一、空气压缩机变频调速控制系统及原理

  【中国压缩机网】空气压缩机变频调速控制系统如图1所示。

变频器在空气压缩机恒压控制中的应用

  电动机拖动空气压缩机旋转,使之产生压缩空气,并存储于储气罐中。储气罐中空气压力的大小取决于空气压缩机产生压缩空气的能力(本系统中即取决于电动机的转速)和用户用气量之间的平衡状况,为了保证供气质量,要求储气罐空气压力稳定在某一数值上。储气罐内的压力为被控量,压力变送器将储气罐的压力变换成电信号送给变频器PID单元,与压力给定值进行比较,PID功能单元根据比较所得偏差的大小和方向按预定的PID运算规律运算后产生控制信号改变变频器的输出,从而改变电动机的转速,使储气罐内的实际压力始终维持在给定值上。同时,设置工频电源电路,使空气压缩机在变频器出现故障时不致长时间停机,并利用变频器工频运行切换控制功能,进一步提高电机的运行效率。

  二、系统配置与变频器功能设置

  1、配置原理

  主电路由断路器QF、接触器MC1、MC2、MC3及热继电器FR构成。三相电源通过断路器QF引入;接触器MC1用于将电源接至变频器的输入端,MC3用于将变频器的输出端接至电动机,MC2用于将工频电源直接接至电动机;热继电器FR用于对电动机进行过载保护。

  端子MRS、CS、STF信号的ON/OFF确定变频器工作状态,分别接入开关QS1、继电器KA0常闭触头和开关QS2。端子RT(X14)接入继电器KA3常开触头,其信号置于“ON”时,变频器进行PID控制,目标值即压力给定信号通过外接电位器进行设定,由端子2~5间输入,测量值信号来自压力变送器,由端子4~5间输入。IPF、OL、FU为主机集电极开路输出端子,用于工频运行切换功能,允许负载为DC 24V、0.1A,采用线圈电压为24V的继电器KA1、KA2、KA3分别控制交流接触器MC1、MC2、MC3 ,并加保护二极管。当接触器MC1、MC3吸合时,电机在变频器控制下运行,当接触器MC2吸合时,电机在工频下运行。工频切换时,MC3先断开,使电动机脱离变频器,经适当延时后MC2吸合,将电动机接至工频电源。空气压缩机变频调速控制系统配置如图2所示。

  按下按钮SB1,接触器MC1吸合,合上开关QS1、QS2,变频器启动(正转),电动机开始运行。A1、B1、C1为异常输出端子,当变频器发生故障时,A1-C1间导通,蜂鸣器HA与信号灯HL发出声光报警;同时,继电器KA0常闭触头断开,使CS信号置于“OFF”,从而切换为工频运行,操作人员可用按钮SB0解除报警信号,并对变频器进行检修。

  2、变频器

  空气压缩机处于长时间连续运行状态,且属于恒转矩负载和连续变动负载,变频器采用三菱FR2A700系列通用变频器。该变频器为可信度很高的产品,使用方便,操作、维护简单,可根据设备的转矩特性设定最适合的V/F曲线,具有丰富的PID功能,具有良好的瞬时停电再启动功能、频率跳变功能和工频切换顺序控制功能以及完善的安保功能,能对应各种标准并具有对环境的友好性。

  由于负载并非低速下长时间运行的情况,变频器的容量选择与电动机容量相同,如30kW电动机配用FR-A740-30K-CHT变频器。变频器运行控制方式采用V/F控制方式,因为压缩机对各种参数的控制精度要求不高,无须采用矢量控制,采用变频调速的重要目的之一是轻载时提高电动机的效率实现节能,而变频器的节能功能只有在V/F控制方式下才有效。

  3、压力变送器

  压力变送器采用ATE1151电容式压力变送器,其输出信号为二线制24V供电、4~20mA输出,量程范围0~2000kPa。该仪表性能稳定、质量可靠、精度高、价格低廉、防爆及耐压、耐腐性能好,并带现场指示表。

  4、PID作用设置

  PID控制的目的是要取得较好的静态与动态控制指标,当比例增益很大时,会发生调节过头又反向调节导致振荡。为防止超调、避免振荡,适当减小比例增益增加积分环节,能有效消除偏差。对于容易发生振荡的系统,比例增益只能设定得小一些,这又会发生当用气量急剧变化时,被控量(压力)难以迅速恢复的情况,微分控制能根据偏差变化的趋势迅速作出反映,提前给出一个相应的调节动作。空气压缩机系统对过渡过程时间要求不高,故用PI调节方式,以减少对变频器的冲击。

