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解決方案



电气自动化行业应用解決方案
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空壓機應用

ACIV11變頻器在空壓機節能改造的應用

一. 空壓機工作原理

    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,其中螺杆式空壓機應用最广),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.活塞式空壓機的工作原理

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.螺杆式空壓機工作原理

螺杆式空壓機是由一對相互平行齧合的陰陽轉子(或稱螺杆)在氣缸內轉動,使轉子齒槽之間的空氣不斷地産生周期性的容積變化,空氣則沿著轉子軸線由吸入側輸送至輸出側,實現螺杆式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。空壓機的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端,陰轉子的槽和陽轉子的齒由主電機驅動而旋轉。



二、空壓機節能改造的必要性

    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、氣壓超過上限壓力時空壓機卸載,這時電機仍然在空轉,不僅浪費大量的電能,同時增加了電機軸承的磨損。

2、頻繁加卸載造成對電網的沖擊,使電網電壓波動較大,同時也加大了機械磨損,縮短機械壽命。

3、氣量無法保持恒壓。當用氣量不斷變化時,供氣壓力不可避免産生波動,使用氣精度達不到工藝要求,影響生産效率及産品品質。

綜上所述:若能采用變頻調速技術,當用氣量減少時,儲氣罐壓力升高,此時壓力大于設定壓力,通過變頻器PID調節,能夠降低電動機的轉速,從而減小電動機的運行功率,實現節能的目的。


三、V11變頻恒壓控制系統

1、系統特點

V11變頻調速系統將管網壓力作爲控制對象。壓力值由變頻器面板給定(V11有多種給定通道),可根據用氣設備的實際需要,在空壓機的最高允許工作壓力內自由設定。與儲氣罐相連的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變爲4~20mA電流信號送給V11內置PID調節器,與壓力給定值進行比較,並根據差值的大小控制變頻器的輸出頻率,調整電動機的轉速,從而使實際壓力始終維持在給定壓力。V11內置PID具有穩定性高、調試簡單的特點。



2、節能效果

    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,負載轉矩不變,所以轴功率与转速N成正比,见下表:


頻率值Hz504540353025
供氣量Q%1009080706050
負載轉矩不變不變不變不變不變不變
軸功率P%1009080706050
節電率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、綜合效益

    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、變頻系統設計中注意事項

1、空壓機是大轉動慣量負載,很容易引起V/F控制方式的變頻器在啓動時出現過電流,在電機轉速過低時(如頻率小于30Hz)如果V/F曲線調得不好,空壓機的震動會加大,噪音也會加大。因此應選用大啓動轉矩、過載能力強的矢量變頻器。V11系列的過載能力達到180%,啓動轉矩0.5HZ可輸出100%轉矩,可保證設備運行時穩定可靠、噪音小、供氣壓力連續穩定。

2、空壓機不允許長時間低頻運行,若空壓機轉速過低,一方面會使空壓機的工作穩定性變差,噪音加大,另一方面也使缸體的潤滑條件變差、磨損加大,進而導致噴油現象。所以,空壓機工作的下限頻率應不低于25Hz(25Hz以下運行時,電機散熱條件變差,電機發熱嚴重,電機溫升過高,容易造成電機絕緣降低,降低電機的使用壽命),且減速時間應盡量短。V11電壓波動範圍±15%且耐壓高、可設置較短的減速時間短,從而避免因減速時間過長而産生的噴油現象。

3、在滿足生産工藝的要求下,壓力設定越低越好。因爲空壓機工作壓力越高,空壓機工作時的背壓越高,壓縮比越大,所需電動機軸功率就越大,耗電量就越多。

4、供氣管網應沒有漏氣現象,以避免由此導致的電能浪費。


五、V11空壓機改造功能參數表:


功能碼

功能說明

設定值

功能備注

F0.00

控制模式選擇

0

矢量控制

F0.01

啓停信號選擇

1

端子啓停

F0.03

主頻率源選擇

8

PID

F0.11

上限頻率設定

50

HZ

F0.14

下限頻率設定

25

HZ

F0.15

下限頻率作用

1

根據實際需要設定

F0.18

加速時間

12

S

F0.19

減速時間

5

S

F2.01

電機額定功率

280KW

Hz

Prm

V

F2.02

電機額定頻率

50

F2.03

電機額定轉速

1470

F2.04

電機額定電壓

380

F2.05

電機額定電流

538        A

F2.11

電機參數辨識

1

完整調諧

F4.10

節能運行

1

自动節能運行

F5.00

X1端子功能選擇

1

正轉運行(FWD)

F5.18

CI下限對應值

4ma

根據實際需要設定

F5.19

CI下限對應值

0%

F5.20

CI上限值

20ma

F5.21

CI上限對應設定

100%

F5.22

CI輸入濾波時間

0.2s

F9.00

PID給定源選擇

0

鍵盤給定

F9.01

鍵盤預置PID給定

20%

根據實際需要設定

F9.02

PID反饋源選擇

1

模擬通道CI反饋

F9.03

PID輸出特性

0

根據實際需要設定

F9.04

比例增益

0.9

F9.05

積分時間

7s

F9.06

微分時間

0s

F9.07

采樣周期

2s

F9.08

偏差極限

2%


    應用實例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。设定加速時間为12S、減速時間为5S,設定壓力0.72MPa。壓力穩定在0.71~0.73MPa。運行數據如下:


啓動壓力

設定壓力

啓動電流A

運行電流A

0Mpa

0.72

460

420

0.6Mpa

0.72

490

450

0.7Mpa

0.72

560

490


    應用實例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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