田偉平

（西山煤電機電修造園區(qū)新恒源分公司，山西 太原 030053）

引言

空氣壓縮機為綜采工作面提供動力源僅次于電能的關(guān)鍵設(shè)備，由于設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的原因?qū)е缕浯嬖诿黠@的技術(shù)缺陷。實踐表明：當空壓機的輸出的壓力超過一定限值時，設(shè)備的卸荷閥會自動打開，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，進而造成電能的浪費。此外，空壓機異步電機的頻繁啟停還會造成對設(shè)備電網(wǎng)的沖擊，對設(shè)備壽命和可靠性造成威脅。為此，實現(xiàn)空壓機的變頻調(diào)速改造勢在必行，刻不容緩[1]。本文著重對空壓機電氣控制系統(tǒng)進行變頻改造，并對改造后的效果進行驗證。

1 空壓機電氣控制系統(tǒng)變頻改造的總體設(shè)計

本文以螺桿式空氣壓縮機為例?？諝鈮嚎s機在電動機驅(qū)動的作用下，將經(jīng)空氣過濾器過濾后的空氣進行壓縮并由噴油對壓縮過的空氣進行冷卻和潤滑；而后在油氣分離器的作用下對冷卻潤滑后的壓縮空氣進行油、壓縮空氣的分離操作，并將分離后空氣儲存于儲氣罐中，以備后期使用。

本文著重實現(xiàn)空壓機的變頻調(diào)速功能，以解決設(shè)備耗能大的問題。鑒于空氣壓縮機的最終目的是獲取一定壓力的壓縮空氣，因此可通過控制最終壓縮空氣的出口壓力實現(xiàn)對空氣壓縮機的節(jié)能改造。而對于特殊行業(yè)而言，對空壓機出口氣體壓力的要求是不變的[2]。因此，只能通過控制空壓機的進出口壓差實現(xiàn)對設(shè)備的變頻節(jié)能改造，其變頻節(jié)能改造的總體原理框圖如圖1 所示。

如圖1 所示，PLC 通過對管路中的壓力和變頻電機輸出頻率進行比對，進而對變頻電機進行控制，以達到節(jié)能運行的目的。

圖1 空壓機變頻節(jié)能改造總體原理框圖

2 空壓機電氣控制系統(tǒng)變頻改造的設(shè)計

目前，在實際應(yīng)用中空壓機常采用兩臺電機并聯(lián)運行進行控制，使其根據(jù)負載的變化實時控制電機轉(zhuǎn)速，進而達到節(jié)能生產(chǎn)的目的。因此，對于雙電機并聯(lián)驅(qū)動的空壓機而言，提出如下控制要求：一是要求電機采用一用一備的工作模式。二是一臺電機為主控電機（1 號）且在正常工況下其處于工頻運行狀態(tài)，當1 號電機運行頻率達到極限且進出口壓差還很大時，2 號電機啟動進行變頻操作，此時1 號電機切換為工頻運行；當2 號電機的變頻運行效率很低且進出口壓差很小時，1 號電機停機，2 號電機仍以變頻運行[3]。三是為提升空壓機變頻調(diào)速功能的可靠性，采用PLC 控制器為核心的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對空壓機變頻電機在工頻、變頻運行模式的切換。變頻器的切換工作如圖2 所示。

2.1 空壓機變頻改造的硬件設(shè)計

圖2 空壓機變頻切換示意圖

如圖2 所示，實現(xiàn)空壓機變頻改造的核心是為其電氣控制系統(tǒng)選擇最佳的變頻器和PLC 控制器。就變頻器而言，其選型主要依據(jù)變頻器的容量，并對變頻器的類型及變頻器能否滿足電網(wǎng)與變頻器的切換、瞬時停電再啟動的功能等提出要求。

為滿足空壓機系統(tǒng)機械部件的調(diào)速控制需求，本方案選用功能更為強大的通用變頻器。當前空壓機系統(tǒng)中對應(yīng)電機在滿載時電流值最大的電機為系統(tǒng)配置的主電機，其電流值為69.8 A，根據(jù)式（1）計算可得：

