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節能型壓縮機控制系統設計
【摘 要】 針對空氣壓縮機能源耗費量大的問題,提出了一種基于變頻技術的系統優化設計方法,實現了一套以變頻器為控制核心的智能型節能控制系統。經過實踐驗證,該方法節電效果明顯。使用該方法對空氣壓縮機進行優化設計可以提高壓縮機的使用效率,實現節能減排。
  【關鍵詞】 礦用空氣壓縮機 變頻技術 節能減排 優化設計
  1 引言
  能源枯竭、資源浪費是全球人們面臨的共同性問題。在不可再生能源匱乏嚴重的前提下,如何提高能源利用效率,減少能源消耗已經成為各個行業亟待解決的難題。螺桿壓縮機以其結構簡單、重量輕、零件整體性好不易損壞的特點贏得許多行業的廣泛關注。尤其是其平衡性好、振動小、以及容積率高,因此成為各個行業中最常用的壓縮機機型之一。然而,螺桿式壓縮機使用噪聲大,工作時需要單獨配置一套輔助設備,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。螺桿空氣壓縮機功率少則幾十千瓦,多則上百,大型的壓縮機功率甚至達到10000kw,假設能量損失在10%-20%,浪費能源將高達1000kw-2000kw;對于小型的壓縮機雖然單個浪費能源量不大,但由于使用比較普遍,浪費總量也不容易忽視。因此研發出新型、環保、高效、節能的螺桿壓縮機,即符合當前可持續發展社會對降低成本的需求,又符合減少能源消耗的發展戰略要求。
  變頻是通過改變供電頻率調節負載,從而達到降低功耗,延長設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,可以實現電動機運轉速度率的自動調節,通過變頻技術可以使得負載較小時采用較低功耗的輸入,負載大使采用較高的輸入,因此達到節能的目的。www.haofudezsh51.com
  目前以中央空調內的壓縮機為代表的各類壓縮機已經開始廣泛使用變頻技術。在文獻[1]采用對理論分析和數學模擬的方法優化設計了轉子型線等參數之間的內在規律,因此提高了壓縮機工作效率。穆安樂[2, 3]則是從整機的角度考慮了泄露和損失對壓縮機使用效率的影響,通過優化設計轉子端面型線和轉子幾何特性值計算提高了整機的使用效率。另外,外部傳動方式的優化等也是提高使用效率的有效手段。對機械結構優化的方法可以提高傳動和運行效率,然而螺桿式壓縮機,輔助設備耗能占據總耗能的很大比例。因此,提高螺桿式壓縮機的效率需要兼顧壓縮機系統的傳送節能和輔助系統節能。變頻技術具有優異的調速和啟制動性能、效率高、功率因素高和節電效果明顯的特點[4-7],因此廣泛應用于各類壓縮機的設計當中。
  1.1 變頻調速原理
  空氣壓縮機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。當空氣壓力達到最佳工作壓力后,電機繼續轉動,會導致空氣壓力繼續上升,而當上升超過指定范圍后,壓縮機會自動泄壓,從而導致了能量損失。礦用螺桿式壓縮機的電動機一般都是三相異步電動機,其轉速可以表示為:
 。1)
  其中,為電機轉速,表示激勵電源的頻率,為電機極對數,是轉速差。變頻技術的基本原理就是通過調節電源的頻率,從而達到調節轉速的目的。
  調速的原理就是通過測量氣缸內氣體的壓力,將其作為閉環的速度反饋,通過和給定的壓力進行比較,得到偏差,將此信息傳輸到變頻器后,可以對電機轉速進行重新的控制和調節從而使壓力能夠維持在一定范圍內。
  1.2 pid算法原理
  pid算法的要素包括測量、比較和執行。其過程主要是將關心的變量進行測量,并與期望值相比較得到的偏差可以用于調節控制系統的相應。pid控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成,輸入和輸出的關系可以表示為:
 。2)
  其中和分別代表了輸入和輸出信號,、、分別代表了比例系數、積分時間常數和微分時間常數。在壓縮機調速系統中,針對系統穩定性、響應速度、穩定精度等指標,、、的作用如下:
  比例環節:能夠反映出輸入和輸出之間的偏差轉速,當偏差不為零時產生控制作用,從而達到減少偏差的目的。數值的大小與系統響應速度和調節精度都成正比,但與系統穩定性成反比。
  積分環節:用于提高系統的誤差度。積分時間常數越大則積分作用越明顯,靜態誤差消除的也就越快,但過大則會在響應初期產生飽和,影響到系統的超調量。
  微分環節:用于反映偏差轉速的一個變化速率,改善系統的動態特性.

