一、概述 鐵法曉南煤礦壓風(fēng)站，有三臺(tái)美國(guó)壽力TS-32S型螺桿式空壓機(jī)，兩臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用。為了滿足井下風(fēng)量的需求兩臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，根據(jù)井下風(fēng)壓的大小調(diào)節(jié)螺桿式空壓機(jī)加載閥、卸載閥控制空壓機(jī)的供氣。由于井下用氣設(shè)備的工作周期不確定、生產(chǎn)工藝差別大，使得用氣量發(fā)生波動(dòng)，有時(shí)會(huì)造成空壓機(jī)頻繁加載、卸載?？諌簷C(jī)卸載后電機(jī)仍然工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅浪費(fèi)電能而且增加設(shè)備的機(jī)械磨損；因此對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造具有改善電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行方式、減少設(shè)備的機(jī)械磨損、在一定范圍內(nèi)節(jié)約電能等效果。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)示意如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)與變頻器圖片

二、螺桿空壓機(jī)原理 螺桿式空壓機(jī)的氣缸呈“∞”型,里面平行的布置著兩個(gè)按一定傳動(dòng)比例反向旋轉(zhuǎn)、相互嚙合的陰陽(yáng)螺旋轉(zhuǎn)子。螺桿壓縮機(jī)工作時(shí)氣體經(jīng)吸入口分別進(jìn)入陰陽(yáng)螺桿的齒間空腔，隨著螺桿的不斷旋轉(zhuǎn)各自的齒間容積也不斷增大，當(dāng)齒間容積達(dá)到最大值時(shí)與吸氣口斷開，吸氣過(guò)程結(jié)束。壓縮過(guò)程是緊隨其后進(jìn)行的，陰陽(yáng)螺桿的相互嚙合使齒間容積值不斷減小，氣體的壓力不斷提高，當(dāng)齒間容積與排氣口相通時(shí)，壓縮過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入排氣過(guò)程；在排氣過(guò)程中螺桿的不斷旋轉(zhuǎn)連續(xù)的將壓縮空氣送至排氣管道。螺桿空壓機(jī)主機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2螺桿空壓機(jī)主機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器和吸氣調(diào)節(jié)閥而吸入，調(diào)節(jié)閥主要用于調(diào)節(jié)氣缸、轉(zhuǎn)子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)相對(duì)于氣缸里偏心方式運(yùn)轉(zhuǎn)?；惭b在轉(zhuǎn)子的槽中，并通過(guò)離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統(tǒng)能夠確保壓縮機(jī)良好的冷卻及潤(rùn)滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經(jīng)壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經(jīng)過(guò)油氣分離器進(jìn)行分離之后，油氣經(jīng)過(guò)油冷卻器冷卻，再經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器流回儲(chǔ)油罐，空氣經(jīng)過(guò)氣冷卻器(空氣冷卻裝置)進(jìn)行冷卻而進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。常規(guī)起動(dòng)將引起壓力過(guò)低，空壓機(jī)系統(tǒng)報(bào)故障，系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行，這也是本項(xiàng)目改造的難點(diǎn)，螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

如果負(fù)載用氣量小于機(jī)組的額定供氣量,管線壓力會(huì)上升到設(shè)定值。這個(gè)壓力能克服壓力調(diào)節(jié)器中彈簧壓力閥門打開,將壓力信號(hào)傳到進(jìn)氣調(diào)節(jié)器,部分關(guān)閉進(jìn)氣閥,減少進(jìn)氣量使之與用氣量相匹配。系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

如果用氣量一直較低,管線壓力會(huì)超過(guò)設(shè)定壓力電磁閥失電,控制同時(shí)進(jìn)入進(jìn)氣閥和放空閥,使進(jìn)口閥關(guān)閉；同時(shí)放空閥門打開,釋放儲(chǔ)油罐壓力。

三、高壓變頻控制方案

3.1原有控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程操作臺(tái)通過(guò)硬線接口給空壓機(jī)一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)。觸點(diǎn)閉合啟動(dòng)斷開停止。空壓機(jī)接收到啟動(dòng)信號(hào)后，給高開柜一個(gè)合閘信號(hào)，高開柜內(nèi)斷路器合閘，高壓回路接到電機(jī)中，主高壓電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)?？諌簷C(jī)開始運(yùn)行。遠(yuǎn)程操作臺(tái)停止信號(hào)斷開，空壓機(jī)停止工作。發(fā)給高開斷路器斷開信。同時(shí)在空壓機(jī)的面板上也可以直接操作空壓機(jī)的啟動(dòng)和停止。

