螺桿空壓機(jī)的一體化變頻驅(qū)動方案
摘要：四方TS系列空壓機(jī)變頻電控驅(qū)動系統(tǒng)，采用一體化設(shè)計，將傳統(tǒng)變頻驅(qū)動系統(tǒng)的操作面板、控制器、變壓器，空開、接觸器及端子等集成于一體（圖1），優(yōu)化了控制方案，包含多種控制算法適用于空壓機(jī)領(lǐng)域內(nèi)不同類型主電機(jī)的驅(qū)動。
關(guān)鍵字：TS2100系列 TS3000系列 螺桿空壓機(jī) 多段PID
1.引言
螺桿空壓機(jī)在冶金、機(jī)械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，
是許多工藝流程中的核心設(shè)備，其裝機(jī)容量一般取決于生產(chǎn)所需的最大氣量并另外增加10%~20%的余量。由于生產(chǎn)中用氣量的不均衡，當(dāng)氣體壓力達(dá)到一定值時，空壓機(jī)一般采用卸荷空載運(yùn)行或者停止空氣壓縮機(jī)這兩種方式，其中卸荷空載運(yùn)行時的用電量為滿負(fù)載的30%~60%，這部分電能被白白的浪費(fèi)掉，而停止空氣壓縮機(jī)運(yùn)行會帶來電動機(jī)的頻繁啟停，對電網(wǎng)及其他設(shè)備的沖擊較大，同時空氣壓縮機(jī)的壽命也會縮短。
另調(diào)查統(tǒng)計，全國各類電動機(jī)耗電量約占全國發(fā)電量的70%，其中80%為異步電動機(jī)，而且大多數(shù)電動機(jī)長時間處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，特別是風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的電機(jī)。若在此類負(fù)載上使用變頻調(diào)速裝置，其耗電量將大幅降低。以空壓機(jī)為例，其負(fù)載特性屬恒轉(zhuǎn)矩，其節(jié)電率N%=Δn↓%，即節(jié)電率等于轉(zhuǎn)速下降的百分?jǐn)?shù)（一般在20%左右，轉(zhuǎn)速也不能過低，過低會加速機(jī)械的磨損）①。
因此，如何設(shè)計出節(jié)能、穩(wěn)定和自動化程度高的控制方案，是空壓機(jī)使用及制造企業(yè)所面臨的首要問題。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻驅(qū)動技術(shù)逐步引入了空壓機(jī)領(lǐng)域，通過大量的應(yīng)用案例及實(shí)測印證該方案具有運(yùn)行壓力穩(wěn)定、對電網(wǎng)沖擊小、運(yùn)行安全、在一定范圍內(nèi)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。
隨著近幾年來國家對節(jié)能設(shè)備的大力支持，同時企業(yè)對節(jié)能降耗、降低成本的需求也日益迫切，所以變頻式的空氣壓縮機(jī)得到了迅速的發(fā)展。
2.內(nèi)嵌優(yōu)異控制算法的空壓機(jī)一體化變頻驅(qū)動系統(tǒng)
目前，有很多空壓機(jī)設(shè)備制造廠家都在生產(chǎn)變頻驅(qū)動式的空壓機(jī)。傳統(tǒng)的空壓機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)一般由變頻器、控制器、操作面板、變壓器、空開、接觸器、端子、銅排等構(gòu)成，由于元器件繁雜，且需要人工配線，故在安裝及維護(hù)時普遍存在著以下的弊端：控制回路接線復(fù)雜，安裝費(fèi)時費(fèi)力，出現(xiàn)故障也不方便查找原因，而且控制柜的整體美觀性不足。
深圳市四方電氣技術(shù)有限公司是一家在自動化技術(shù)領(lǐng)域的國家級高新技術(shù)企業(yè)，專業(yè)從事電氣傳動及工控產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)與銷售，是國內(nèi)領(lǐng)先的變頻器供應(yīng)商，始終著力于為客戶提供高品質(zhì)的產(chǎn)品、服務(wù)以及完整的控制系統(tǒng)解決方案。針對空壓機(jī)的變頻驅(qū)動領(lǐng)域，四方公司創(chuàng)新性的提出并設(shè)計了TS系列空壓機(jī)變頻電控驅(qū)動系統(tǒng)，采用一體化設(shè)計，將傳統(tǒng)變頻驅(qū)動系統(tǒng)的操作面板、控制器、變壓器，空開、接觸器及端子等集成于一體（圖1），優(yōu)化了控制方案，包含多種控制算法適用于空壓機(jī)領(lǐng)域內(nèi)不同類型主電機(jī)的驅(qū)動，同時油冷風(fēng)機(jī)也采用變頻控制，精準(zhǔn)控制油溫，發(fā)揮潤滑油的最佳潤滑特性。目前該系統(tǒng)已經(jīng)升級發(fā)展至第二代。
江浙地區(qū)某空壓機(jī)設(shè)備制造企業(yè)在使用四方的TS系列變頻驅(qū)動系統(tǒng)后，其負(fù)責(zé)人做出了如下的評價：
（1）提高了工效，原來的電控系統(tǒng)一個工人裝配需要1至2天，現(xiàn)在最多只需要半天就可以完成；
（2）以前的設(shè)備壓力誤差最好也只能控制在0.05Mpa左右，但是現(xiàn)在可以保持在0.02Mpa的范圍內(nèi)；
（3）通過在客戶處的實(shí)際測試，其每天節(jié)約的電量大約為25%左右；
（4）故障的排除變得方便了。
