過氣后冷卻器 （空氣冷卻裝置）進行冷卻而進入儲氣罐。
2.2 空壓機變頻節能原理
螺桿式空壓機基本運行方式是加載、減載方式。減載時電機空轉,能源白白的浪費，如果利用變頻器通過改變電機頻率來調節轉速，變頻控制即通過改變電動機的轉速來控制空壓機單位時間的出風量，從而達到控制管路的壓力，具有明顯的節能效果。空壓機變頻節能系統原理圖如圖2所示。
原理如下：通過壓力變送器測得的管網壓力值與壓力的設定值相比較，得到偏差，經PID調節器計算出變頻器作用于異步電動機的頻率值。由變頻器輸出的相應頻率和幅值的交流電，在電動機上得到相應的轉速。那么空壓機輸出對應的壓縮空氣輸出至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網壓力與給定壓力值相同。
2.3變頻改造注意事項
(1) 空壓機是大轉動慣量負載，這種啟動特點很容易引起變頻器在啟動時出現跳過流保護的情況，建議采用具有高啟動轉矩的無速度矢量變頻器，保證既能實現恒壓供氣的連續性，有可保證設備可靠穩定的運行。
(2) 空壓機不允許長時間在低頻下運行，空壓機轉速過低，一方面使空壓機穩定性變差，另一方面也使缸體潤滑度變差，會加快磨損。所以工作下限應不低于20Hz。
(3) 建議功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動出現頻繁跳閘的情況。
(4) 為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減少電機運行的噪音，提高電機的穩定性。
(5) 設計的系統應具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現異常跳保護時，不影響生產。
3 基于PLC的空壓機變頻控制系統
3.1系統原理設計
控制系統由以下部分組成：變頻器、可編程控制器、變頻柜、電抗器、壓力變送器、震蕩傳感器、接觸器、空氣開關、電纜、電流表、電壓表、按鈕、互感器等。
基于PLC的變頻控制系統原理圖如圖3所示。PLC由觸摸屏、電源、CPU、模擬量輸出模塊、開關量輸入、輸出模塊等組成。其中采用PLC來實現電氣部分的控制。包括五部分：起動、運行、停止、切換、報警及故障自診斷。
起動：以兩臺電機M1，M2為例，可以通過轉換開關選擇變頻/工頻啟動。
運行：正常情況，電機M1處于變頻調速狀態，電動機M2處于停機狀態。現場壓力變送器檢測管網出口壓力，并與給定值比較，經PID指令運算，得到頻率信號，動動調節轉速達到所需壓力。
停止：按下停止按鈕，PLC控制所有的接觸器斷開，變頻器停止工作。
切換：實現M1，M2工頻、變頻相互切換。
報警及故障自診斷：
空壓機內部一般有四個需要監測的量：冷卻水壓力監測、潤滑油監測、機體溫度監測、儲氣罐壓力監測。
3.2案例分析
以某廠房空壓機為例。改造前經測試參數如下：電機功率110KW，出口壓力為5.9~6.5MPa，運行時間為12小時/天，一年運行320天，加載時間為15秒，減載時間15秒；加載電流為190A，減載電流為90A。經檢測其節電率為30%以上。年節電量（按30%）計算如下：
W節電量=12×320×110×30%=1.27×105（kWh）
可見節電效果明顯，此外，改造后系統還存在其它優點。首先，減少了機器的噪音。利用PLC和變頻器實現了機器的軟啟動、軟停止，避免了空壓機啟動時對電網的沖擊，減少了對設備的維修量。其次，兩套控制回路可保證系統的正常、安全運行。最后，自動化程度高，克服原系統手動調節的缺點。
4 結束語
利用PLC和變頻器實現對螺桿式空氣壓縮機的節能改造方案實驗結果表明，改造后系統具有節約能源，自動化程度高，降低原系統噪音，減少設備維修量等優點，具有深入研討的實用價值。
空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內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行業都有廣泛的應用。空壓機占大型工業設備（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，輸出壓力的調節是靠人為調節閥的開度來實現的，調節速度慢，波動大，不穩定，精度低。
針對以上存在的問題，設計采用PLC和變頻器實現對螺桿式空氣壓縮機的節能改造方案，經分析，該方案自動化程度高，節能效果顯著，實用性好。
2 空壓機變頻改造原理
2.1 空壓機的工作原理
螺桿式空壓機的工作原理圖如圖1所示，空
