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    高压变频器在活塞式空压机上的应用

    2015-08-20 18:03:38
    一、引言    空气压缩机是空气供给系统的心脏,俗称气泵,它可以将空气的压力从普通的大气压提升到预定的压力值,以供生产使用,空气压缩机被广泛应用于电力、纺织、钢铁、食品、制药等工业现场。空压机在工业生产中有着广泛的应用,种类有很多,但其供气控制方式大多采用的是加、卸载控制方式。该供气控制方式虽然动作原理简单,但存在电能浪费大,启动电流大,对电网冲击大,供气压力不稳定,进气阀容易损坏等诸多问题。根据国家节能减排的要求,大多数企业都采用最新的电力电子技术和自动控制技术来实现设备低耗高效的生产运行。 二、工艺介绍    空压机供气系统具体工作流程为:当按下启动按钮,控制系统接通启动器线圈并打开断油阀,空压机在卸载模式下启动,这时进气阀处于关闭位置,而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压n秒(由时间继电器控制)后空压机开始加载运行,系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值,即起跳压力,控制器使进气阀关闭,油气分离器放气,压缩机空载运行,直到系统压力降到压力开关下限值后,即回跳压力下,控制器使进气阀打开,油气分离器放气阀关闭,压缩机打开,油气分离器放气阀关闭,压缩机满载运行。    在管道供气系统中,最基本的控制对象是流量,供气系统的基本任务就是满足用户对流量的需求。目前,常见的气体流量控制方式有加、卸载供气控制方式和转速控制方式两种。    加、卸载供气控制方式即为进气阀开关控制方式,即压力达到上限时关阀,压缩机进入轻载运行;压力抵达下限时开阀,压缩机进入满载运行。   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延长压缩机的使用寿命。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,电机功率下降幅度比较小。    加载时的电能消耗分析:在压力达到最小值后,原控制方式决定其压力会继续上升直到最大压力值。在加压过程中,一定要向外界释放更多的热量,从而导致电能损失。另一方面,高于压力最大值的气体在进入气动元件前,其压力需要经过减压阀减压,这一过程同样是一个耗能过程。     卸载时电能的消耗分析:当压力达到压力最大值时,空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态,同时将分离罐中多余的压缩成很大的能量浪费。据我们测算,空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%~25%(这空气通过放空阀放空。这种调节方法要造还是在卸载时间所占比例不大的情况下)。换言之,该空压机20%的时间处于空载状态,在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下,空压机电机存在很大的节能空间。    靠机械方式调节进气阀,使供气量无法连续调节,当用气量不断变化时,供气压力不可避免地产生较大幅度的波动。用气精度达不到工艺要求。再加上频繁调节进气阀,会加速进气阀的磨损,增加维修量和维修成本。频繁采用打开和关闭放气阀,放气阀的耐用性得不到保障。 三、空压机节能计算理论 1)流量与转子转速的关系式为: Qth=(丌/2)DLλN           (1)式中:Qth――理论流量,m�/min                  D――叶轮外径,m         L――叶轮长度,m                         N――叶轮转速r/min λ――面积利用系数;表示气缸空间的有效利用程度(圆弧一渐开线型线的面积利用系数λ=0.563~0.521) 2)实际流量Q为:    Q=Qthη             (2)式中:η――容积效率,一般为0.7~0.9 由(1)和(2)可知,对每一台空压机,其气缸容积利用系数都是一个定值,当可忽略容积效率的变化时,空压机的流量正比于转速. 3)功率特性 空压机的轴功率为:               P =( QthΔH)/6000β                   (3)式中:  P――轴功率,KW                Qth――理论流量,m�/min           ΔH――进出口压差,Pa          β――机械效率,一般为0.9 由式(1)和(3)可知,当空压机转速变化时,其轴功率与转速成正比 4)转矩特性 空压机的转矩为: M=9552(P/N)                             (4)由于空压机的轴功率与转速在正比,因此式(4)可知,当转速变化时,转矩不变,即空压机属于恒转矩运行. 可见空压机风量Q和电机的转速n是成正比关系的,而轴功率P与转速也是成正比关系。所以当需要80%的额定风量时,通过变频调节电机的转速至额定转速的80%,即调节频率到40赫兹即可,这时所需功率将仅为原来的80%. 考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗,通过实践的统计,一般空压机通过变频调速控制可节能10%~40%;详情见下图1: 图 1 节能示意图 四、系统方案    通过改变空压机的转速来调节流量,而阀门的开度保持不变(一般保持最大开度)。 当空压机转速改变时,供气系统的扬程特性随之改变,而管阻特性不变。在这种控制方式下,通过变频调速技术改变空压机电机的转速,空压机的供气流量可随着用气流量的改变而改变,达到真正的供需平衡。 采用的是深圳市 电气股份有限公司的CHH100-0630-10高压变频器。 4.1一次控制方案 本项目切换控制旁路系统采用一拖一手动方案,变频与工频能够手动切换,其一次原理图如下图2所示: 图 2 高压变频一拖一手动切换控制图    变频调速系统由用户开关、一拖一手动切换旁路柜、CHH100系列高压变频器、高压电机组成。一拖一手动切换旁路柜是由三个高压隔离开关QS1、QS2、QS3组成。手动旁路柜严格按照“五防”联锁要求设计,变频器输入输出高压隔离开关QS1、QS2和旁路高压隔离开关QS3机械闭锁,完全能够保证变频调速系统安全运行。 在变频运行状况下,QS1、QS2闭合,QS3断开。如需切换至工频运行时(故障),系统先停止变频器输出,断开用户开关, 再由机械操作依次断开QS1、QS2,然后机械操作闭合QS3,使电机切换至工频侧,再合上用户开关,使电机工频运行; 在工频旁路运行状况下QS3闭合,QS1、QS2断开。如需手动切换至变频运行时,系统先断开用户开关,由机械操作断开QS3,然后由机械操作依次闭合QS1、QS2,使电机切换至变频侧,再合上用户开关, 变频器自动检测电机运行相位和频率,在没有电流冲击的情况下,电机投入变频运行。 该系列高压变频调速系统采用单元串联多电平技术,10kV输入,10kV高压输出,属高-高电压源型变频器。 4.2二次控制方案    把管网压力作为控制对象,通过装在出气口的压力变送器检测管网压力,将压力值变换为电信号传输给远程监控系统或变频调速系统内部的PID调节器,与压力给定值进行比较,根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算,产生控制信号去控制变频调速系统的输出电压和逆变频率,调整电动机的转速,从而使实际压力始终维持在给定压力(如下图)。特别注意,在压力容差范围内,变频器的PID不调节,即保持输出频率不变。整个控制过程如下: 用气需求↑——管路气压↓——压力设定值与反馈值的差值↑——PID输出↑——变频调速系统输出频率↑——空压机电机转速↑——供气流量↑——管路气压趋于稳定    长期实践证明,在供气系统中接入变频节能系统,利用变频技术改变空压机的转速来调节管道中的流量,以取代阀门调节方式,能取得明显的节能效果,另外,变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对流量的平稳调节,同时减少启动冲击并延长机组及管组的使用寿命;变频器有效提高电动机的功率因数。 五、空压机变频改造优点    使用 高压变频器的对现用的空压机系统进行改造,以建立恒压供气系统,从而达到节电、减少噪音、降低设备磨损、减少电网冲击、提高功率因数、起到稳定产品质量的效果,达到了预期效果,实现了节能预期。 六、结束语    目前国内同行对高压空压机的变频改造案例很少, 高压变频成功应用在空压机改造,标志着 高压变频技术已达到一个新的台阶。
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