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論述冶金用空壓機(jī)變頻技術(shù)

2021-11-12 15:05巫亮云
中國金屬通報 2021年13期
關(guān)鍵詞:空壓機(jī)變頻壓縮機(jī)

巫亮云

(廣西華磊新材料有限公司動力廠,廣西 平果 531499)

在我國冶金行業(yè)發(fā)展過程中普遍會出現(xiàn)空壓機(jī)的功率過大、耗電量過高以及所需要投資的成本較多的問題。這是因為空壓機(jī)通常是將三相異步電動機(jī)作為起步的動力,或者利用Y-△這項技術(shù)在啟動機(jī)器時對其進(jìn)行降壓處理。如果在使用時直接驅(qū)動動力可能會造成電流波動過大,從而無法很好的維持機(jī)械沖擊與電氣保護(hù),同時在運(yùn)行中壓力還會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。而采取變頻控制技術(shù)則能很好的避免這些問題。這項技術(shù)具有一定的優(yōu)越性,在運(yùn)行過程中可以保持機(jī)器處于穩(wěn)定的狀態(tài),使得控制的精度隨之提高,并且對電動機(jī)的保護(hù)也更加全面和可靠。綜合考慮,使用變頻控制技術(shù)對控制的過程和結(jié)果都是百利而無一害的。

1 空壓機(jī)工作原理

在使用空壓機(jī)時需要采取科學(xué)有效的控制措施來保持其平穩(wěn)運(yùn)行,而目前最常使用的是裝置是壓力檢測裝置,其主要原理是當(dāng)缸內(nèi)的壓力超過正常的范圍的時候,就會啟動該裝置致使空壓機(jī)停止運(yùn)行的狀態(tài)或者阻止空壓機(jī)自行開始工作,以此來保證空壓機(jī)可以處在正常的壓力范圍內(nèi)運(yùn)行。一般情況下,在使用空壓機(jī)時都會在內(nèi)部放置大量的檢測控制裝置以維持機(jī)器內(nèi)部平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài),而最常見的使用措施就是對其進(jìn)行啟??刂啤H粝牒芎玫乇U峡諌簷C(jī)維持平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài),則需要對其每個部分和各個要點的工作情況進(jìn)行大致了解,從而選擇最恰當(dāng)?shù)姆绞?。而要想控制好整機(jī)電氣,電路板的集成作用是不可忽視的。在出口處設(shè)置壓力限定范圍,一旦壓力超出該范圍后就會自動關(guān)閉進(jìn)氣口,隨后進(jìn)一步打開內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)保持內(nèi)部穩(wěn)定,這樣就能使其維持在一個恰當(dāng)又合適的狀態(tài)中。

壓力通常在輸送氣體時發(fā)揮極為重要的作用,可以說是輸送氣體的主力軍。如果想要利用好壓力對氣體產(chǎn)生的推動作用,就要將壓力值控制在人為可控的適當(dāng)范圍內(nèi)。在使用空壓機(jī)時,使用者需要了解其內(nèi)部處于何種狀態(tài)以及壓力所處的大致范圍。正常情況下,使用空壓機(jī)時通常會因為機(jī)器重復(fù)進(jìn)行某項工作而導(dǎo)致內(nèi)部壓力呈折線上升趨勢增加,這時就能夠通過觀察折線上升和下降的狀態(tài)了解空壓機(jī)內(nèi)部運(yùn)行的狀態(tài):折線上升則代表空壓機(jī)已經(jīng)開始自動工作,下降則代表空壓機(jī)已經(jīng)停止運(yùn)行。

2 變頻技術(shù)的使用特點

2.1 變頻技術(shù)的論述

變頻技術(shù)的合理運(yùn)用可以有效控制設(shè)施的頻率,所以在使用該項技術(shù)的過程中需要充分了解變頻器的運(yùn)用原理(此時可以參照直流電源和交流電源轉(zhuǎn)換兩個理論)。與此同時,變頻技術(shù)還容納了電子控制法和微計算機(jī)控制法來對設(shè)備輸出的功率進(jìn)行合理控制。在使用時可以將變頻器與接口部分相連,通過轉(zhuǎn)換變化頻率對空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行科學(xué)地控制,這樣能夠?qū)δ茉雌鸬胶芎玫墓?jié)約作用。

2.2 變頻技術(shù)存在的優(yōu)勢

(1)沖擊性較小。在對空壓機(jī)進(jìn)行變頻處理之后,可以有效緩解空壓機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊的強(qiáng)大力量。

(2)節(jié)能效果良好。為了確??諌簷C(jī)的轉(zhuǎn)速處在適當(dāng)范圍內(nèi),以及合理地控制排量和電源的頻率狀態(tài),工作人員需要借助變頻技術(shù)對其進(jìn)行操作處理,這能夠有效降低系統(tǒng)所受到的過大壓力。同時當(dāng)空壓機(jī)持續(xù)保持在低壓力的運(yùn)行狀態(tài)下,這項技術(shù)的使用也能夠降低資源的使用量,從而達(dá)到節(jié)約資源的作用。