氣經空氣過濾器和吸氣調節閥而吸入，該調節閥主要用于調節氣缸、轉子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽轉子旋轉相對于氣缸里偏心方式運轉。滑片安裝在轉子的槽中，并通過離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統能夠確保壓縮機良好的冷卻及潤滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經過油氣分離器進行分離，之后，油氣經過油冷卻器冷卻在經過油過濾器流回儲油罐，空氣經過氣后冷卻器 （空氣冷卻裝置）進行冷卻而進入儲氣罐。
2.2 空壓機變頻節能原理
螺桿式空壓機基本運行方式是加載、減載方式。減載時電機空轉,能源白白的浪費，如果利用變頻器通過改變電機頻率來調節轉速，變頻控制即通過改變電動機的轉速來控制空壓機單位時間的出風量，從而達到控制管路的壓力，具有明顯的節能效果。空壓機變頻節能系統原理圖如圖2所示。
原理如下：通過壓力變送器測得的管網壓力值與壓力的設定值相比較，得到偏差，經PID調節器計算出變頻器作用于異步電動機的頻率值。由變頻器輸出的相應頻率和幅值的交流電，在電動機上得到相應的轉速。那么空壓機輸出對應的壓縮空氣輸出至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網壓力與給定壓力值相同。
2.3變頻改造注意事項
(1) 空壓機是大轉動慣量負載，這種啟動特點很容易引起變頻器在啟動時出現跳過流保護的情況，建議采用具有高啟動轉矩的無速度矢量變頻器，保證既能實現恒壓供氣的連續性，有可保證設備可靠穩定的運行。
(2) 空壓機不允許長時間在低頻下運行，空壓機轉速過低，一方面使空壓機穩定性變差，另一方面也使缸體潤滑度變差，會加快磨損。所以工作下限應不低于20Hz。
(3) 建議功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動出現頻繁跳閘的情況。
(4) 為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減少電機運行的噪音，提高電機的穩定性。
(5) 設計的系統應具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現異常跳保護時，不影響生產。
3 基于PLC的空壓機變頻控制系統
3.1系統原理設計
控制系統由以下部分組成：變頻器、可編程控制器、變頻柜、電抗器、壓力變送器、震蕩傳感器、接觸器、空氣開關、電纜、電流表、電壓表、按鈕、互感器等。
基于PLC的變頻控制系統原理圖如圖3所示。PLC由觸摸屏、電源、CPU、模擬量輸出模塊、開關量輸入、輸出模塊等組成。其中采用PLC來實現電氣部分的控制。包括五部分：起動、運行、停止、切換、報警及故障自診斷。
起動：以兩臺電機M1，M2為例，可以通過轉換開關選擇變頻/工頻啟動。
運行：正常情況，電機M1處于變頻調速狀態，電動機M2處于停機狀態。現場壓力變送器檢測管網出口壓力，并與給定值比較，經PID指令運算，得到頻率信號，動動調節轉速達到所需壓力。
停止：按下停止按鈕，PLC控制所有的接觸器斷開，變頻器停止工作。
切換：實現M1，M2工頻、變頻相互切換。
報警及故障自診斷：
空壓機內部一般有四個需要監測的量：冷卻水壓力監測、潤滑油監測、機體溫度監測、儲氣罐壓力監測。
3.2案例分析
以某廠房空壓機為例。改造前經測試參數如下：電機功率110KW，出口壓力為5.9~6.5MPa，運行時間為12小時/天，一年運行320天，加載時間為15秒，減載時間15秒；加載電流為190A，減載電流為90A。經檢測其節電率為30%以上。年節電量（按30%）計算如下：
W節電量=12×320×110×30%=1.27×105（kWh）
可見節電效果明顯，此外，改造后系統還存在其它優點。首先，減少了機器的噪音。利用PLC和變頻器實現了機器的軟啟動、軟停止，避免了空壓機啟動時對電網的沖擊，減少了對設備的維修量。其次，兩套控制回路可保證系統的正常、安全運行。最后，自動化程度高，克服原系統手動調節的缺點。
4 結束語
利用PLC和變頻器實現對螺桿式空氣壓縮機的節能改造方案實驗結果表明，改造后系統具有節約能源，自動化程度高，降低原系統噪音，減少設備維修量等優點，具有深入研討的實用價值。
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