《变频器在英格索兰和螺杆空压机改造中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频器在英格索兰和螺杆空压机改造中的应用.docx（11页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
1、一、空压机工作原理简述某大型金属制品厂有上海英格索兰公司生产的单级压缩螺杆式空气压缩机（以下简称空压机）4台，因产品转型，用气量减少，经过现场观察和测试，认为存在比较大的节能空间，遂进行节能改造。该空压机工作原理是由一对相互平行啮合的阴阳转子（或称螺杆）在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽与阳转子啮被主电机驱动而旋转。原空压机的主电机功率为75kW两台，90kW两台，星-三角减压起动后全压运行，为典型的空载启动，全速运行。原系统工况存
2、在如下的几个典型问题：1、主电机时常空载或轻载满速运行，属非经济运行，电能浪费严重。2、主电机虽然星-角减压起动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及同供电支线上它用电设备的运行安全。3、主电机工频运行时，空压机噪音大。二、变频改造要求根据原工况存在的问题并结合生产工艺要求，空压机变频改造后系统应满足以下要求：1、变频调速改造后应保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不能超过0.02MPao2、系统应具有变频和工频两套控制回路，以保证变频回路故障时能迅速切换到工频。3、系统具有开环和闭环两套控制回路，压力闭环PID调节由变频器自身完成。4、一台变频器能够控制两台空压机组，可用转换开关切换。
3、5、根据空压机的工况要求，系统应保障电动机具有恒转矩运行特性。6、现场的改造要满足EMC要求，不能造成自身干扰或干扰其他设备。7、改造后电机绕组温度和电机的噪音不超过电机允许的范围。三、变频器的选型根据上述原则，厂家经过多方调研、比较，最后选择麦格米特公司MV300G系列通用型变频器，使该系统能够满足上述工况要求。1、MV300G为电流矢量型变频器，低频力矩大，过载能力强，在IOHz以上1.5倍的额定负载可工作2min以上。2、MV300G75kW以上标配直流电抗器，可有效降低输入侧谐波，减少干扰。3、MV300G可接受的输入电压范围波动大，从交流324-520V都可以正常工作4、客户考察了变
4、频器的主要关键器件，如整流桥，逆变模块，电容，主芯片等，全部采用世界知名品牌，是产品可靠性的基本保证。5、考虑到以后整个工厂自动化的升级，要求变频器能够内置PROFIBUS-DP总线和CANOPEN总线。6、出于维护和售后的考虑，客户要求变频器内购内置90kW和75kW两套电机参数为此，客户选择了MV300G-4T90的变频器两台。四、改造方案原理变频/工频切换示意图变频器接线示意图由变频器、压力变送器、调节仪、电机、螺旋转子组成压力闭环控制系统自动调节电机转速，使储气罐内空气压力稳定在设定范围内，进行恒压控制。系统构成如下图所示。反馈压力与设定压力进行比较运算，实时控制变频器的输出频率,从而
5、调节电机转速,使储气罐内空气压力稳定在设定压力上。图中QFl、QF2是空气开关,起隔离作用,同时QF2也是变频柜的电源开关;KM1、KM3、和KM2、KM4是两对机械联锁接触器,起隔离作用。变频时,KMl、KM2同时吸合,KM3、KM4同时断开;工频时KM3、KM4同时吸合,KMl、KM2同时断开。变频运行程序:将QFl、QF2合上,由控制回路将KM3、KM4断开,KM1、KM2吸合,然后起动系统变频运行;工频运行程序:将QFI、QF2断开,由控制回路将KM3、KM4吸合,KM1、KM2断开,恢复原来工频运行方式。输入电抗器的作用是抑制变频器对其它控制电气设备的干扰,输出电抗器的作用是改善变频
6、器输出波形,减少电机变频运行时的噪声,减小电机变频运行时发热。其中IM为原工频主回路接触器,2M为原工频主回路及风机回路接触器,IS为原工频回路接触器（1M、2M、IS三者构成原工频星角起动主回路）,KM5、KM6分别为1#和2#机组隔离接触器。五、系统调试调试工作分成两部分：1、变频器驱动电机调试，保证变频器驱动电机能正常加速，减速，恒速运行，变频器电流稳定无震荡，电机工作正常。此时需要观测空压机的压力上升是否稳定,压力变送器显示是否正常,设备停机是否正常等。变频器参数设定功能码名称屿意义P02.00电机与模式选择2异步电机，V/FP02.02频内1蚪子控制P02.04主给定频至源5过程闭环
7、PIDP09.01X2房子功能22改漳里位彘入P12.01三能运行1三能模式H开P14.002AI2P14.01PlD反演通道OAIl2、系统联动调试。在完成变频器驱动电机调整后,进行系统联动调试。调试的主要步骤：将变频器接入系统。进行工频旁路的运行。进行变频回路的运行,其中包括开环与闭环控制两部分调试：主要依据变频器频率上升与下降的速度和空压机压力的升降相匹配,不要产生压力振荡,还要注意观察机械共振点,将共振点附近的频率跳过去，以及停机状况下看能否顺利切换到工频状态，这个主要是验证系统的接线情况。六、空压机变频改造后的效益1、节约能源变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较,能源节约是最有实际