3.2變頻系統(tǒng)改造方案

為了保證空壓機(jī)節(jié)能運(yùn)行，其中一臺(tái)空壓機(jī)加變頻控制。兩臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)，一臺(tái)工頻運(yùn)行保證輸出最大壓力。另一臺(tái)變頻運(yùn)行，閉環(huán)調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率保證壓力滿足井下用風(fēng)的要求。 榮信公司提供的高壓變頻器串接在原有的系統(tǒng)中。原有高壓電源（原有高壓直接接在空壓機(jī)高壓輸入端）接到高壓變頻的輸入端。高壓變頻輸出接到空壓機(jī)的高壓輸入端。改造后一次系統(tǒng)圖如圖5所示。

系統(tǒng)圖中虛框中表示高壓變頻器。

當(dāng)變頻運(yùn)行時(shí)：KM1、KM2閉合，KM3斷開。KM1、KM2、KM3變頻系統(tǒng)自動(dòng)控制動(dòng)作。在變頻器面板上選擇工頻/變頻選擇轉(zhuǎn)換。綜合考慮空壓機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行，保證空壓機(jī)的油壓系統(tǒng)正常變頻器有最低頻率限制?？諌簷C(jī)的保護(hù)系統(tǒng)還以原有空壓機(jī)系統(tǒng)保護(hù)為準(zhǔn)。

當(dāng)工頻運(yùn)行時(shí)KM3 閉合，KM1、KM2斷開。 3.3電氣邏輯控制方案

當(dāng)變頻系統(tǒng)控制時(shí)，以空壓機(jī)操作為核心。確保空壓機(jī)和變頻器沒(méi)有故障，手動(dòng)合上級(jí)高壓開關(guān)。變頻器選擇為遠(yuǎn)程控制方式。高壓變頻器開始充電，變頻器到達(dá)就緒狀態(tài)。在空壓機(jī)的控制面板上點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，空壓機(jī)給變頻器發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)。變頻器啟動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)內(nèi)的高壓電機(jī)。變頻器自動(dòng)升速到最低頻率，根據(jù)壓力傳感器檢測(cè)的實(shí)際壓力調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率。變頻器運(yùn)行后會(huì)給空壓機(jī)一個(gè)運(yùn)行反饋信號(hào)，相當(dāng)于原系統(tǒng)的工頻運(yùn)行信號(hào)?？諌簷C(jī)停止時(shí)，空壓機(jī)給變頻器發(fā)停止信號(hào)，使變頻器停止輸出。變頻控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

空壓機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)，空壓機(jī)給上級(jí)高開柜發(fā)出分閘指令，直接分上級(jí)高壓開關(guān)。變頻器有故障時(shí)，停止對(duì)空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)。可以根據(jù)實(shí)際情況改為工頻模式。變頻器選擇為工頻控制時(shí)，可以直接在空壓機(jī)的面板上啟動(dòng)，變頻系統(tǒng)旁路運(yùn)行。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分別與空壓機(jī)和變頻器進(jìn)行MODBUS通訊，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和數(shù)據(jù)監(jiān)控。在遠(yuǎn)程上位機(jī)可以監(jiān)視到變頻器運(yùn)行、停止、就緒、故障、報(bào)警、運(yùn)行頻率、運(yùn)行電流、輸出電壓、變壓器溫度等信息。

三、改造中遇到問(wèn)題 在變頻帶載調(diào)試時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程中空壓機(jī)報(bào)壓力過(guò)低故障，詢問(wèn)空壓機(jī)廠家故障原因是，變頻器的速度過(guò)低導(dǎo)致空壓機(jī)油壓系統(tǒng)壓力過(guò)低的原因。更改升速時(shí)間還是報(bào)壓力過(guò)低故障。變頻器的運(yùn)行頻率到3.5Hz，啟動(dòng)時(shí)間為7S，空壓機(jī)的油壓沒(méi)有建立起來(lái)。連續(xù)試2次空壓機(jī)都報(bào)壓力過(guò)低故障。

螺桿式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)與離心式空壓機(jī)結(jié)構(gòu)不同，油壓系統(tǒng)不是獨(dú)立的，系統(tǒng)的油壓靠系統(tǒng)行程機(jī)構(gòu)帶動(dòng)起來(lái)，電機(jī)的速度過(guò)低，潤(rùn)滑系統(tǒng)的油壓沒(méi)有建立起來(lái)，空壓機(jī)為了保證主機(jī)構(gòu)不磨損，油壓過(guò)低系統(tǒng)就會(huì)報(bào)保護(hù)停機(jī)?？諌簷C(jī)檢查油壓過(guò)低在啟動(dòng)后計(jì)時(shí)7S，檢測(cè)油壓不到1.5Pa時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)故障。至少這時(shí)轉(zhuǎn)速大概是額定轉(zhuǎn)速的80%，對(duì)應(yīng)變頻的運(yùn)行頻率為40Hz左右。

