空压机的恒压调速数控方法

1空压空压空压空压机的机的机的机的恒压恒压恒压恒压调速调速调速调速数控方法数控方法数控方法数控方法赵婷婷1贾明全2丁慎言2(1.山东理工大学机械工程学院，山东淄博2550122.山东科汇电气股份有限公司,山东淄博255087）摘要：摘要：摘要：摘要：提出了空压机数控恒压调速的实现方法。在分析空压机系统运行情况的基础上，说明了用开关磁阻调速电机驱动空压机，使压力的监测反馈值和设定值闭环控制电机转速，实现恒压供气的方法，并总结了应用此方法的效果。证明开关磁阻调速电机能精确地数控恒压供气，同时起动性能好且节能高效，非常适合空压机系统的使用要求。关键词：关键词：关键词：关键词：空压机；数控；恒压供气；开关磁阻电机；调速；节能中图分类号：中图分类号：中图分类号：中图分类号：TD63+7TD443+.2文献标识码：文献标识码：文献标识码：文献标识码：BNNNNumericalumericalumericalumericalCCCControlontrolontrolontrolMethodMethodMethodMethodofofofofVVVVariableSariableSariableSariableSpeedpeedpeedpeedandandandandIsobaricIsobaricIsobaricIsobaricSSSSupplyupplyupplyupplyofofofofAAAAiriririrCompressorCompressorCompressorCompressorssssZZZZHAOHAOHAOHAOTingTingTingTing----tingtingtingting1111JJJJIAIAIAIAMingMingMingMing----quanquanquanquan2222DDDDINGINGINGINGShenShenShenShen----yanyanyanyan2222(1.SchoolofMechanicalEngineering，ShandongUniversityofTechnology，ShandongZibo255012，China2.KehuiElectricCorporation，ShandongZibo255087，China)Abstract:Abstract:Abstract:Abstract:Thispaperbringsforwardamethodofisobaricsupplybynumericalcontrolandvariablespeedofaircompressors.Basedonanalysisofpresentsystemmethodsofaircompressors,theapplicationofswitchedreluctancemotordriver(SRD)isintroducedtodrivethecompressorswiththepneumaticpressureofenactmentandsensorsinputSRD.Theclosedloopfeedbackcontrolsmotorspeed.Theisobaricpneumaticsupplyisrealized.Theresultsofrenovatedsystemaresummarized.ItisshownthatSRDcanmeetthedrivingrequirementsofisobaricpneumaticsupplywithautomaticandexactnumericalcontrolspeed，higherefficiency,moreenergysavingandsuperstartingperformance.Keywords:Keywords:Keywords:Keywords:aircompressor；numericalcontrol；isobaricpneumaticsupply；switchedreluctancemotor；variablespeed；savingenergy1引言长期以来,空气压缩机（以下简称空压机）一直采用降压启动，以工频恒转速运行模式进行工作,因选择空压机时是根据压缩空气最大需要量来确定的，为保证用气压力在一定范围内,空压机要根据用气需求量经常改变运行方式[1]。常用的调节方法有：停止空压机运转，降低空压机转速；压开储气罐吸气阀；关闭进气通道阀门等方法。通常采用进气阀门控制的方法，即当管路压力达到设定压力上限时，进气阀门关闭，空压机处于空载运行，虽然在电动机带动下运转，但不输出压缩空气，管路压力不再上升；当管路压力达到设定下限时，进气阀打开，输出压缩空气，管路压力上升，如此往复，整个运行过程电动机保持运行，但空压机不时地进入空载运行,出现频繁起动,造成能源浪费。由于设计时空压机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性,所以只能按最大需求来选择电动机,故选择的电动机容量一般较大。在实际运行中,轻载运行的时间往往所占的比例是非常高的,这就造成巨大的能源浪费；还存在的问题是[2]：1）管路空气压力波动较大；2）空压机频繁加载卸载造成电网电压波动大；3）空压机总处于高速运转状态，造成机械故障增多和机体温升高；4）空压机2运转噪声大，此噪声一方面由高速运转产生，另一方面在气阀动作时产生；5）电动机运转效率低，能耗大，尽管空压机处于卸载时，电动机负载小，消耗的电能小，但大功率电动机在轻载时的功率因数很低；6）空压机运转状态不能实时监控。考虑供气压力的稳定性对生产的影响很大，供气压力偏低，不能满足要求。为了避免气压不足，一般供气压力比要求值要偏高些，从而造成供气成本高，能耗大，同时造成一定的不安全因素。由公式2121nnQQ=，22121)(nnpp=，32121)(nnNN=，即空压机气体流量Q与转速n的一次方成正比，压力p与转速的平方成正比，轴功率N与转速的3次方成正比。