浅析PLC和变频器在空压机节电技术改造中的应用

浅析 PLC和变频器在空压机节电技术改造中的应用

赵 岩

(淮北矿业集团临涣焦化股份有限公司，安徽淮北 235141)

摘要：分析运用PLC和变频器在空压机节电改造中的基本原理、节电改造中应注重的关键技术问题、运用PLC的空压机变频控制系统设计与实现，最后以改造实例分析改造后的节电效果。

关键词：螺杆空压机；PLC和变频器；节电改造；分析

引言：空气压缩机在企业的应用非常广泛，它作为一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备，在各行业的应用不可或缺。空压机在大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)中的耗电占比较高（一般都在15％左右），因此也具有较大的节电潜力。鉴于其结构原理，而大部分空压机自身都存在明显的技术弱点。主要集中在：①输出压力大于一定值时，会自动打开泄载阀使异步电动机空转，明显浪费了能源；②噪音较大，工作环境恶劣；③由于频繁的启动、停止，严重影响了电机的使用寿命，在工频启动时电流还大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量加大；④输出压力的调节是靠人为调节阀的开度实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低，即自动化程度非常低。对此，有必要运用PLC和变频器实现对螺杆式空压机的节电技术进行改造，在节电的同时，又能提高自动化程度，实用性也好。

1.运用PLC和变频器在空压机节电改造中的基本原理

1.1空压机工作过程与原理。空压机主要是由电动机、压缩腔和储气罐等构成。根据气缸结构，采用偏心模式进行。元件滑片置于转子凹槽里面，移动的推力主要来自离心力。注油系统主要是为了保障机体冷却，并最大限度的降低润滑油消耗，避免各组件间的磨损。系统可通过在气缸表面注入适量润滑油，使其生成薄膜，达到减少磨损效果。吸入的空气经压缩机处理后，成分中含少量油气，且温度较高。这借助空气冷却器，可使混合气体的空气分离出来，通过油冷却器可有效将油气冷却并分离。前者流入储气罐，后者流入储油罐。螺杆式空压机的工作原理图如图l所示。空气经空气过滤器和吸气调节阀（调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转）吸入，滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至气缸壁，通过高效的注油系统能确保压缩机良好的冷却和润滑油最小耗量。气缸壁上形成的一层薄油膜可防止金属部件之间直接接触的磨损。经压缩后的空气温度较高，并混有一定油气，再经油气分离器进行分离后，油气经油冷却器冷却、过滤器流回储油罐。空气经气后冷却器冷却进入储气罐。

1.2 运用PLC和变频器改造节电原理。正常运转时主要有加、减载两种运转模式。引起能耗较高的原因主要在减载模式中，因电机处于空转状态，不做功。运用变频器能有效应对该问题，可采取调整频率的方法解决，以实现对电机转速的控制。出风量主要由电机速率决定，所以通过控制电机速率，便能实现对管理压强的控制，只要不超过临界值，电机就不会出现空载情况。原理：通过PLC和变频器实现对管网压强的有效调控，使之不超过一定的临界值。期间借助压力变送器获得管理压强，并将其与临界值比对，结果反馈给PLC调节器，这可得到电机当前运转频率。再反馈给变频器，根据实际情况，计算并输出合理的频率，对空气压力进行调节，以防管路压强过载，造成电机空转，最后实现对空压机电耗的有效降低。

2.节电改造中应注重的关键技术问题

运用变频器对空压机进行节电改造中，关键是应注意以下问题：①空压机启动时容易出现负载情况，导致变频器产生故障。为保障安全高效运转，需要合理选用变频器，既要无速度矢量，又要有较高的转矩。②严格控制好运转频率（25Hz以上）。不能长时间连续工作，因低频工作极大的降低了气缸润滑效果，会造成组件磨损，减少寿命，还会影响运行的安全稳定性。③防止运转期间常跳闸等。选用变频器应尽量选功率更大的。为降低电磁干扰和噪音，可使用交流电抗器。为保障高效稳定运转，控制回路的设计应考虑到各种故障（如变频故障时，如何保障正常进行，这可设计工频和变频回路）。

3.运用PLC的空压机变频控制系统设计与实现

控制系统主要由变频器、可编程控制器、变频柜、电抗器、压力变送器、震荡传感器、接触器、空气开关、电缆、电流表、电压表、按钮、互感器等部分组成。基于PLC的变频控制系统原理见图2所示。PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块、开关量输入、输出模块等组成。采用PLC实现电气部分的控制，内容有起动、运行、停止、切换、报警和故障自诊断部分。而转换开关选择，可变频和工频启动方式。控制系统的具体功能为：①起动：以两台电机M1，M2为例，可通过转换开关选择变频和工频启动。②运行：正常电机Ml处于变频调速状态，电机M2处于停机状态。现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经PID指令运算，得到频率信号，调节转速达到所需压力。③停止：按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止。④切换：实现Ml，M2工频、变频相互切换。⑤报警和故障自诊断：空压机内部一般有四个需要监测的量，即冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测和储气罐压力监测。

4.改造后节电效果分析

现以一台200KW的螺杆式空压机改造为例，分析其改造效果。改造前经测试：电机功率200Kw，出口压力为5.9～6.5MPa，运行时间为20h/d，一年运行30Od，加载时间为15s，减载时间l5s。检测节电率为30％以上。按此计算年节电量如下：W=20×30O×200×30％=3.6×1O⁵(kWh)。若按现行电价0.75元/kwh计算，一年节约电费27万元。由此可见，除了节电效果明显外，空压机的噪音也减少了。PLC和变频器的利用，综合实现了机器的软启动和软停止，有效避免了空压机启动时对电网的冲击及其设备的维修量；两套控制回路的运用，又可保证了系统的正常和安全运行；PLC和变频器的运用，使得系统的自动化程度得到有效提高，克服了原系统靠手动调节的诸多缺点。这对于实现无人值守也是非常有利的。

结束语：通过以上分析可以看出，运用PLC和变频器实施对螺杆式空气压缩机进行节电技术改造，除了能获得显著的节电效果外，还能解决诸多问题。改造后系统自动化程度提高了，系统噪音减少了，故障减少了，进而设备维修量也减少了，安全保障运行可靠了。对周围电网的冲击影响也有很大改善，系统使用寿命得以延长。总之，空压机运用PLC和变频器实施技术改造很有必要与应用价值。

参考文献:

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