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空压机变频控制系统

2019-10-1913

一、变频控制系统

1、产品技术简介

变频器是一种应用在空压机类负载上的专用自控调速装置,它采用高科技的瞬流抑制专用快速开关元件组合,可有效过滤电网电路中的瞬流和浪涌,保护末端设备不受其影响和损坏;并减少由此引起的用电设备的能耗增加,提高整个系统的用电效率;具有节电和保护的双重功效。

2、节电原理和特点

一、节电原理

(1) 轻载降压节电

任何利用交流感应电动机作为电力传动方式的生产机械,电动机的功率是按最大负荷期额定负荷选择的。而工作时绝大部分不能满载运行,电动机工作于满电压、满速度而负载很小,也会有很多时间空载运行,由电机负载设计和运行特性可以知道,电动机只有运行在满载时才是效率最高、功率因数COS¢最佳状况,轻载时降低,空载时甚至降到0.3以下,造成许多不必要的电能损耗。现在采用检测负载大小的方法,根据负载的减少,适当降低定子电压可以提高效率,这是因为当轻载、空载时定子电流有功分量很小,而主要是励磁的无功电流,因此COS¢很低,而空载损耗中占主要成份的是定子满电压的铁损耗,一点没有减少,所以效率很低。如果适当降低定子电压,见电机负载定子感应电势公式:

U1≈E1=4.44F1N1KN1¢m

其中: U1—定子每相绕组串联匝数;KN1由于轻载、空载时定子电流很小,可以忽略定子绕组的漏阻抗压降,所以U1≈E1,当其它条件不变时,降低定子电压U1,则¢m比例下降,也即励磁无功电流IM也成比例下降,这样定子电流中的无功分量减少了,COS¢就提高了,适当控制可以接近最佳值。另外,其它条件不变,定子铁耗:PFel= pFeIN ×(U1/ UIN)2。

其中:PFel—定子铁耗;PFeIN —定子额定铁耗;UIN —定子额定端电压。

可以看出,随着U1下降,PFel以平方比例迅速下降,这样轻载、空载时占主要损耗的铁耗大量减少,使电机负载的运行效率大大提高,这就是轻载降压节电的道理。

(2) 调速节能

根据风机及泵类机械的相似定理:

Q∝n;M∝n2;P∝n3;

其中:Q—流体的流量;n—风机、水泵的轴转速;M—轴转矩;P—轴功率通常需要改变负载流量时,是用档板或阀门调节,这时输入功率变化不大,大量能量以压差的形式损耗在档板、阀门上了,不仅能耗大而且档板、阀门磨损易坏,噪声也大。由上面公式可见,只要改变n,测流量Q成比例变化,达到调节Q的目的,而轴功率可大大减少,如Q'=1/2,则P'=1/8×P,轴上功率仅为额定时的12.5%,还能节能(节电)80%以上,当然这是理想的,考其它因素,节能率要小些。另外,即使对于许多“恒转速”性质的机械,如活塞式空压机等,用调速改变负载,也有明显的节能效果,这是因为降速后(如用变频调速)电机负载和生产机械的多种损耗都随转速风速下降,效率都比机械方法有很大提高。

(3) 软起动节能

通常感应电动机采用直接接入电网起动的方法,电动机的起动电流为额定时的5~7倍不仅损耗大,对电网冲击也大,机械磨损,振动都大,如果用变频调速起动,可以将起动电流限制到很小,如果满载起动,也只要比额定电流稍大就可以了,这样起动损耗大大降低,既不冲击电网,又不冲击机械。

(4) 功率因数COS¢改善的好处

采用变频调速,由于变频器中有直流电容器的隔离作用,使输入的功率因数接近于电动机的励磁无功电流由电容器提供,这样可以节省很大的一块电网容量,一般可节省30%左右,所以很多大型企业中大容量设备进行变频调速改造后,可以增加不少新设备而不需扩容。

以上所述的这些节电功能利用微电脑技术全集于风机泵类节电控制器一身,即:矢量变频器 = 变频器 + 动态调功器 + 动态COS¢补偿器 + 软起动

节电控制器以每秒5000次监测负载电流,并用脉宽调制调压调频技术,以最新IGBT高频功率模块组成,具有67条操作主程序,50多条子程序,24种故障报警,9种保护功能,能在0.1秒内,在20~100%范围内迅速调节U值,以适应负载的快速变化,可以远程操作,安装和使用都很方便,根据不同负载及其变化量节能效果可达20~50%。