大則系統的動態特性越好,但過大時會導致提前制動,影響系統的響應速度。
  2 節能系統實現
  2.1 系統的硬件實現
  結合某型礦用空氣壓縮設備的使用環境,本文給出了基于變頻技術的空氣壓縮機控制系統。其硬件組成如圖1所示。
  其中,系統采用西門子公司s7-200系列的plc作為系統的主控單元,用于連接變頻器以及實現pid智能控制。選用該系列plc的好處是容易添加擴展模塊,例如在本系統中在該plc中擴展數模擴展模塊em235可以直接將測量到的壓力數據和設定好的數據進行比較。通過變頻器可以改變電源頻率從而達到調速的目的。壓力傳感器用于測量氣缸中空氣的壓力,從而和給定壓力進行對比。由于壓力測量結果的準確性直接影響到了調節的精度,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行溫度補償,因而提高了壓力傳感器測量的準確性。
  2.2 系統的軟件實現
  本文當中的控制系統的核心在于利用pid算法對電動機轉速進行調節。由于s7-200系列的plc提供了pid預算指令,可以通過邏輯圖編程直接實現核心算法。當系統啟動后,通過讀取人機交互參數可以得到設定的壓力值,電動機帶動壓縮機對空氣進行壓縮,此時,plc不斷讀取壓力傳感器采集得到的空氣壓力值,通過處理后與設定的壓力值進行對比,作為輸入進行pid調節,得到調整的參數后控制變頻器改變電源頻率,并不斷重復測量、比較和調整的過程,達到維持氣缸內部空氣壓力值的目的。
  3 實驗結果分析
  系統完成后,需要通過測試不斷完善pid的控制參數。本文在matlab中對pid算法進行了仿真,并得到在p設定為22,i設定為0.8,d設定為12時可以得到較好的控制效果,仿真結果如2圖所示。
  從圖2中可以看出在選用該參數時,控制性、系統超調量、動態響應都可以得到實際工程要求。將該方法用到某礦用空氣壓縮機后,系統可以達到25%以上的節電率?諝鈮嚎s機通常是24小時不停運轉。因此單臺機器每月產生的經濟效應可以計算如下:
  因此,采用變頻技術對系統進行控制可以得到明顯的節能效果。
  4 結語
  空氣壓縮機通常利用加壓和卸載壓力的方式對氣缸內空氣壓力進行調節。這種粗放式的壓力調節方式常常導致大量的能源浪費。本文提出了一種基于變頻技術的空氣壓縮機控制方法,基于matlab仿真得到了最優的控制參數。將該方法只需在原有設備的基礎上增加控制系統旁路即可。系統實現方法簡單,從實際應用效果來看,節能率可以達到25%,節能效果明顯。
  參考文獻:
  [1]邢子文,吳華根,束鵬程.螺桿壓縮機設計理論與關鍵技術的研究和開發.西安交通大學學報,2007(07):第755-763+810頁.
  [2]穆安樂,等.螺桿壓縮機整機優化目標函數的確定.壓縮機技術,2003(01):第7-10頁.
  [3]穆安樂,等.螺桿壓縮機整機優化設計.壓縮機技術,2003(03):第20-23頁.
  [4]石毅登,等.采用變頻技術的制冷裝置的優勢分析.制冷與空調,2004(05):第59-62頁.
  [5]石磊.數碼渦旋與變頻技術的對比分析.制冷技術,2006(02):第25-27+31頁.
  [6]杜書有.我國變頻技術的發展與應用.礦山機械, 2007(04):第119-121頁.
  [7]彭曉暉.變頻技術的發展應用及普及前景.有色冶煉,2002(06):第146-148頁.
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  •  更新時間:2014-08-31 10:47:47  作者:佚名 [標簽: 壓縮機 控制系統設計 ]
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