论文部分内容阅读
空压机是煤矿中耗电量大的设备之一,其耗电量约占全矿总耗电量的8%～11%。随着矿井的延伸,压风机的耗电量还将进一步增大,企业如果采取措施降低压风机的耗电量,将会产生巨大的经济效益。尤其是近年来,随着国民生产的发展,对煤矿资源的利用日渐增多,提高矿山机械的生产效率,降低生产成本已是一个亟待解决的问题。因此,根据矿山空压机的工作特点,确定其节能方案,并利用先进的生产控制技术,提高空压机的主要技术经济指标,降低压缩机的能耗,已成为煤矿企业孜孜以求的目标。
1.空压机变频节能的原理
由于空壓机上使用的电动机一般都是三相异步电动机,根据电机学原理,异步电动机的转速为: n =60f(1-S)/p
式中n为电机转速,f为电源频率,p为电机极对数,S为转差率。
由上式可知,电机的转速和输入电流的频率成正比,只要改变电源的供电频率,就可以改变电机输出的转速,达到电机变频调速的目的。
当压空机用气量减小时,采用变频调速,可降低电动机的转速,从而较大幅度减小电动运行功率,进一步实现节能的目的,同时还能十分方便地进行连续调节,能保持压力、流量、温度等参数的稳定,大幅度提升控制品质。
通过流体力学的基本定律可知:风机属平方转矩负载,其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n —— 流量与转速成正比,H∝n2 —— 压力与转速的平方成正比,P∝n3 —— 轴功率与转速的立方成正比。
由此可见,变频节能的核心目的就是变频控制能根据被控制对象的实际需要,实现动态匹配,并达到最高的功率转换效率。当流量为额定流量的70%时,电机轴功率为额定轴功率的34.3%,仅为1/3,因此,变频器在空气压缩机上能起到显著的节能效果。
2.变频恒压控制的方案
随着信息技术的发展和煤炭安全生产重视程度的提高,人们对煤矿设备的智能化要求也越来越高,因此智能化电器所能实现的功能也随之变多,但这些功能的实现必须由几个系统多种不同设备共同协作完成,这样就需要对空压机系统进行集成,以实现监控功能。为此,我单位在传统压风机的系统基础上增加了一套控制系统——变频恒压控制系统。
本系统是在保留原工频系统基础上加装变频器,做到工频变频互锁切换,保持原系统喷油温度、油过滤器、空气过滤器、 轴承温度、排气温度等五大保护不被破坏,同时注意变频器所控电机不要再设热继电器作为工作过流保护,而是要通过对外部电路的合理设计,使空压机启停操作规程依然如前,操作简单,安全。
基于PLC的变频控制系统以输出压力作为控制对象。空压机变频控制系统通过内置的PID自动调节输气量与设定量的差值,使压力恒定,系统压力通过压力变送器将管网压力转变成电信号送到变频器的PID单元与设定值比较,并根据差值的大小按既定控制模式进行运算,使节能控制系统输出相应的速度来控制空压机的电机,令实际压力与设定压力相等来达到恒压目的,实现供气的连续调节,保证管网压力稳定,最终达到空载运行时电能的大幅度节约。该系统主要运用变频器的变频功能、动态调整功能、变频自身的V/F功能、变频自带软启动功能和提高功率因数等功能来进行节能降耗的。基于PLC的变频自动控制流程见图1。同时,该系统增加了工频与变频切换功能,并保留原有控制和保护系统。正常情况下,空压机在变频方式下工作。变频器一旦出现故障,生产工艺不允许空压机停机,可由工频电源通过接触器直接供电,使空压机照常工作,变频与工频电源切换电路见图2。
另外,采用该方案后,空压机由变频器实现软启动,减小了过大启动电流对空压机带来冲击。
由于空压机可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,因此可以辅以压力闭环控制,实现空压机的供气压力- 转速的动态匹配,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,减少了电机的实际输入功率,达到节能目的。
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。
3.变频恒压控制系统的设计
本系统由压力传感器,可编控制器,防爆变频器,本安回路温度传感器四个部分组成。设计要求如下:
(1)电机变频运行状态保持储气罐出口压力稳定,压力波动范围不能超过±0.02MPa。
(2)系统应具有变频和工频两套控制回路。
(3)系统具有开环和闭环两套控制回路。
(4)一台变频器能控制三台空压机组,可用转换开关切换。
(5)空压机满足工况要求,系统应保障电动机具有恒转矩运行特性。
(6)防止非正弦波干扰空压机控制器,变频器输入端应有抑制电磁干扰的有效措施。
(7)用电气量小的情况下,变频器处在低频运行时,应保障电机绕组温度和电机的噪音不超过允许范围。
4.变频恒压控制系统的控制过程
本系统实现三台空压机联动控制及自动切换,一台空压机供风压力达不到6kg要求时,2min之后自动开启另一台空压机。该系统能够在闭环工作状态下使用变频器以实现恒压变量控制,保证系统工作压力的同时极大提高了电机的做功功率,达到节能降耗的目的。例如:当压力低于0.7MPa时一台空压机电机变频起动,达到压力后实现恒压供风,这台空压机继续变频运行保压10min后该空压机停机,当压力降低时该空压机再次自动起动变频运行;当一台空压机的运行不能达到压力要求时,两台台空压机变频起动运行,达到压力后如果一台停机一台运行,这台空压机继续变频运行保压10min后该空压机停机,当压力保持不住时,两台继续变频运行保压10min;当两台空压机的运行不能达到压力要求时,三台空压机同时变频起动运行,达到压力后如果两台停机一台运行,这台空压机继续变频运行保压10min后该空压机停机;如此循环运行,形成一个闭环控制系统。
5.变频恒压控制系统的性能特点
(1)能根据压风机系统压力反馈,自动起停泵组系统,进行变频调速恒压变量在线控制,达到节能降耗的目的。
(2)可保证系统供风压力稳定,有效提高系统风动机械使用效果,同时也大大降低风的压力波动,提高了相关设备寿命。
(3)变频器会根据管网瞬时用气量的变化来自动调节空压站中空压机转速和运转台数,使管网压力始终保持恒定在设定压力,达到了空压机节能降耗和提高供气质量的目的,同时实现了控制过程自动化,对空压机进行了超压、过载、过流、欠压等自动报警保护。
(4)实现软启动,可减缓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,延长压缩机的使用寿命。
(作者单位:山东煤炭技术学院)
1.空压机变频节能的原理
由于空壓机上使用的电动机一般都是三相异步电动机,根据电机学原理,异步电动机的转速为: n =60f(1-S)/p
式中n为电机转速,f为电源频率,p为电机极对数,S为转差率。
由上式可知,电机的转速和输入电流的频率成正比,只要改变电源的供电频率,就可以改变电机输出的转速,达到电机变频调速的目的。
当压空机用气量减小时,采用变频调速,可降低电动机的转速,从而较大幅度减小电动运行功率,进一步实现节能的目的,同时还能十分方便地进行连续调节,能保持压力、流量、温度等参数的稳定,大幅度提升控制品质。
通过流体力学的基本定律可知:风机属平方转矩负载,其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n —— 流量与转速成正比,H∝n2 —— 压力与转速的平方成正比,P∝n3 —— 轴功率与转速的立方成正比。
由此可见,变频节能的核心目的就是变频控制能根据被控制对象的实际需要,实现动态匹配,并达到最高的功率转换效率。当流量为额定流量的70%时,电机轴功率为额定轴功率的34.3%,仅为1/3,因此,变频器在空气压缩机上能起到显著的节能效果。
2.变频恒压控制的方案
随着信息技术的发展和煤炭安全生产重视程度的提高,人们对煤矿设备的智能化要求也越来越高,因此智能化电器所能实现的功能也随之变多,但这些功能的实现必须由几个系统多种不同设备共同协作完成,这样就需要对空压机系统进行集成,以实现监控功能。为此,我单位在传统压风机的系统基础上增加了一套控制系统——变频恒压控制系统。
本系统是在保留原工频系统基础上加装变频器,做到工频变频互锁切换,保持原系统喷油温度、油过滤器、空气过滤器、 轴承温度、排气温度等五大保护不被破坏,同时注意变频器所控电机不要再设热继电器作为工作过流保护,而是要通过对外部电路的合理设计,使空压机启停操作规程依然如前,操作简单,安全。