二、主要特点:

1) 节省电能,降低能源消耗,节约生产成本,节电率达到20%以上。

2) 提高电网功率因数,节省就地补偿装置,电网侧功率因数达到0.95以上。

3) 平滑启动,消除启动时的大电流冲击,启动时电机负载电流可限制在其额定电流的150%以内。

4) 减轻电机负载轴承等运动部件的磨损程度,延长其使用寿命。

5) 具有完善的保护和自保护功能,保证设备安全运行。

6) 设备故障率下降,可靠性提高,减少了备品备件消耗,降低了维修成本。

7) 通过内置的PID调节器或外加智能变送器配置不同工作状态下的传感器,可以达到自动跟踪、适时动态调节的目的。

8) 风机、水泵变频器一经安装调试完成,通电后它就会自动运行,操作方式相比改造前完全相同,操作工不必重新培训。

9) 完善的运行指示和故障查询功能,方便设备管理人员的日常维护工作。

二、原系统

现有一台200KW 阿特拉斯牌空压机,驱动-三相异步电机其启动方式为Y-△降压起动,控制电路采取PLC程序化控制;启动后电机一直运转,气缸阀门根据用气量多少以机械方式控制开启或关闭,由储气罐进行压力缓冲后将高压空气送至生产线,当管网的压力高于设定上限压力(1.6MPa)值时,压力开关将入口阀门关闭,空压机处于空载状态,当管网压力低于设定的下限(1.3MPa)值时,压力开关将打开入口阀门,使空压机工作在加载状态。因此压缩机运行在工频状态下,会导致系统耗电严重,压力不稳定等一系列不利因素。

原系统是采用控制进气口气阀的开关来控制供气的压力,管网压力达到设置的下限压力时加载,当管网压力达到设置的上限压力时卸载,由于用气量不断变化,造成空压机频繁加载/卸载,增加设备的磨损,而且控制精度不高,工作量较大,这些因素都不利于空压机的运行。同时,在进气口的阀门两端有很大的压差,因此在阀门上有较大的风阻损耗,这部分损耗在阀门开度不大时非常明显。

而彻底解决以上弊端的最优方案是对其进行变频改造。采用变频控制系统对空压机进行无级调速后,可以做到连续控制空压机的供气量,保证系统供气压力恒定不变,控制好压力,温度也就能很好的控制了;节能效果较好;同时大大减少了空压机的损耗,延长了空压机的寿命。

三、改造方案

1.保留原电机工频控制保护功能,增加一台变频控制柜,柜上设工频/变频转换旋钮,正常时变频运行,故障时转换到原工频系统;变频改造后在压缩机供气管道口安装压力变送器,检测管道供气压力并反馈给变频器,由变频器内(外)置PID功能根据用气量大小和设定压力比较后自动调整电机转速;当管道压力低于设定压力时变频器控制电机加速运行,当管道压力高于设定压力时变频器控制电机低速运行,当变频器在一定时间内始终以最低频率输出且管道压力仍高于上限值时电机可以适时设定停机。

2.系统功能特点:

A. 实现空压机的软启动,无峰值电流,启动平稳;
B. 大幅度降低空压机系统的噪声;
C  闭环控制,简便高效,可靠和自保护,无需专人看护;
D  运转平稳,延长空压机系统寿命,减少维护量。

 

3、工作原理:

恒压控制原理:在总管上安装压力变送器,输出4~20MA 的压力信号送到变频器模拟输入模块,经PID数据转换后一路送到文本显示器进行显示,同时与人为压力设定值(实际工况值)进行比较,并通过内部的PID 计算输出一路4~20MA的电流信号给变频器做频率给定,当输出的压力低于设定压力值时,PLC加大输出量,使变频器的运行频率上升,加快空压机的转速,以达到恒压的目的;当总管上的压力高于设定的压力值时,PLC就会减小输出量,使变频器减低速度运行,以达到稳定的压力输出给负载。当用气量小时,变频器工作在25HZ(频率可调),当压力还是大于设定值时,为保证空压机的正常运行,变频器频率不再下调,保持25HZ 运行,如果运行25HZ 1分钟(时间可调)后,压力还偏高,系统自动停止电机运行。当总管压力低于设定值时,系统自动启动变频。


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