(3)壓力調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性較高。舊式空壓機(jī)的變化頻率波動幅度較大,很難確定在一個固定的范圍之內(nèi),所以會給工作人員造成極大的工作負(fù)擔(dān)。他們必須對壓力進(jìn)行有效的、合理的控制,以此來確保其在可控范圍內(nèi)運(yùn)動。這種做法能夠有效節(jié)約資源的使用,在避免浪費(fèi)的同時維護(hù)空壓機(jī)平穩(wěn)的運(yùn)行。

(4)較少噪音。值得注意的是,變頻技術(shù)還能夠調(diào)控電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的速度,如果速度過快在使用過程中會出現(xiàn)噪音,嚴(yán)重者還會造成噪音污染。為了解決這一問題,可以將智能監(jiān)控系統(tǒng)融入變頻技術(shù)之中,利用變頻的控制器將速度保持在正常范圍內(nèi),并且同時加強(qiáng)對空壓機(jī)出風(fēng)量的控制。具體操作如下圖1。

圖1 變頻技術(shù)操作示意圖

上圖1中各項操作可以說一目了然,總的來說,就是需要先設(shè)定一個合理的壓力,再利用PID對設(shè)備輸出的功率,而在進(jìn)行調(diào)節(jié)操作之前,還需要計算出頻率的相關(guān)數(shù)值。只有按照步驟進(jìn)行如上操作,才能夠保障電動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到正常的范圍。在將預(yù)期管理壓力控制到合理范圍之后,還需要對空壓機(jī)的壓力進(jìn)一步進(jìn)行控制。這是由于在使用空壓機(jī)的管路時,管路內(nèi)部的壓力會產(chǎn)生波動,隨之帶動轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,所以要先控制好轉(zhuǎn)速使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,自然而然地將壓力控制在穩(wěn)定的范圍狀態(tài)內(nèi)。舊式空壓機(jī)的內(nèi)部仍不完善,為了保證其平穩(wěn)運(yùn)行則需要增加實時監(jiān)控系統(tǒng)檢測內(nèi)部情況。

與眾多機(jī)器一樣,空壓機(jī)也包含眾多參數(shù)信息。工作人員要想掌握這些參數(shù),則需要借助實時監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了解。實時監(jiān)控系統(tǒng)可以通過觀察機(jī)體溫度,了解其是否在運(yùn)行過程中存在故障,其中最為常見的方法是冷卻水出口的水溫測定法。這種方法的主要檢測方式是通過監(jiān)測冷卻水的水溫來確保水泵保持正常運(yùn)行的狀態(tài)。潤滑油監(jiān)測法則是另一種方法,而正確地利用這一方法進(jìn)行檢測可以了解到潤滑油的供給量是否充足,避免因為潤滑油過少而阻礙機(jī)體運(yùn)行。

3 螺桿空壓機(jī)供氣控制方式簡介

螺桿式空壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)行時間長,故而所需配備的電動機(jī)功率也極大,同時其設(shè)計也顯得沉重冗雜。在運(yùn)行時,螺桿式空壓縮機(jī)的氣量會出現(xiàn)變化。下圖將以英格索蘭ML250螺桿空壓機(jī)的電控圖(見圖2)為例闡述空壓機(jī)供氣控制的原理。

圖2 原空壓機(jī)電控原理圖

現(xiàn)如今,最為常見的空壓機(jī)啟動方法有(Y-△)起動方式和三相異步電動機(jī)直接驅(qū)動兩種方式。而對空壓機(jī)各點的檢測則包含壓縮空氣的溫度、壓力,冷卻水壓力、油壓、油溫等等方面,具體有觸摸屏智能控制器集中控制、兩點式控制(加、卸載控制)或起停式控制三種方式。

在啟動智能控制器之后,KM1、KM3線圈就會受電進(jìn)行運(yùn)動,壓縮機(jī)的電動機(jī)也會呈y形起伏,大約在十秒后KM3會失去電力的支持,KM2又接續(xù)開始受電運(yùn)動,此時的壓縮機(jī)的電動機(jī)由星型轉(zhuǎn)向三角形進(jìn)行波動。隨后斷油電磁閥受電流影響呈打開狀,順勢將潤滑油噴入壓縮機(jī)室,此時的壓縮機(jī)呈空載狀況進(jìn)行運(yùn)動。

如果管網(wǎng)壓力低于最小值,步進(jìn)電動機(jī)的控制進(jìn)氣閥會逐漸打開,使空壓機(jī)由空載運(yùn)行轉(zhuǎn)向滿載運(yùn)行。當(dāng)壓力值高于最大值時,此時氣缸內(nèi)的壓力已經(jīng)超過設(shè)定值的上限,空壓機(jī)會受其影響關(guān)閉進(jìn)氣閥并同步打開內(nèi)循環(huán)的管路,保持自循環(huán)卸載運(yùn)行甚至直接停止運(yùn)行。有實踐結(jié)果表明,如果頻繁進(jìn)行加載和卸載運(yùn)動或者頻繁啟動的話,對電網(wǎng)和供配電器保護(hù)設(shè)備造成的損害不可估量,更有甚者會直接導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。一般來說,空壓機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行時,電力負(fù)荷保持在滿負(fù)荷的30%~60%,如果重新啟動則會增大空壓機(jī)內(nèi)部的電流,此時的電流大概會超過額定電流的5到7倍。

