張忠蓮 張國敏

(山東省循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)會(huì),山東濟(jì)南 250012)

節(jié)能型壓縮機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張忠蓮 張國敏

(山東省循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)會(huì),山東濟(jì)南 250012)

針對空氣壓縮機(jī)能源耗費(fèi)量大的問題,提出了一種基于變頻技術(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了一套以變頻器為控制核心的智能型節(jié)能控制系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證,該方法節(jié)電效果明顯。使用該方法對空氣壓縮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高壓縮機(jī)的使用效率,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

礦用空氣壓縮機(jī) 變頻技術(shù) 節(jié)能減排 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

能源枯竭、資源浪費(fèi)是全球人們面臨的共同性問題。在不可再生能源匱乏嚴(yán)重的前提下，如何提高能源利用效率，減少能源消耗已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)亟待解決的難題。螺桿壓縮機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、零件整體性好不易損壞的特點(diǎn)贏得許多行業(yè)的廣泛關(guān)注。尤其是其平衡性好、振動(dòng)小、以及容積率高，因此成為各個(gè)行業(yè)中最常用的壓縮機(jī)機(jī)型之一。然而，螺桿式壓縮機(jī)使用噪聲大，工作時(shí)需要單獨(dú)配置一套輔助設(shè)備，用于潤滑油過濾、分離、冷卻和加壓。因此不可避免的造成能源消耗比較大。螺桿空氣壓縮機(jī)功率少則幾十千瓦，多則上百，大型的壓縮機(jī)功率甚至達(dá)到10000kW，假設(shè)能量損失在10%-20%，浪費(fèi)能源將高達(dá)1000kW-2000kW；對于小型的壓縮機(jī)雖然單個(gè)浪費(fèi)能源量不大，但由于使用比較普遍，浪費(fèi)總量也不容易忽視。因此研發(fā)出新型、環(huán)保、高效、節(jié)能的螺桿壓縮機(jī)，即符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展社會(huì)對降低成本的需求，又符合減少能源消耗的發(fā)展戰(zhàn)略要求。

變頻是通過改變供電頻率調(diào)節(jié)負(fù)載，從而達(dá)到降低功耗，延長設(shè)備使用壽命以及減小損耗的目的，其核心是變頻器。變頻器是一種可以改變供電頻率的裝置，通過改變供電頻率，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過變頻技術(shù)可以使得負(fù)載較小時(shí)采用較低功耗的輸入，負(fù)載大使采用較高的輸入，因此達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1變頻技術(shù)的空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成

圖2 PID控制效果仿真曲線

目前以中央空調(diào)內(nèi)的壓縮機(jī)為代表的各類壓縮機(jī)已經(jīng)開始廣泛使用變頻技術(shù)。在文獻(xiàn)[1]采用對理論分析和數(shù)學(xué)模擬的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子型線等參數(shù)之間的內(nèi)在規(guī)律，因此提高了壓縮機(jī)工作效率。穆安樂[2，3]則是從整機(jī)的角度考慮了泄露和損失對壓縮機(jī)使用效率的影響，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子端面型線和轉(zhuǎn)子幾何特性值計(jì)算提高了整機(jī)的使用效率。另外，外部傳動(dòng)方式的優(yōu)化等也是提高使用效率的有效手段。對機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法可以提高傳動(dòng)和運(yùn)行效率，然而螺桿式壓縮機(jī)，輔助設(shè)備耗能占據(jù)總耗能的很大比例。因此，提高螺桿式壓縮機(jī)的效率需要兼顧壓縮機(jī)系統(tǒng)的傳送節(jié)能和輔助系統(tǒng)節(jié)能。變頻技術(shù)具有優(yōu)異的調(diào)速和啟制動(dòng)性能、效率高、功率因素高和節(jié)電效果明顯的特點(diǎn)[4-7]，因此廣泛應(yīng)用于各類壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

1.1 變頻調(diào)速原理

空氣壓縮機(jī)通常利用加壓和卸載壓力的方式使空氣壓力維持在一定范圍。當(dāng)空氣壓力達(dá)到最佳工作壓力后，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致空氣壓力繼續(xù)上升，而當(dāng)上升超過指定范圍后，壓縮機(jī)會(huì)自動(dòng)泄壓，從而導(dǎo)致了能量損失。礦用螺桿式壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)一般都是三相異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速可以表示為：

其中， n為電機(jī)轉(zhuǎn)速， f表示激勵(lì)電源的頻率， p為電機(jī)極對數(shù)， S是轉(zhuǎn)速差。變頻技術(shù)的基本原理就是通過調(diào)節(jié)電源的頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

調(diào)速的原理就是通過測量氣缸內(nèi)氣體的壓力，將其作為閉環(huán)的速度反饋，通過和給定的壓力進(jìn)行比較，得到偏差，將此信息傳輸?shù)阶冾l器后，可以對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行重新的控制和調(diào)節(jié)從而使壓力能夠維持在一定范圍內(nèi)。

1.2 PID算法原理

PID算法的要素包括測量、比較和執(zhí)行。其過程主要是將關(guān)心的變量進(jìn)行測量，并與期望值相比較得到的偏差可以用于調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的相應(yīng)。PID控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成，輸入和輸出的關(guān)系可以表示為：