8、意义的,根据空气量需求来供给的压缩机工况是最经济的运行状。下表是主机为75kw的空压机改造前后电机的测试参数表：电流（八）电压(V)频三(Hz)实除功率(KW)节电事(%)改造前1223805065.30改造后1102212938.141.9从上表可证实,节电效果十分明显。如果空压机每年按300天工作日计算,则每年可节约电能19.58万度。2、运行成本降低传统压缩机的运行成本由三项组成:初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占压缩机运行成本的77%。通过能源成本降低41.9%,再加上变频起动后对设备的冲击减少,维护和维修量也跟随降低,所以运行成本将大大降低。3、提高压力控制精度变频
9、控制系统具有精确的压力控制能力。使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制电机速度的精度提高,所以它可以使管网的系统压力变化保持在3pisg变化范围,也就是0.2bar范围内,有效地提高了工况的质量。4、延长压缩机的使用寿命变频器从OHZ起动压缩机,它的起动加速时间可以调整,从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击,增强系统的可靠性,使压缩机的使用寿命延长。此外,变频控制能够减少机组起动时电流波动,这一波动电流会影响电网和其它设备的用电,变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。5、降低了空压机的噪音
10、根据压缩机的工况要求,变频调速改造后,电机运转速度明显减慢,因此有效地降了空压机运行时的噪音。现场测定表明,噪音与原系统比较下降约5分贝。案例：变频器在螺杆空压机上的应用方案引言空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备，主要有吸气、压缩、作功输送和排气四个主要过程。已有几百年的应用历史，在机械结构方面也经过了100年的发展，原理是成熟的，但大容量的空压机在工作过程的带载启动和泄载一直是一个难题。在结构上常见有活塞式、螺杆式、离心式和涡旋式空压机等。它的用途广泛，可以用于冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石油化工等各个行业，是各种工厂、筑路、矿山及建筑行
11、业的必备设备。空压机占大型工业设备（风机、水泵、锅炉、空压机等）耗电量的15%。经考察，大部分空压机自身存在着以下几个缺点：1 .当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，属非经济运行，造成严重的能源浪费。2 .异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命。3 .工作条件恶劣，自动排空放气时噪音极大，造成环境污染。4 .自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低。5 .空压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大。6 .上下限压力不易调节。压力调得太小则易造成不断的起停而烧毁电机及电磁开关；调节的太大则易
12、造成管路的高压力、高的传送损失、漏气、管路破裂的危险，而且压力范围太大也无法满足现代化工艺要求。综上所述，可用变频器对现用的空压机系统进行改造，以建立恒压供气系统，从而达到节电、减少噪音、降低设备磨损、减少电网冲击、提高功率因数、起到稳定产品质量的效果。近年来，通过变频调速技术改变空压机电机的转速，而且空压机的供气流量随着用气流量的改变自行调节，达到真正的供需平衡，在节能的同时，也可使整个系统达到最佳工作效率，变频空压机成为空压机市场的发展趋势。空气压缩机机组简介1 .工艺流程由电动机直接驱动压缩机，使曲轴产生旋转运动，带动连杆使活塞产生往复运动，引起气缸容积变化。由于气缸内压力的变化，通过进
13、气阀使空气经过空气滤清器进入气缸，在压缩行程中，由于气缸容积的缩小，压缩空气经过排气阀的作用，经排气管，单向阀（止回阀）进入储气罐，当排气压力达到额定压力时由压力开关控制而自动停机。当储气罐压力降至下限压力时压力开关自动联接启动，如此反复工作。2 .系统配置空压机系统主要有动力传输系统（电动机驱动和柴油机驱动主机中转子运动），空气压缩系统，（空气从空滤进入机头经压缩后降温，除油除水除杂质进入用气单位）。冷却润滑系统（一般都是润滑油全程参与气体压缩，减少阻力并作为热力传导介质，后与气体分离，冷却后再参与气体压缩）。空压机变频改造原理介绍（以螺杆机为例）变频调速技术近年来发展迅速，并在许多领域发挥
14、了重要的作用。由于许多螺杆式空压机运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,那么能源都被白白的浪费了，而电动机转速自身不能改变，只能通过改变电机频率来调节转速。变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力。原理如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，使电动机上得到相应的转速。那么空压机输出相应的压缩空气至储气罐,使之压力变化,直到管网压力与给定压力值相同。空压机变频改造方案1 .系统方案实例空压机拖动系统具有恒转矩性质，电动机的轴功率P1.