為了解決系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)空壓機(jī)報(bào)壓力過(guò)低故障，把變頻器的加速時(shí)間縮短。0-40Hz的升速時(shí)間控制在7S中內(nèi)。保證在這么短的加速時(shí)間變頻器的功率器件不被損壞，把功率單元器件參數(shù)進(jìn)行了核算調(diào)整，對(duì)控制算法進(jìn)行了優(yōu)化。并在啟動(dòng)時(shí)的控制邏輯加以修改，變頻就緒前就把輸出接觸器合閘。通過(guò)快速升速的方法解決了空壓機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)壓力過(guò)低的問(wèn)題。

四、定壓分段閉環(huán)自動(dòng)控制方式運(yùn)行

由于井下的開采工作時(shí)間和開采量不同，在不同時(shí)間段內(nèi)需要的壓力是一直在變化的。用單點(diǎn)給定壓力閉環(huán)控制方式滿足不了現(xiàn)場(chǎng)工藝的要求。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能效果最佳狀態(tài)，并能滿足工藝的要求系統(tǒng)增加定壓分?jǐn)嚅]環(huán)自動(dòng)控制功能。

變頻器根據(jù)壓力傳感器檢測(cè)的管網(wǎng)壓力進(jìn)行分段控制。根據(jù)所需壓力大小設(shè)置上下限判斷點(diǎn)，控制變頻器的運(yùn)行頻率?？諌簷C(jī)啟動(dòng)及系統(tǒng)壓力達(dá)上限值時(shí)為空壓機(jī)空載狀態(tài)，電磁閥狀態(tài)為關(guān)斷，對(duì)應(yīng)變頻器下限頻率運(yùn)行；系統(tǒng)壓力達(dá)下限值時(shí)空壓機(jī)加載狀態(tài)，電機(jī)滿載運(yùn)行，電磁閥狀態(tài)為打開，對(duì)應(yīng)變頻器上限頻率運(yùn)行。

實(shí)為段速調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍寬，系統(tǒng)響應(yīng)慢。在控制面板上可以設(shè)置壓力給定上限、下限壓力值，對(duì)應(yīng)的最高頻率、最低頻率同時(shí)可以在線修改?？刂茀?shù)畫面如圖7所示。采用變頻恒壓供氣是較為適合的控制模式。變頻改造后，變頻空壓機(jī)系統(tǒng)通過(guò)壓力閉環(huán)，可實(shí)現(xiàn)跟蹤供氣系統(tǒng)負(fù)載變化，調(diào)整空氣壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證排氣口壓力恒定，使空壓機(jī)工作在最佳運(yùn)行狀態(tài)下。

五、空壓機(jī)變頻改造后的優(yōu)點(diǎn) 變頻器控制壓縮機(jī)與傳統(tǒng)控制的壓縮機(jī)比較，能源節(jié)約是最有實(shí)際意義的，根據(jù)負(fù)載需求來(lái)控制壓縮機(jī)工況是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。

行成本降低，傳統(tǒng)壓縮機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成：初始采購(gòu)成本、維護(hù)成本和能源消耗成本。其中能源成本大約占?jí)嚎s機(jī)運(yùn)行成本的77%。通過(guò)變頻改造后，能源成本降低44.3%，再加上變頻起動(dòng)后對(duì)設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也跟隨降低，所以運(yùn)行成本將大大降低。

延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命，變頻器從0Hz平滑起動(dòng)壓縮機(jī)，它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整，從而減少起動(dòng)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。

降低了空壓機(jī)的噪音。根據(jù)壓縮機(jī)的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯降低，因此有效地降了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約3至7dB。

六、結(jié)束語(yǔ)

螺桿式空壓機(jī)變頻改造后，取得了良好的運(yùn)行效果。但要注意幾個(gè)問(wèn)題：原則上保留空壓機(jī)原有控制邏輯，不要更改空壓機(jī)的保護(hù)邏輯；變頻器的啟動(dòng)時(shí)間一定要滿足空壓機(jī)的要求。通過(guò)加速時(shí)間分段控制和適當(dāng)?shù)墓β势骷膮?shù)來(lái)滿足空壓機(jī)短時(shí)間啟動(dòng)的要求；螺桿式空壓機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，有些空壓機(jī)不允許低頻長(zhǎng)期運(yùn)行。速度過(guò)低會(huì)使空壓機(jī)缸體潤(rùn)滑降低會(huì)增加磨損；空壓機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)要保證在工作在安全區(qū)域內(nèi)，避免空壓機(jī)喘振或受損。 參考文獻(xiàn)： 楊興瑤：《電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng)》 北京水利電力出版社  1995 李華德等．交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003：23～35，93～97 劉建民、陳建軍《螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行及維護(hù)技術(shù)問(wèn)答》中國(guó)電力出版社 2011-05 徐建英 《螺桿式空氣壓縮機(jī)》中國(guó)鐵道出版社, 2004