当用气量变化时，调节带动空压机的电机转速随之变化，保持压力稳定在设定值上，可降低功耗，节约电能。例如，当流量与转速均下降到80%时，功率将降低到额定功率的51%；当流量与转速均下降到60%时，功率将降低到额定功率的21%。出于对节能、环保和减少故障考虑，对空压机运行加以控制的方法研究不断深入。最近用变频调速技术实现恒压供气正在发展中，文献[1]-[3]介绍了变频技术在空压机上的应用。但变频调速存在极大的缺点[4]：起动电流大，起动转矩小；电机低速时发热，能耗大，噪音大，效率低；调速范围窄，低速（30HZ）力矩小；控制方式复杂，运行可靠性低等，并且在电机启动前必须关闭阀门，放气后方可启动，电机运行到一定转速后，方可打开阀门，这使得变频调速不能达到令人满意的节能效果。最近，开关磁阻电机在煤矿机械的应用受到了非常好的效果[5]，但因其非线性特性而很难控制[6]，为此我们探讨了使用开关磁阻数控调速电机驱动空压机实现恒压供气的方法。2开关磁阻数控调速电机驱动空压机实现恒压供气的方法2.1开关磁阻数控调速电机驱动空压机的方法开关磁阻调速系统（SRD）由电机SRM及控制器两大部分组成。电机驱动空压机（图1），储气罐的压力变送器信号回馈给电机控制器，电机控制器比较设定压力值和变送器的监测压力值，调节电机转速，保证以设定值恒压供气。图1开关调速电机驱动空压机原理框图Fig.1PrincipleformchartofaircompressordrivenbySRD3图2SRM控制原理图Fig.2ControlprinciplechartofSRMSRM电机转子磁极没有励磁，定子的相绕组是围绕定子磁极绕制的集中绕组。以图2所示电机中定、转子的相对位置作为起始位置，依次给A→B→C→D相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，则电机会顺时针方向转动。当IGBT器件S1、S2导通时，A相绕组从直流电源U吸收电能，而当S1、S2关断时，绕组电流经续流二极管D1、D2继续流通，并回馈给电源U[7]。因此，SRM电机传动的共性特点是具有再生作用，系统节电、效率高。转子上固定有确定转子相对位置的齿盘，定子上装有检测齿盘转动的光电传感器，转子角位移以电脉冲信号的方式传送给SRD控制器，由SRD控制器控制电机的工作运动。SRD控制器由功率电路和控制电路组成，包括嵌入式微处理器、PLC可编程逻辑器件、IGBT驱动电路、光电隔离、通信接口、显示屏、键盘、电力电子器件及软件（图3）。2.2数控恒压供气的实现方法开关磁阻调速电机转速的控制方式有两种：一种是通过内部转速反馈量进行闭环控制，利用键盘及远程通讯设定转速，把实时转速与设定转速比较；另一种是通过外部反馈量进行闭环控制。对于空压机系统，选用后一种方式控制转速。选用量程为0~0.8MPa的压力变送器，压力变送器采集储气罐的压力，并把压力信号转变为4~20mA的标准电流信号，将信号连接SRD控制器的模拟量输入接口（图3）；压力的设定数值（如0.5MPa）通过键盘输入，嵌入式微处理器把两者进行比较。当压力变送器传来的监测值小于或大于压力设定值时，嵌入式微处理器按公式（1）、（2）计算，根据位置编码，按PLC可编程逻辑器件中的程序，通过控制电路，控制IGBT的导通与关断，控制绕组电流的通电相序、电流的斩波值、开通角及关断角，控制电动机转矩（当0θddL，为正向驱动转矩；当0θddL，为反向制动转矩）与转速，实现电机的连续调速功能，由22121)(nnpp=，达到控制压力的目的，直至压力设定值和变送器监测反馈值相等，实现对4压力变送器输入信号的闭环数控，使压力维持在设定值。同时SRD控制器具有RS232通讯接口，可实现系统的维护和远方监控。θddLiMe221=（1）ωωDdtdJMMLe+=−（2）式中i--相电流；θ--转子角位移；D--粘性磨擦系数；eM--电机转矩；t--时间；LM--负载转矩；J--电机转子及负载的转动惯量；L--相电感；ω--转子角速度。图3SRD控制系统图Fig.3ControlsystemchartofSRD3SRD用于空压机驱动的优势分析3.1开关磁阻调速系统的优势分析开关磁阻调速系统（SRD）与其它调速系统相比有以下优点：1）SRD带负荷长期运转的转速范围可在零到最高转速内，电机及控制器的温升低于工作在额定负载时的温升。52）SRD在其宽广的调速范围内，整体效率比其它调速系统高出至少10%。在低转速及非额定负载下高效率则更加明显。普通交流电机空载时功率因数为0.2~0.4，满载时为0.86~0.89；而SRD电机的功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98。3）SRD具有软起动特性，电机起动过程绝无交流电机起动电流大于额定电流5~7倍的现象，而是起动电流平滑增加至所需的电流。设定的电机起动时间越长，起动电流越小。SRD起动转矩达到额定转矩的150%时，起动电流仅为额定电流的30%。4）SRD若三相输入电源缺相或者欠功率运行或者停转，不会烧毁电机和控制器。电机输入缺相只会导致电机输出功率减小，或者有可能导致电动机无法起动。5）SRD过载能力强，当负载短时大于额定负载时，转速会下降，保持最大输出功率，不会出现过流现象。当负载恢复正常时，转速恢复到设定转速。6）SRD的上下桥臂功率器件和电机的绕组串联，不存在发生功率器件控制错误导致短路而烧毁的现象。7）SRD的转子无绕组和鼠笼条，电机可高速运转而不变形，机械强度和可靠性均高于其它类电机。定子线圈嵌装容易，端部短而牢固，热耗大部分在定子，易于冷却。转子无永磁体，可有较高的最大允许温升。3.2用开关磁阻调速电机驱动空压机改造之后的效果应用在空压机上的开关磁阻调速电机是SRM280-7.537kw，由科汇公司提供，参数如下：额定功率：37kw电源：AC380V±15%额定电流：66.8A频率：50HZ±20%调速范围：0∼750r/min稳速精度：≤1%转速变化率：≤3%额定转矩：470N.m相应时间：0.2s改造后的系统发生了四大转变：（1）