15、与转速n成正比。大多处于长时间连续运行状态，但负载大小常有变动，为连续变动负载。飞轮力矩大，故要求有较大的启动转矩。启动次数少，对升、降速时间无特殊要求。大多有自动卸载与装载装置，在自动卸载或装载时，负载将突变。由于空压机不排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以，选型时要按照最大需求来确定变频器功率，变频器要留一些余量。传统空压机大多是采用星三角降压启动，但工频启动时电流仍然能达到额定电流的23倍，冲击大，会影响到电网的稳定性。且大多数空压机是连续运行，由于一般空压机的电机本身不能根据压力需求的变动来实现降速，使电机输出功率与现场实际压力需求量相匹配，导致在用气量少的时候仍然要空载运行，采
16、用富凌空压机专用变频器改造后，可以根据压力信号调整电机转速，平稳的调整储气罐压力，减小对电网的冲击，达到节能的目的。以某机械厂使用的一台英格索兰EPlOO螺杆式油冷型空压机为实例，电动机的功率为75KW,最大的空气压力为0.86MPa。设备改造前空压机工作在工频状态，压力采用两点控制（上、下限控制），即当空压机气缸内压力达到设定值上限时，空压机通过本身的油压关闭进气阀；当压力下限降到设定值下限时，空压机打开进气阀，调节压力为0.6MPa,超过设定压力则空压机卸载。由用气车间生产的工作状况决定了用气量的时常变化，这样就导致了空压机频繁的加载和卸载。加载时电机电流为I20A,卸载时电机电流为60A
17、,对电动机、空压机和电网冲击较大。另外卸载运行时不产生压缩空气，电动机呈空载状态，其用电量为满负荷的60%,浪费较大。在保留原工频系统情况下，增加变频系统，做到了工频/变频互锁切换。通过外部控制电路，使空压机启停操作步骤如前，原有监控仪表的油温、油压等仪表仍然保留使用。本系统采用压力闭环控制，在原来的压力储气罐上加装一个压力传感器，将压力信号转换为420mA的电流信号送到变频器内部的PID调节器，调节器将信号与压力设定目标值进行比较运算后输出控制信号。变频器依据该信号输出频率，改变电动机的转速，调节供气压力，保持压力的恒定，使空压机始终处于节电经济运行状态。2 .空压机系统图示接触器IDPl进
18、气阀压力气S信号接触器气网出气阀空压机储气堵J3 .改造基本原理图4 .参数设定序号功能码名称设定值设定值意义1F0.01运行指令通道1端子控制2F0.03频率指令选择5采用PlD调节3F0.06下限频率20Hz4Fl.01电机额定功率根据电机设定电机额定功率5F1.02电机额定频率根据电机设定电机额定频率6Fl.03电机额定电压根据电机设定电机额定电压7F1.04电机额定电流根据电机设定电机额定电流8F2.03多段速一1210F2.14CI下限值2.10Cl端子对应下限值11F4.19按实际需要压力设定PID给定值12F4.20PlD反馈1Cl模块电流输入13F4.22PID比例增益5.0此
19、参数可调节PlD调节的快慢14F7.27频率给定低于下限时动作0低于卜限值时以下限频率运行15F4.30多段速一40.0以20Hz运行控制接线图:改造前空压机控制电路变频改造接线图5 .注意问题电动机经过变频器变频运行后，转速降低，其电机风扇的散热效果也降低。空压机的转速越低，润滑油的耗量也就越小，其润滑效果越差。在满足生产工艺的要求下，压力设定越低，电动机耗电就越小。故综合节能效果和空压机的机械特性，把系统压力设定在为06MPa运行。既满足空压机散热和润滑的需要，又能降低电能损耗。6 .节能效果使用变频器前空压机用电为58度/小时，使用变频器后加载电流为107A,卸载电流为45A,因采用了P
20、lD控制，频率在27Hz46Hz,工作压力在0.6MPa左右，用电量为45度/小时，每小时节电为13度。每月节电量=13度X24小时X30天=9360度。每月节约电费=9360度X1.00元/度=9360元。经济效益明显，投资回报率很高。空压机变频改造后的效益1 .节约能源。变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据空气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状况。2 .运行成本降低。传统压缩机的运行成本由三项组成：初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占压缩机运行成本的77%。通过能源成本降低44.3%,再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随
21、降低，所以运行成本将大大降低。3 .提高压力控制精度。变频控制系统具有精确的压力控制能力。使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制电机速度的精度提高，所以它可以使管网的系统压力变化保持在3pisg变化范围，也就是0.2bar范围内，有效地提高了工况的质量。4 .延长压缩机的使用寿命。变频器从OHZ起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能
22、够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。5 .降低了空压机的噪音。根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，因此有效地降低了空压机运行时的噪音。结束语综上所述，由于空压机可以在保证生产所需要的最低压力下运行，电机输入功率大大下降，辅以压力闭环控制，实现空压机的供气压力与转速的动态匹配，减少了电机的实际输入功率，达到节能目的。即电机的转速由供气压力来控制，压缩机需要多大的功率，电机就输出多大的功率，而不必做无用功，从而取得良好的节能效果，节能的第二方面是空压机停止了空转，电机不存在轻载运行，这部分能量很可观。相应带来的其它好处是：供气压力稳定，通过压力调节器，可使空压机保持在设
