基于PLC和变频器在空压机节能改造中的设计

1 引言
空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。它的用途广泛，可以用于冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石油化工等各个行业。空压机占大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)耗电量的15%。经考察，大部分空压机自身存在着以下几个缺点:
(1)当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，严重浪费能源;
(2)异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命;
(3)工作条件恶劣，噪音大;
(4)自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低;
(5)空压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大。
针对以上存在的问题，设计采用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案，经分析，该方案自动化程度高，节能效果显著，实用性好。
2 空压机变频改造原理
2.1 空压机的工作原理
螺杆式空压机的工作原理图如图1所示，空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转。滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至气缸壁，高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小舒适耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经过油气分离器进行分离之后，油气经过油冷却器冷却再经过油过滤器流回储油罐，空气经过气冷却器(空气冷却装置)进行冷却而进入储气罐。

图1 空气压缩机原理图
2.2 空压机变频节能原理
变频调速技术近年来发展迅速[1]-[8]，并在许多领域发挥了重要的作用。空压机变频节能系统原理图如图2。

图2 空压机变频系统原理图

由于许多螺杆式空压机运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,那么能源都被白白的浪费了，而电动机转速自身不能改变，只能通过改变电机频率来调节转速。变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力。原理如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，使电动机上得到相应的转速。那么空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。
变频改造注意事项:
(1) 空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，又可保证 设备可靠稳定的运行;
(2) 空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于20Hz;
(3) 建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况;
(4) 为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性;
(5) 设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。
3 基于PLC的空压机变频控制系统
控制系统由以下部分组成:变频器、可编程控制器、电抗器、压力变送器、震荡传感器、接触器、空气开关、电缆、电流表、电压表、按钮、互感器等。
基于PLC的变频控制系统原理图如图3所示。PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块、开关量输入、输出模块等组成。其中采用PLC来实现电气部分的控制。包括五部分:起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。
起动:以两台电机M1，M2为例如图3所示，可以通过转换开关选择变频/工频启动。

图3 基于PLC的空压机变频控制系统原理图
运行:正常情况，电机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机状态。现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经PID指令运算，得到频率信号，调节变频器的输出频率，以调节电动机的转速，达到所需压力的目的。
停止:按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。
切换:实现M1，M2工频、变频相互切换。
报警及故障自诊断:空压机内部一般有四个需要监测的量:冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。
4 空压机变频改造方案分析
以大连市原五二三厂某厂房空压机为例，改造前经测试参数如下:电机功率110kW，出口压力为5.9 ~6.5MPa，运行时间为12h/d，一年运行320天，加载时间为15s，减载时间15s;加载电流为190A，减载电流为90A。经检测其节电率为30%以上。年节电量(按30%)计算如下:
W节电量=12×320×110×30%=1.27×105(kW·h)
可见节电效果明显，此外，改造后系统还存在以下优点:
(1) 减少了机器的噪音，利用PLC和变频器实现了机器的软启动、软停止，避免了空压机启动时对电网的冲击，减少了对设备的维修量;
(2) 两套控制回路可保证系统的正常、安全运行;
(3) 自动化程度高，克服原系统手动调节的缺点。
5 结束语
提出利用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案。实验结果表明，改造后系统具有节约能源，自动化程度高，降低原系统噪音，减少设备维修量等优点，具有很大应用价值。