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基于PLC模式的空压机电机变频控制分析

时间:2020-02-16 05:19:51

摘 要:介绍了变频器工作基本原理及变频节能原理,通过某工厂空压机电动机变频改造情况,对比分析改造前后节能效果,具有很好的节能效果和广泛的推广前景。
  关键词:空压机;变频器;pLC;节能
  螺杆式空压机运用很广泛,传统的控制大多采用接触器直接对空压机主电机加载工频电源,依靠进气阀门的开关来控制空压机的进气口是否进气,从而达到控制空压机供气的目的。由于实际运行中空压机的设备的工作周期和生产工艺的差别,使得用气量瞬时变化非常大,这就造成进气阀门加载、卸载动作频繁。卸载后空压机没有进气,但电机依然维持在工频运转,造成电能的浪费;当系统压力变小后,进气阀突然打开加载,会对供电电网和空压机设备造成很大的冲击,也增加了设备的机械磨损。
  1.螺杆式空压机的工作原理和能耗分析
  螺杆式空压机由一对相互平行啮合的阴阳转子在气缸内转动,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,阴转子的槽和阳转子的齿在主电机驱动下旋转。
  传统的加载和卸载控制方式使得压缩空气的压力在pmin~pmax之间来回变化。pmin是能够保证现场用气点正常工作的最低压力。一般情况下,pmax与pmin之间关系可以用下式来表示:pmax=p(1+δ)pmin,式中δ大致在15%~30%之间。
  在加载和卸载控制方式下的空压机,能量主要浪费在两个方面:①加载时的电能消耗。在压力值达到最小后,检测元件检测到压力低信号,这时控制元件会打开进气阀门,气压会持续上升直到最大压力值。在整个加压过程中,外界释放更多的热量。②卸载时电能的消耗。当压力达到压力最大值时,空压机通过关闭进气阀使电机处于空转状态的方法来降压卸载。造成很大的能量浪费。空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的15%~35%之间。很明显,在加载、卸载供气控制方式下,空压机电机存在很大的节能空间。
  2.变频器的节能原理
  2.1变频节能
  由流体力学可知,p(功率)=Q(流量)×H(压力),流量Q与转速N的一次方成正比,压力H与转速N的平方成正比,功率p与转速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,当要求调解流量下降时,转速N可成比例的下降,而此时轴输出功率p成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。通过计算:一台水泵电动机功率为55KW,当转速下降到其原转速的4/5时,其耗电量为28.16KW,省电48.8%,当转速下降到原转速的1/2时,其耗电量为6.875KW,省电87.5%。
  2.2功率因数补偿节能
  无功功率不但增加线损和设备的发热,更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低,大量的无功电能消耗在线路中,设备使用效率低下,浪费严重,有公式p=S×cosφ,Q=S×sinφ,其中S—视在功率,p—有功功率,Q—无功功率,cosφ—功率因素,可知cosφ越大,有功功率p越大,普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,cosφ≈1,从而减少了无功损耗,增加了电网的有功功率。
  2.3软启动节能
  由于异步电动机如果采用直接启动,启动电流等于(4-7)倍额定电流,这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击,而且对电网容量要求过高,启动时产生的大电流和震动对挡板和阀门的损害极大,对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后,利用软启动器将使启动电流从零开始,最大值也不超过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备和阀门的使用寿命,节省了设备的维护费用。
  3.变频器和pLC的控制模式及节能效益分析
  采用变频调速控制,即把管网压力作为控制对象,压力变送器YB将储气罐的压力p转变为电信号送给pLC的pID调节器,与压力设定值p0作比较,并根据差值的大小按既定的pID控制模式进行运算,产生控制信号送给变频器,通过变频器控制电机的工作频率与转速,从而使实际压力p始终接近设定压力p0。
  某工厂空压机电机参数:功率为185KW,转速为1480r/m,额定电压380V,额定电流405A,功率因数为0.89;变频器功率为200KW。在传统的接触器直接加工频电源控制电机模式下,正常生产情况时,压力维持在0.45~5.6Mpa范围内,空压机进气阀门开关都呈现一定的规律性,即阀门打开加载时间约为118s,关闭时间约为96s(加载时间占总时间的55%,卸载时间占45%);加载时电机电流大约为额定电流的1.4倍,关闭阀门电机电流约为额定电流的0.4倍。按照以上电机参数计算,电机每天做功p1(24小时连续运转);
  由公式p=UI cosφ 可知:I加载=1.4I0 ,I卸载=0.4I0 ,p加载=UI加载 cosφ=1.732×380V×1.4×405×0.89,p?加载= p加载×24×55%=4384KWh,p卸载=UI卸载 cosφ=1.732×380V×0.4×405×0.89,p?卸载= p卸载×24×45%=1024KWh
  空压机每天做功:p1= p?加载+ p?卸载=4384 KWh +1024 KWh =5408 KWh
  采用变频恒压控制以后,正常生产时,管网压力保持在5.2Mpa这样一个相对稳定的值,变频器显示40HZ,电机电流维持在275A左右,上下波动较小,功率因素为0.8。电机每天做功p2;
  由公式p=UI cosφ 计算可知:p2=UI cosφ×24h=1.732×380V×275A×0.8×24,p2=3475KWh
  每天可节约电能:pˊ=p1-p2=5408-3475=1933 KWh,这样每天节约的电能大约为1933KWh,工业电价按当地均价0.7831元/KWh计算,每年按330天计算,可节约生产成本:1933×0.7831×330=49.95万元。
  4.结束语
  利用变频器+pLC的控制模式实现了螺杆空压机的节能运行,同时空压机电机从静止到旋转工作由变频器来启动,实现了软启动,避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击,降低了原系统噪音,减少了设备维修费用,具有很好的节能效果和广泛的推广前景。
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