23、定的压力值下工作，压力稳定可靠性高，而且压力可以无级设定，随时可调。电机实现软启动，压缩机的使用寿命及检修周期都将得到大大延长。空压机排气量由空压机的转速来控制，气缸内气阀片不再反狂地开启和关闭，阀座、弹簧等工作条件大大改善，避免了高温、高压气体急剧的流动与冲击，维修工作量减少。应用案例：变频器在空压机改造上的应用1螺杆式空压机工作原理简述螺杆式空压机是由一对相互平行齿合的阴阳转子（或称螺杆）在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽也阳转
24、子齿被主电机驱动而旋转。原空压机的主电机运行方式为Y-降压起动，然后全速运行。具体操作程序为：按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压2秒后空压机开始加载运行，系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力跌到压力开关下限值后，即回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运行。空压机的工作过程如图1所示。图1空压机工作过程2空压机运行中自身存在的问题主电机虽
25、然采用Y-降压起动，但起动时的电流仍然很大，并且有一定的启动时间,这段时间消耗的电能不容忽视。另外启动时大电流的冲击会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全。主电机时常工作在满负荷上，但能量浪费在出口阀门上，属非经济运行，电能浪费严重。主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大。主电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护工作时机械量大。当卸荷运行时那部分电流不是做有用功的，而是机械在额定转速下的空转损耗.这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用,但是压力调节精度低，压力波动大;压缩机总是在额定转速下工作，机械磨损大、电耗高。3空压机变频节能原理由于许多空压机运行方式是加载、卸载方
26、式。卸载时电机空转,造成能源浪费。变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力。控制原理是：通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出相应频率和幅值的交流电，调节马达的转速，空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。图2控制原理图4空压机变频改造后的效益节约能源。变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据空气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状。运行成本降低。传统压缩机的运行成本由三项组成：初始采购成本、维护
27、成本和能源成本。其中能源成本大约占压缩机运行成本的77%。通过能源成本降低24.3%,再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。提高压力控制精度。变频控制系统具有精确的压力控制能力。使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制电机速度的精度提高，所以它可以使管网的系统压力变化保持在3pisg变化范围，也就是0.2bar范围内，有效地提高了工况的质量。延长压缩机的使用寿命。变频器从OHZ起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系
28、统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。降低了空压机的噪音。根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，因此有效地降了空压机运行时的噪音。现场测定表明，噪音与原系统比较下降约3-7dB.5变频器改造要求现场空压机功率：30KW,最大工作电流59A。设计要求：主电机变频器运行状态保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不超过土0.01Mpa：保持原有的工频控制系统，以确保变频器出现异常保护时，可以直接切入工领，不影响生产；在用气量较小的情况下，变频器处于低频运
29、行或者进入休眠状态，应保障电机绕组温度不超过允许的范围。根据现场状况：选用台达B系列变频器：VFD300B43A；额定电流：60A；过载能力:变频器额定输出电流150%,Imino改造电气原理图如图3。图3改造电气原理图6结束语综上所述，由于空压机可以在保证生产所需要的最低压力下运行，电机输入功率大大下降，辅以压力闭环控制，实现空压机的供气压力与转速的动态匹配，减少了电机的实际输入功率，达到节能目的。即电机的转速由供气压力来控制，压缩机需要多大的功率，电机就输出多大的功率，而不必做无用功，从而取得良好的节能效果，其次，空压机停止了空转，电机不存在轻载运行，这部分能量很可观。相应带来的其它好处是：供气压力稳定，通过压力调节器，可使空压机保持在设定的压力值下工作，压力稳定可靠性高，而且压力可以无级设定，随时可调。电机实现软启动，压缩机的使用寿命及检修周期都将得到大大延长。空压机排气量由空压机的转速来控制，气缸内气阀片不再反复地开启和关闭，阀座、弹簧等工作条件大大改善，避免了高温、高压气体急剧的流动与冲击，维修工作量减少。