TS這種綜合一體化系統(tǒng)的應(yīng)用，大幅減少了外設(shè)元件的數(shù)量，從而避免了安裝時費(fèi)時費(fèi)力的元器件配線，降低了錯誤配線發(fā)生的幾率，所以不僅安裝工序簡單，而且設(shè)備的穩(wěn)定度也得到了改善，同時在設(shè)備出現(xiàn)故障時，控制線路的查找也變得更加容易，降低了查找故障原因時的難度。
借助于可插拔式的適配模塊化設(shè)計，并通過不同的參數(shù)配置，使得TS系統(tǒng)能夠靈活的適應(yīng)各種不同的空壓機(jī)要求。這同樣是非常重要的，因?yàn)獒槍Σ煌闹鳈C(jī)電機(jī)，其控制方式是不同的。
另外TS系統(tǒng)的多級PID 控制功能，使得氣壓的控制更為精準(zhǔn)，在一些對氣壓要求較為嚴(yán)格的生產(chǎn)領(lǐng)域亦可使用，拓展了客戶產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖1
3. 利用TS系統(tǒng)靈活、智能而又可靠的實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)變頻驅(qū)動
四方的TS變頻驅(qū)動系統(tǒng)主要由一體化控制柜、中文液晶操作面板、空壓機(jī)專用適配卡，以及其他可擴(kuò)展功能的適配卡等構(gòu)成，全功率段內(nèi)置直流電抗器，控制柜內(nèi)部集成了氣壓、溫度信號處理單元、PID運(yùn)算單元以及空濾、油濾、油分、潤滑油、潤滑脂等保養(yǎng)周期提示（圖2）。
圖2
其工作原理是：管路中的氣體壓力由壓力傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o系統(tǒng)內(nèi)部的PID運(yùn)算調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的控制算法進(jìn)行計算，產(chǎn)生控制信號去控制系統(tǒng)中主機(jī)部分的輸出電壓和頻率，調(diào)整主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力始終維持在設(shè)定壓力，保證了供氣壓力的穩(wěn)定性。
TS系統(tǒng)的專用液晶操作面板可設(shè)置、監(jiān)控變頻器及空壓機(jī)所有與運(yùn)行相關(guān)的參數(shù)，操作方便快捷。
由于TS系統(tǒng)采用了多級PID控制，通過合理設(shè)置運(yùn)行過程中的多段過程壓力和時間后，系統(tǒng)在避免氣壓超調(diào)的同時，也兼顧了氣壓變化時的快速響應(yīng)調(diào)整，使氣壓控制更為精準(zhǔn)。在用氣量較少時，系統(tǒng)會降低主機(jī)運(yùn)行頻率，在用氣空閑時段則會自動進(jìn)入休眠模式，有利于節(jié)能，并降低設(shè)備的磨損。
針對空壓機(jī)行業(yè)的主機(jī)有使用各種普通異步電動機(jī)、變頻電機(jī)、異步伺服、永磁同步電機(jī)等情況，TS系統(tǒng)通過靈活搭配不同類型的適配卡，可以實(shí)現(xiàn)對不同電機(jī)的穩(wěn)定控制。針對空壓機(jī)主電機(jī)1.15～1.2倍的電機(jī)服務(wù)系數(shù)，配置重載型變頻控制單元，其長期過載能力為電機(jī)額定電流的120%，更加適合主電機(jī)的實(shí)際工況。
TS系統(tǒng)包含了雙變頻工作模式，不僅可實(shí)現(xiàn)對主機(jī)的變頻驅(qū)動，亦可同時對油冷風(fēng)機(jī)采用變頻驅(qū)動，這樣可保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中冷卻油溫度的恒定，防止冷卻油在工作過程中出現(xiàn)乳化或變質(zhì)，使系統(tǒng)冷卻及潤滑效果更佳的同時還有效延長了冷卻油的使用壽命。另外由于風(fēng)機(jī)采用了變頻驅(qū)動，所以其節(jié)能效果比傳統(tǒng)的變頻驅(qū)動更加顯著。
由于TS系統(tǒng)已將空開、接觸器、繼電器等空壓機(jī)行業(yè)所應(yīng)用的電氣控制元器件集成于系統(tǒng)內(nèi)部，故安裝時無須另外布線及增加電氣元件，降低了設(shè)備安裝及維護(hù)時的技術(shù)難度，提高了工效，大大的減少材料、人工等成本（圖3）。
TS系統(tǒng)不僅可以記錄變頻單元的各種缺相故障記錄，還可記錄空壓機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的超溫、超壓等故障記錄，以及最后一次故障時各項(xiàng)輸出參數(shù)，方便設(shè)備管理人員查詢及維護(hù)。
此外，TS系統(tǒng)提供了多級密碼權(quán)限，使用動態(tài)密碼+參考密碼的組合密碼功能，防止非法操作導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，保證各級權(quán)限用戶的安全使用。
普通變頻電氣柜 TS電控驅(qū)動系統(tǒng)
圖3
參考文獻(xiàn)
① 李方圓. 變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐，2006（1）
② A510系列重載型閉環(huán)矢量變頻器使用手冊 四方電氣技術(shù)有限公司，2012（V1.0）
③ TS2100/TS3000空壓機(jī)電控驅(qū)動系統(tǒng)使用手冊 四方電氣技術(shù)有限公司,2012（V1.1）