式中：Imax為空壓機系統(tǒng)中主機或風(fēng)機的最大電流值，IN為對應(yīng)選型變頻器的額定電流值。

經(jīng)計算可得，對于空壓機的主電機而言，其對應(yīng)變頻器的額定電流值需滿足≥76.78 A 的要求，綜合比對產(chǎn)品最終針對空壓機主電機所選型變頻器的型號為三菱廠家的FR-F740-45K-CH，該產(chǎn)品對應(yīng)額定電流值為85 A；對于空壓機系統(tǒng)中的風(fēng)機而言，其在滿載狀態(tài)下的最大電流值為29.4 A，則對應(yīng)變頻器的額定電流值需滿足≥32.34 A 的要求，綜合比對產(chǎn)品最終針對空壓機主電機所選型變頻器的型號為三菱廠家的FR-F740-18.5K-CHT，該產(chǎn)品對應(yīng)額定電流值為35 A[4]。

在變頻器選型的基礎(chǔ)上，為確?？諌簷C電氣控制系統(tǒng)變頻改造后的閉環(huán)控制效果，結(jié)合PLC 控制CPU 模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊以及存儲器模塊功能需求，本方案選用三菱FX2N 系列的PLC 控制器。根據(jù)空壓機電氣控制系統(tǒng)變頻改造后的控制思路及控制要求，針對PLC 控制器設(shè)計如圖3 所示的接線圖。

經(jīng)改造后的空壓機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由變頻器、PLC 控制器、接觸器和壓機監(jiān)測裝置等組成。在實際運行中，PLC 控制器可對空壓機主電機、風(fēng)機電機等實現(xiàn)工頻、變頻運行的切換，并在切換到的同時根據(jù)負載及電機變頻器的運行狀態(tài)對空壓機電機轉(zhuǎn)速進行控制，從而達到節(jié)能運行的效果。

2.2 空壓機變頻改造的軟件設(shè)計

空壓機變頻改造的軟件設(shè)計主要是完成PLC控制器程序控制流程圖及程序的編寫（鑒于篇幅有限，此處不列出PLC 主控制程序的流程圖）。

此外，為提升經(jīng)變頻改造后空壓機的抗干擾性能，提升其運行的可靠性，針對綜采工作面相對惡劣的工作環(huán)境，將采取如下抗干擾措施：將控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號電纜與供電電纜分開鋪設(shè)，如需必要或條件允許，分別在信號電纜和供電電纜外層包裹屏蔽材料；務(wù)必將電纜中備用電芯接地，在增加電纜屏蔽作用的同時，避免外部信號對電纜信號的干擾；盡可能地采用雙芯屏蔽線作為信號傳輸線，并將低電平信號的傳輸與其他信號線分開[5]。

圖3 空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC 控制器接線圖

3 改造效果分析

將上述改造方案應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，并對改造前后設(shè)備的運行參數(shù)進行對比可得：改造后空壓機所獲得壓縮空氣的壓力更加穩(wěn)定，其壓力值為0.6 MPa，電網(wǎng)的電流值也相對平穩(wěn)；空壓機在運行一段時間內(nèi)的平均電流值由原先的68 A 降低至49 A，對應(yīng)的功率值由原先的36 kW 降低至26 kW。

現(xiàn)場試驗的節(jié)能效果分析如下：按照空壓機每天工作8 h，每年工作350 d 計算。對于主電機，改造前耗能為36 kW×8 h×350=100 800 kWh，改造后耗能為26 kW×8 h×350=72 800 kWh。則，改造后每年可節(jié)約電能為28 000 kWh。

4 結(jié)論

1）采用三菱系列的變頻器與PLC 控制器相結(jié)合的改造思路，將空壓機電氣控制系統(tǒng)改造為可根據(jù)管網(wǎng)壓力差及電機運行頻率對設(shè)備主電機和風(fēng)機的變頻電機進行變頻調(diào)速控制。

2）經(jīng)對空壓機電氣系統(tǒng)變頻改造后所獲得壓縮空氣的壓力更加穩(wěn)定，為0.6 MPa；空壓機運行的平均電流和功率明顯降低，且每年可節(jié)約電能為28 000 kWh。