  5、变频器功能设置

  变频器的功能设置如下:

  ①上、下限频率。如转速超过额定转速,电动机的输出功率将超过其额定容量,因此,上限频率一般不宜超过额定频率(50Hz);如转速过低,使压缩机的工作稳定性变差、机械性能变差。因此,下限频率一般不宜低于额定频率的80%(40Hz)。所以,设Pr1=50Hz,Pr2=40Hz。

  ②加、减速时间。由于空气压缩机不经常起动,且对升、降速时间无特别要求,所以升、降速时间可适当地选长一点,以免“过流”或“过压”,如设Pr7=30s、Pr8=25s。

  ③升、降速方式。希望开始启动时频率上升得快一些,以利于迅速启动起来,达到一定转速后,因压缩空气已经有相当的压力,频率的上升速度宜减缓;降速过程则相反,开始时频率应下降得慢一些,当速度已经下降到一定程度后可加快降速。由于压缩机非经常启动、停止,可设Pr29=4或2、0,即选择S字加减速C,或S字加减速B和直线加减速方式,一般能满足要求。

  ④适用V/F样式。空气压缩机属于恒转矩负荷,设Pr14=0。

  ⑤运行模式。设Pr79=2,使变频器工作固定为外部运行模式。

  ⑥PID控制。设Pr128=20,将PID动作选择在负作用。并设定Pr127=某一频率(如45Hz),使电动机的启动运行在到达此频率前为通常运行模式。

  ⑦切换功能。为使工频切换顺序功能有效,设Pr135=1;

  设Pr136=110s,使继电器KA2和KA3的切换动作互锁时间为1s;

  设Pr137=110s,使启动开始等待时间为1s;

  设Pr138=1,使变频器发生故障时自动切换到工频运行功能有效;

  设Pr139=50Hz使变频-工频自动切换频率为50Hz;工频-变频自动切换动作范围则根据系统控制精度要求等具体情况定,如:设Pr159=0.5Hz,在频率指令未满49.5Hz时作工频-变频的切换;

  设Pr57=0.5s,使变频器从瞬间停电到恢复正常供电后再启动的等待时间(自由运行时间)为0.5s;

  设Pr58=0.5s,使再启动时的电压上升时间为0.5s。

  ⑧输入、输出端子功能分配。

  设Pr178=60,STF端子用于正转运行控制;

  设Pr186=6,CS端子用于瞬停再起动控制;

  设Pr185=7,JOG端子用作OH端子,接受外部热继电器输入;

  设Pr183=14,RT端子作为PID控制有效端子;

  设Pr191=47,SU端子功能选择PID控制动作中;

  设Pr192=17、Pr193=18、Pr194=19,使IPF、OL、FU端子用于工频切换控制继电器KA1、KA2、KA3。

  ⑨其他。如设Pr77=1或0,不可写入参数或参数写入仅限于停止时,以防止参数值被意外改写; 设Pr78=1,防止电机反转;设Pr9=0,电机使用外部热继电器,不使电子过电流保护工作。

  三、系统优点

  通过上述配置与变频器功能设置,本系统具有如下优点:

  ①采用变频器控制,大大提高了电动机轻载时的效率,实现节能。通过变频器实现了无级调速,实现了电动机的软启动、软停车,使系统的控制精度高、动态性能好,大大减少了电和机械的冲击,从而改善了运行性能。

  ②利用变频器内置工频/变频运行切换控制功能,实现工频运行与变频运行的自动切换。一方面在变频器出现故障时由工频电源直接供电,保证空气压缩机能照常工作;另一方面,电机在50Hz的频率下运行时,以工频电源运行效率更高,在50Hz运行情况由变频运行自动切换到工频运行,并根据生产工艺要求等实际情况设定一个范围,进一步提高了系统的效率。

  ③通过外部合理配置和变频器安全保护功能应用,系统保护功能齐全,运行安全、可靠。

  ④外围电路简单,变频器功能设置合理,系统操作、运行简便。包括系统的启动与停止、频率跳变、瞬时停电再启动、工频/变频切换、参数设置与修改以及目标值预置与传感器输出的校正等。如通过Pr127设置PID控制自动切换频率,电动机启动时以通常运行模式启动,等到达此频率后转为PID控制运行(变为PID控制运行后,即使输出频率在此频率以下,也继续PID控制),这样还能避免PID闭环控制启动过程中因“积分饱和”出现问题。

  四、安装与使用中的几个问题

  1、安装

  安装时遵循以下3项要求:

  ①变频器安装时须注意周围环境温度;变频器和电机须良好接地,变频器接地用独立接地端子,接地点尽量靠近变频器,接地电缆符合标准要求;作为防止来自变频器动力线的感应噪声的措施,所采用的接地线建议在配线时返回至变频器的接地端子处进行配线;作为高谐波抑制对策、功率因数改善和大容量电源(如1000 kVA以上)下,变频器输入侧接电抗器,75kVA以上时附带直流电抗器务必设置;输出侧不要连接电力电容器、过电压吸收器和无线电噪声滤波器。

  ②布线时,总配线长度不要超过规定要求。变频器与电机间的接线距离较长时,特别是低频率输出情况下,会导致由于主电路电缆的电压下降致使电机转矩下降,应使用适当型号和规格的电线接线。容易受影响的信号线,应尽量远离变频器及其输入、输出线,避免信号线和动力线平行布线和集束布线。控制回路端子的接线应使用屏蔽线或双绞线,接点输入时微小信号接点应使用两个并联的接点或使用双生接点,建议使用0.75mm2的电线,接线长度不要超过30m。注意输出端子的容量,主机集电极开路输出(如IPF、OL、FU)允许负载DC24V、0.1A,主机继电器输出(A1-C1、B1-C1)允许负载230 VAC、0.3A。

  ③MC2、MC3除了电气互锁还必须采取机械式的互锁,所以采用有机械互锁的接触器。

  2、调试

  ①运行变频器前要确认回路的绝缘电阻,在接通电源之前充分确认变频器输出测的对地绝缘、相间绝缘;准确预置目标值十分重要,由外接电位器进行预置,调整起来比较方便;传感器输出的校正在变频器停止中的PU模式下进行;若运行一次后想改变接线,要注意防备电容上危险的高压电。

  ②在完成变频器功能设置及空载运行试验后,可进行系统联动调试,包括工频运行与变频运行,变频运行的调试又包括开环和闭环。

  开环调试。主要观察变频器频率上升的情况,设备运行声音是否正常,空气压缩机的压力上升是否稳定,压力变送器工作是否正常,设备停机是否正常等。闭环调试。如开环调试一切正常,则可进行闭环调试。观察变频器频率上升与下降的速度和空气压缩机压力的升降匹配情况,不要产生压力振荡,观察机械共振点,将共振点附近的频率跳过去。然后进行PID参数的整定,根据经验法,如将比例带P设定为70%、积分时间常数Ti设定为60s,采取改变给定值的方法产生一个阶跃信号,观察响应情况(即压力变化过程)。经过反复调整和观察得到合适的P、Ti值,使得响应过程较为理想,压力给定值改变约一个多周期后,振幅在极小的范围内波动,对扰动反应能达到预期的效果。

  3、使用

  使用中需要注意以下几点:

  ①变频器主回路电源处于“ON”时不要使控制电源处于“OFF”。

  ②变频器的启动与停止务必使用启动信号(STF信号的ON/OFF)来进行,不要使用输入侧的电磁接触器。

  ③维护检查时,断开电源过10min后,用万用表等确认变频器主电路端子P/+与N/-间电压在直流30V以下后进行。

  ④注意变频器PID有效后的功能变化。

  ⑤如果通过Pr178~Pr189、Pr190~Pr196变更端子功能,有可能会对其它的功能产生影响,应确认各端子的功能后再进行设定。

  ⑥PID比例带、积分时间、微分时间分别由Pr129、Pr130、Pr134设定,它们可以在运行中设定,设定与运行模式无关。

  ⑦要改变电机转向,调换输出端(或电机接线端)三根线中的任意两根线(调换电源侧输入端接线无效),或把变频器上控制正反转的端子调换更简单。

  ⑧注意闭环控制的启动问题。系统刚启动时偏差很大,积分运算的结果将迅速到达上限值,出现“积分饱和”现象,使PID调节在一段时间内失去作用,结果电动机将很快升速,导致因过流而跳闸。解决办法有:在启动过程中切换成开环控制;利用变频器的PID启动功能,针对PID功能有效后可能出现的启动问题,设置“PID加、减速时间”功能,专用于当PID功能有效时的启动过程中。本系统中属于第一种办法。

  五、结束语

  变频器应用于空气压缩机恒压供气控制中,能很好地满足控制工艺要求,并具有传统控制方式不可比拟的许多优点。本文介绍了控制系统的组成和工作原理,从应用实际出发,对系统配置与变频器功能设置及使用中的关键性问题进行了研究,对变频器的功能应用相对于通常设置进行了扩充和改进,取得了很好的应用效果。随着变频器技术的不断发展,其功能将不断扩大和加强,个性化特点越来越突出,实际生产中将有极广阔的应用前景。

  参考文献

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