其中 e(t)和 u(t)分別代表了輸入和輸出信號(hào)， Kp、 Ti、 Td分別代表了比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。在壓縮機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，針對系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、穩(wěn)定精度等指標(biāo)， Kp、 Ti、 Td的作用如下：

比例環(huán)節(jié) Kp：能夠反映出輸入和輸出之間的偏差轉(zhuǎn)速，當(dāng)偏差不為零時(shí)產(chǎn)生控制作用，從而達(dá)到減少偏差的目的。 Kp數(shù)值的大小與系統(tǒng)響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度都成正比，但與系統(tǒng)穩(wěn)定性成反比。

積分環(huán)節(jié) Ti：用于提高系統(tǒng)的誤差度。積分時(shí)間常數(shù)越大則積分作用越明顯，靜態(tài)誤差消除的也就越快，但過大則會(huì)在響應(yīng)初期產(chǎn)生飽和，影響到系統(tǒng)的超調(diào)量。

微分環(huán)節(jié) Td：用于反映偏差轉(zhuǎn)速的一個(gè)變化速率，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性. Td越大則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性越好，但過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致提前制動(dòng)，影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2 節(jié)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

結(jié)合某型礦用空氣壓縮設(shè)備的使用環(huán)境，本文給出了基于變頻技術(shù)的空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)。其硬件組成如圖1所示。

其中，系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列的PLC作為系統(tǒng)的主控單元，用于連接變頻器以及實(shí)現(xiàn)PID智能控制。選用該系列PLC的好處是容易添加擴(kuò)展模塊，例如在本系統(tǒng)中在該P(yáng)LC中擴(kuò)展數(shù)模擴(kuò)展模塊EM235可以直接將測量到的壓力數(shù)據(jù)和設(shè)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。通過變頻器可以改變電源頻率從而達(dá)到調(diào)速的目的。壓力傳感器用于測量氣缸中空氣的壓力，從而和給定壓力進(jìn)行對比。由于壓力測量結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響到了調(diào)節(jié)的精度，本文中增添了溫度傳感器，通過對溫度的測量從而對壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因而提高了壓力傳感器測量的準(zhǔn)確性。

2.2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

本文當(dāng)中的控制系統(tǒng)的核心在于利用PID算法對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于S7-200系列的PLC提供了PID預(yù)算指令，可以通過邏輯圖編程直接實(shí)現(xiàn)核心算法。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過讀取人機(jī)交互參數(shù)可以得到設(shè)定的壓力值，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)對空氣進(jìn)行壓縮，此時(shí)，PLC不斷讀取壓力傳感器采集得到的空氣壓力值，通過處理后與設(shè)定的壓力值進(jìn)行對比，作為輸入進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，得到調(diào)整的參數(shù)后控制變頻器改變電源頻率，并不斷重復(fù)測量、比較和調(diào)整的過程，達(dá)到維持氣缸內(nèi)部空氣壓力值的目的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)完成后，需要通過測試不斷完善PID的控制參數(shù)。本文在matlab中對PID算法進(jìn)行了仿真，并得到在P設(shè)定為22，I設(shè)定為0.8，D設(shè)定為12時(shí)可以得到較好的控制效果，仿真結(jié)果如2圖所示。

從圖2中可以看出在選用該參數(shù)時(shí)，控制性、系統(tǒng)超調(diào)量、動(dòng)態(tài)響應(yīng)都可以得到實(shí)際工程要求。將該方法用到某礦用空氣壓縮機(jī)后，系統(tǒng)可以達(dá)到25%以上的節(jié)電率?？諝鈮嚎s機(jī)通常是24小時(shí)不停運(yùn)轉(zhuǎn)。因此單臺(tái)機(jī)器每月產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)可以計(jì)算如下：

因此，采用變頻技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行控制可以得到明顯的節(jié)能效果。

4 結(jié)語

空氣壓縮機(jī)通常利用加壓和卸載壓力的方式對氣缸內(nèi)空氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種粗放式的壓力調(diào)節(jié)方式常常導(dǎo)致大量的能源浪費(fèi)。本文提出了一種基于變頻技術(shù)的空氣壓縮機(jī)控制方法，基于matlab仿真得到了最優(yōu)的控制參數(shù)。將該方法只需在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上增加控制系統(tǒng)旁路即可。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法簡單，從實(shí)際應(yīng)用效果來看，節(jié)能率可以達(dá)到25%，節(jié)能效果明顯。

[1]邢子文,吳華根,束鵬程.螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā).西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007(07)：第755-763+810頁.

[2]穆安樂，等.螺桿壓縮機(jī)整機(jī)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的確定.壓縮機(jī)技術(shù),2003(01)：第7-10頁.

[3]穆安樂，等.螺桿壓縮機(jī)整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì).壓縮機(jī)技術(shù),2003(03)：第20-23頁.

[4]石毅登，等.采用變頻技術(shù)的制冷裝置的優(yōu)勢分析.制冷與空調(diào),2004(05)：第59-62頁.

[5]石磊.數(shù)碼渦旋與變頻技術(shù)的對比分析.制冷技術(shù),2006(02)：第25-27+31頁.

[6]杜書有.我國變頻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.礦山機(jī)械, 2007(04)：第119-121頁.

[7]彭曉暉.變頻技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用及普及前景.有色冶煉,2002(06)：第146-148頁.