張忠蓮 張國敏

(山東省循環(huán)經(jīng)濟促進會,山東濟南 250012)

節(jié)能型壓縮機控制系統(tǒng)設計

張忠蓮 張國敏

(山東省循環(huán)經(jīng)濟促進會,山東濟南 250012)

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(tǒng)優(yōu)化設計方法,實現(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)過實踐驗證,該方法節(jié)電效果明顯。使用該方法對空氣壓縮機進行優(yōu)化設計可以提高壓縮機的使用效率,實現(xiàn)節(jié)能減排。

礦用空氣壓縮機 變頻技術 節(jié)能減排 優(yōu)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(jīng)成為各個行業(yè)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(yè)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(yè)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(fā)出新型、環(huán)保、高效、節(jié)能的螺桿壓縮機，即符合當前可持續(xù)發(fā)展社會對降低成本的需求，又符合減少能源消耗的發(fā)展戰(zhàn)略要求。

變頻是通過改變供電頻率調節(jié)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(xiàn)電動機運轉速度率的自動調節(jié)，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(jié)能的目的。

圖1變頻技術的空氣壓縮機控制系統(tǒng)硬件組成

圖2 PID控制效果仿真曲線

目前以中央空調內的壓縮機為代表的各類壓縮機已經(jīng)開始廣泛使用變頻技術。在文獻[1]采用對理論分析和數(shù)學模擬的方法優(yōu)化設計了轉子型線等參數(shù)之間的內在規(guī)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(yōu)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(yōu)化等也是提高使用效率的有效手段。對機械結構優(yōu)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(jù)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(tǒng)的傳送節(jié)能和輔助系統(tǒng)節(jié)能。變頻技術具有優(yōu)異的調速和啟制動性能、效率高、功率因素高和節(jié)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(xù)轉動，會導致空氣壓力繼續(xù)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：

其中， n為電機轉速， f表示激勵電源的頻率， p為電機極對數(shù)， S是轉速差。變頻技術的基本原理就是通過調節(jié)電源的頻率，從而達到調節(jié)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(huán)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?shù)阶冾l器后，可以對電機轉速進行重新的控制和調節(jié)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(zhí)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(jié)控制系統(tǒng)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：

其中 e(t)和 u(t)分別代表了輸入和輸出信號， Kp、 Ti、 Td分別代表了比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。在壓縮機調速系統(tǒng)中，針對系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應速度、穩(wěn)定精度等指標， Kp、 Ti、 Td的作用如下：

比例環(huán)節(jié) Kp：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(chǎn)生控制作用，從而達到減少偏差的目的。 Kp數(shù)值的大小與系統(tǒng)響應速度和調節(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) Ti：用于提高系統(tǒng)的誤差度。積分時間常數(shù)越大則積分作用越明顯，靜態(tài)誤差消除的也就越快，但過大則會在響應初期產(chǎn)生飽和，影響到系統(tǒng)的超調量。

微分環(huán)節(jié) Td：用于反映偏差轉速的一個變化速率，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性. Td越大則系統(tǒng)的動態(tài)特性越好，但過大時會導致提前制動，影響系統(tǒng)的響應速度。

2 節(jié)能系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

結合某型礦用空氣壓縮設備的使用環(huán)境，本文給出了基于變頻技術的空氣壓縮機控制系統(tǒng)。其硬件組成如圖1所示。

其中，系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列的PLC作為系統(tǒng)的主控單元，用于連接變頻器以及實現(xiàn)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(tǒng)中在該PLC中擴展數(shù)模擴展模塊EM235可以直接將測量到的壓力數(shù)據(jù)和設定好的數(shù)據(jù)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(jié)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(tǒng)的軟件實現(xiàn)

本文當中的控制系統(tǒng)的核心在于利用PID算法對電動機轉速進行調節(jié)。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(xiàn)核心算法。當系統(tǒng)啟動后，通過讀取人機交互參數(shù)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(jié)，得到調整的參數(shù)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(tǒng)完成后，需要通過測試不斷完善PID的控制參數(shù)。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(shù)時，控制性、系統(tǒng)超調量、動態(tài)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(tǒng)可以達到25%以上的節(jié)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(chǎn)生的經(jīng)濟效應可以計算如下：

因此，采用變頻技術對系統(tǒng)進行控制可以得到明顯的節(jié)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(jié)。這種粗放式的壓力調節(jié)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(yōu)的控制參數(shù)。將該方法只需在原有設備的基礎上增加控制系統(tǒng)旁路即可。系統(tǒng)實現(xiàn)方法簡單，從實際應用效果來看，節(jié)能率可以達到25%，節(jié)能效果明顯。

[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(fā).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(yōu)化目標函數(shù)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(yōu)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(yōu)勢分析.制冷與空調,2004(05)：第59-62頁.

[5]石磊.數(shù)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(fā)展與應用.礦山機械, 2007(04)：第119-121頁.

[7]彭曉暉.變頻技術的發(fā)展應用及普及前景.有色冶煉,2002(06)：第146-148頁.