基于PLC的变频控制系统以输出压力作为控制对象。空压机变频控制系统通过内置的PID自动调节输气量与设定量的差值,使压力恒定,系统压力通过压力变送器将管网压力转变成电信号送到变频器的PID单元与设定值比较,并根据差值的大小按既定控制模式进行运算,使节能控制系统输出相应的速度来控制空压机的电机,令实际压力与设定压力相等来达到恒压目的,实现供气的连续调节,保证管网压力稳定,最终达到空载运行时电能的大幅度节约。该系统主要运用变频器的变频功能、动态调整功能、变频自身的V/F功能、变频自带软启动功能和提高功率因数等功能来进行节能降耗的。基于PLC的变频自动控制流程见图1。同时,该系统增加了工频与变频切换功能,并保留原有控制和保护系统。正常情况下,空压机在变频方式下工作。变频器一旦出现故障,生产工艺不允许空压机停机,可由工频电源通过接触器直接供电,使空压机照常工作,变频与工频电源切换电路见图2。
另外,采用该方案后,空压机由变频器实现软启动,减小了过大启动电流对空压机带来冲击。
由于空压机可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,因此可以辅以压力闭环控制,实现空压机的供气压力- 转速的动态匹配,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,减少了电机的实际输入功率,达到节能目的。
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。
3.变频恒压控制系统的设计
本系统由压力传感器,可编控制器,防爆变频器,本安回路温度传感器四个部分组成。设计要求如下:
(1)电机变频运行状态保持储气罐出口压力稳定,压力波动范围不能超过±0.02MPa。
(2)系统应具有变频和工频两套控制回路。
(3)系统具有开环和闭环两套控制回路。
(4)一台变频器能控制三台空压机组,可用转换开关切换。
(5)空压机满足工况要求,系统应保障电动机具有恒转矩运行特性。
(6)防止非正弦波干扰空压机控制器,变频器输入端应有抑制电磁干扰的有效措施。
(7)用电气量小的情况下,变频器处在低频运行时,应保障电机绕组温度和电机的噪音不超过允许范围。
4.变频恒压控制系统的控制过程
本系统实现三台空压机联动控制及自动切换,一台空压机供风压力达不到6kg要求时,2min之后自动开启另一台空压机。该系统能够在闭环工作状态下使用变频器以实现恒压变量控制,保证系统工作压力的同时极大提高了电机的做功功率,达到节能降耗的目的。例如:当压力低于0.7MPa时一台空压机电机变频起动,达到压力后实现恒压供风,这台空压机继续变频运行保压10min后该空压机停机,当压力降低时该空压机再次自动起动变频运行;当一台空压机的运行不能达到压力要求时,两台台空压机变频起动运行,达到压力后如果一台停机一台运行,这台空压机继续变频运行保压10min后该空压机停机,当压力保持不住时,两台继续变频运行保压10min;当两台空压机的运行不能达到压力要求时,三台空压机同时变频起动运行,达到压力后如果两台停机一台运行,这台空压机继续变频运行保压10min后该空压机停机;如此循环运行,形成一个闭环控制系统。
5.变频恒压控制系统的性能特点
(1)能根据压风机系统压力反馈,自动起停泵组系统,进行变频调速恒压变量在线控制,达到节能降耗的目的。
(2)可保证系统供风压力稳定,有效提高系统风动机械使用效果,同时也大大降低风的压力波动,提高了相关设备寿命。
(3)变频器会根据管网瞬时用气量的变化来自动调节空压站中空压机转速和运转台数,使管网压力始终保持恒定在设定压力,达到了空压机节能降耗和提高供气质量的目的,同时实现了控制过程自动化,对空压机进行了超压、过载、过流、欠压等自动报警保护。
(4)实现软启动,可减缓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,延长压缩机的使用寿命。
(作者单位:山东煤炭技术学院)