張浩 籍冬梅

摘 要：針對(duì)空氣壓縮機(jī)能源耗費(fèi)量大的問(wèn)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(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，該方法節(jié)電效果明顯。使用該方法對(duì)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。

關(guān)鍵詞：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(wèn)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(jiǎn)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(rùn)滑油過(guò)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(duì)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(duì)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(guò)改變供電頻率調(diào)節(jié)負(fù)載，從而達(dá)到降低功耗，延長(zhǎng)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(guò)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(guò)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。

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(kāi)始廣泛使用變頻技術(shù)。在文獻(xiàn)[1]采用對(duì)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。從整機(jī)的角度考慮了泄露和損失對(duì)壓縮機(jī)使用效率的影響，通過(guò)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(duì)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)，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(guò)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：

（1）

其中，為電機(jī)轉(zhuǎn)速，表示激勵(lì)電源的頻率，為電機(jī)極對(duì)數(shù)，是轉(zhuǎn)速差。變頻技術(shù)的基本原理就是通過(guò)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(guò)測(cè)量氣缸內(nèi)氣體的壓力，將其作為閉環(huán)的速度反饋，通過(guò)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(duì)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(cè)量、比較和執(zhí)行。其過(guò)程主要是將關(guān)心的變量進(jìn)行測(cè)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：

（2）

其中和分別代表了輸入和輸出信號(hào)，、、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(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、穩(wěn)定精度等指標(biāo)，、、的作用如下：

比例環(huán)節(jié)：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。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)：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(guò)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)：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.越大則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性越好，但過(guò)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)。

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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)處理后與設(shè)定的壓力值進(jìn)行對(duì)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(cè)量、比較和調(diào)整的過(guò)程，達(dá)到維持氣缸內(nèi)部空氣壓力值的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

空氣壓縮機(jī)通常利用加壓和卸載壓力的方式對(duì)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(jiǎn)單，從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，節(jié)能率可以達(dá)到25%，節(jié)能效果明顯。

參考文獻(xiàn)：

[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(kāi)發(fā).西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（07）

[2]穆安樂(lè)，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)，2013（01）