4 空壓機(jī)能耗分析

空壓機(jī)在使用加載和卸載控制方式時,會對氣體進(jìn)行壓縮,保持其壓力在pmin~pmax之間,pmin意味著壓力值最低峰值,此時能保證用戶進(jìn)行正常的工作;pmax則相反,意味著最高峰值。而兩者之間的關(guān)系可以用如下公式進(jìn)行表示:

δ是一個百分?jǐn)?shù),其數(shù)值大致在10%~25%之間。

變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用可以幫助供氣量持續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié),這樣就能保障管網(wǎng)壓力保持在供氣的工作壓力之上(即pmin附近)。

根據(jù)筆者的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn),空壓機(jī)在進(jìn)行加、卸載供氣控制的時候,通常會在兩個方面損耗能源,結(jié)果如下:

(1)壓縮空氣壓力超過pmin所消耗的能量。在原控制方式的作用下,壓力即使達(dá)到達(dá)到pmin后,壓力值也會繼續(xù)上升直至pmax。在上升的過程中產(chǎn)生的大量熱量會向外界釋放,這不利于節(jié)約能源目標(biāo)的實現(xiàn)。除此之外,高于pmin的氣體只有經(jīng)過減壓閥減壓才能真正完整的進(jìn)入氣動元件中,在這一過程也極容易造成能源的損耗。

(2)卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量。一般來說,為了防止壓力達(dá)到pmax,空壓機(jī)通常采取以下方法進(jìn)行降壓:首先需要關(guān)閉進(jìn)氣閥,確保電動機(jī)停止運(yùn)行保持空轉(zhuǎn);然后將罐中壓縮出來的多余空氣從放空閥中卸出。但這一方法有利也有弊,其弊處在于會造成資源和能源的過度浪費(fèi)。這是因為即使將進(jìn)氣閥關(guān)閉,保持電動機(jī)空轉(zhuǎn)也無法長期確??諌簷C(jī)處于空載狀態(tài)。準(zhǔn)確來說,關(guān)閉進(jìn)氣閥后的空壓機(jī)仍會作出回轉(zhuǎn)運(yùn)動,甚至占據(jù)了90%的時間。這往往白費(fèi)努力,進(jìn)而造成大量的能源浪費(fèi)。而在卸載供氣控制裝置的輔助下,空壓機(jī)的能源能夠得到有效的利用,減少浪費(fèi)的產(chǎn)生。

5 變頻螺桿空壓機(jī)的控制原理

變頻控制空壓機(jī)系統(tǒng)流程圖如圖3所示,變頻控制空壓機(jī)根據(jù)用氣量自動改變主機(jī)轉(zhuǎn)速,及時反映系統(tǒng)壓力的變化,保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定;當(dāng)系統(tǒng)耗氣量降低時,壓縮機(jī)提供的壓縮空氣量將大于系統(tǒng)的消耗量。變頻壓縮機(jī)將降低轉(zhuǎn)速并輸出壓縮空氣量,以保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。如果系統(tǒng)耗氣量增加,壓縮機(jī)提供的壓縮空氣量將小于系統(tǒng)耗氣量,變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速將相對增加,壓縮空氣量將輸出以保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。這種運(yùn)行方式使變頻壓縮機(jī)能夠直接、快速地反映系統(tǒng)的壓力變化,并提供系統(tǒng)消耗所需的風(fēng)量變化。通過這種運(yùn)行方式,變頻壓縮機(jī)可以在輸出風(fēng)量和能耗之間保持最佳的運(yùn)行效率。管網(wǎng)壓力可以作為控制對象。壓力變送器YB將儲氣罐壓力P轉(zhuǎn)換成電信號,送PID智能調(diào)節(jié)器與壓力設(shè)定值p0進(jìn)行比較。根據(jù)差值的大小,按既定的PID控制方式進(jìn)行操作,并將控制信號送至變頻器控制電機(jī)的工作頻率和轉(zhuǎn)速,使實際壓力p始終接近設(shè)定壓力p 0,通過變頻器將空壓機(jī)電機(jī)從靜止啟動到旋轉(zhuǎn)啟動,實現(xiàn)了軟啟動,避免了啟動對空壓機(jī)的沖擊電流和機(jī)械沖擊。

圖3 變頻器控制空壓機(jī)系統(tǒng)流程圖

6 結(jié)語

綜上所述,為了確??諌簷C(jī)能進(jìn)行軟啟動且在啟動過程中平穩(wěn)運(yùn)行,降低峰值電流的影響,利用變頻技術(shù)對其進(jìn)行控制必不可少。這種技術(shù)的使用能夠延長螺桿轉(zhuǎn)子以及電動機(jī)和電氣的使用壽命,降低維修的次數(shù)以此來確保它們的精度長時間保持較高水平。

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