摘 要：本文著重介紹風光高壓變頻器在煤礦空氣壓縮機上的應用情況，并對空壓機的特點進行了分析
關鍵詞： 高壓變頻器 空氣壓縮機
Abstract: This paper focuses on high voltage inverter in the coal mine scenery on the application of air compressor, and an analysis of the characteristics of air compressor.
Keywords: High voltage inverter Air compressor
1引言
陶二煤礦位于邯鄲市境內(nèi)，距離市區(qū)15公里，是冀中能源邯礦集團有限公司為開發(fā)河北省太行山東麓、武安盆地的東部邊緣，石炭二疊系煤層而新建的一座大型的現(xiàn)代化礦井。陶二煤礦1975年建井，1982年投產(chǎn)，設計能力為90萬噸/年，經(jīng)過陸續(xù)技術改造，2006年核定生產(chǎn)能力125萬噸/年。陶二煤礦壓風機房分別設在井上和井下。井上壓風機房設計在福井口西側(cè)約60米處，風機房內(nèi)安裝兩臺SM5160-----25.5/8壓風機，2臺SA—250壓風機。壓風管路由地面壓風機房起始給地面壓風管路，副井筒通往井下南北兩翼。南翼分別通往充電峒室，主井底裝載峒室，新南總回風巷供生產(chǎn)維護使用。北翼風別通往各采區(qū)工作面。隨著煤礦集團的發(fā)展，設備陳舊落后、耗能的現(xiàn)象日漸凸顯，為響應國家號召和社會發(fā)展的需要，礦領導決定對原有設備進行必要的升級改造。經(jīng)過礦領導的多方調(diào)查研究，決定選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-280F系列高壓變頻器對2臺SA—250螺桿式空氣壓縮機進行節(jié)能改造。
2螺桿式空氣壓縮機
2.1簡介
螺桿式空氣壓縮機 螺桿式空氣壓縮機由螺桿機頭、電動機、油氣分離桶、冷卻系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、安全閥及控制系統(tǒng)等組成。工作時電動機通過連軸器(或皮帶)直接帶主轉(zhuǎn)子，由于2轉(zhuǎn)子相互嚙合，主轉(zhuǎn)子直接帶動副轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。冷卻液由壓縮機機殼下部的噴嘴直接噴入轉(zhuǎn)子嚙合部分，并與空氣混合，帶走因壓縮而產(chǎn)生的熱量，達到冷卻效果。同時形成液膜，防止轉(zhuǎn)子間金屬與金屬直接接觸及封閉轉(zhuǎn)子間和機殼間的間隙。噴入的冷卻液亦可減少高速壓縮所產(chǎn)生的噪音。螺桿機頭通過吸氣過濾器和進氣控制閥吸氣，同時油注入空氣壓縮室，對機頭進行冷卻、密封以及對螺桿及軸承進行潤滑，壓縮室產(chǎn)生壓縮空氣。壓縮后生成的油氣混合氣體排放到油氣分離桶內(nèi)，由于機械離心力和重力的作用，絕大多數(shù)的油從油氣混合體中分離出來。空氣經(jīng)過由硅酸硼玻璃纖維做成的油氣分離筒芯，幾乎所有的油霧都被分離出來。從油氣分離筒芯分離出來的油通過回油管回到螺桿機頭內(nèi)。在回油管上裝有油過濾器，回油經(jīng)過油過濾器過濾后，潔凈的油才流回至螺桿機頭內(nèi)。當油被分離出來后，壓縮空氣經(jīng)過最小壓力控制閥離開油氣筒進入后冷卻器。后冷卻器把壓縮空氣冷卻后排到貯氣罐供各用氣單位使用。冷凝出來的水集中在貯氣罐內(nèi)，通過自動排水器或手動排出。
圖1 螺桿式空氣壓縮機原理圖
2.2螺桿式空氣壓縮機工作原理
螺桿壓縮機的工作循環(huán)可分為進氣，壓縮和排氣三個過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。
（1）進氣過程：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進氣端壁開口時，其空間最大，此時轉(zhuǎn)子齒溝空間與進氣口的相通，因在排氣時齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時，齒溝處于真空狀態(tài)，當轉(zhuǎn)至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當氣體充滿了整個齒溝時，轉(zhuǎn)子進氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機殼進氣口，在齒溝的氣體即被封閉。
（2）壓縮過程：陰陽轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時，其陰陽轉(zhuǎn)子齒尖會與機殼封閉，此時氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸件小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮壓力提高。
（3）排氣過程：當轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機殼排氣口相通時，被壓縮的氣體開始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時陰陽轉(zhuǎn)子的嚙合面與機殼排氣口的齒溝空間為0，即完成排氣過程，在此同時轉(zhuǎn)子的嚙合面與機殼進氣口之間的齒溝長度又達到最長，進氣過程又再進行。
從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉(zhuǎn)運動的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉(zhuǎn)子在機殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動來達到。
2.3螺桿式空氣壓縮機的缺點
（1）能耗分析
我們知道，加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin～Pmax之間來回變化。Pmin是最低壓力值，即能夠保證用戶正常工作的最低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關系可以用下式來表示:
Pmax＝(1＋δ)Pmin
δ是一個百分數(shù)，其數(shù)值大致在10%～25%之間。
而若采用變頻調(diào)速技術可連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量的話，則可將管網(wǎng)壓力始終維持在能滿足供氣的工作壓力上，即Pmin附近。由此可知，在加、卸載供氣控制方式下的空壓機較之變頻系統(tǒng)控制下的空壓機，所浪費的能量主要在2個部分: 壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量
在壓力達到Pmin后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升(直到Pmax)。這一過程中必將會向外界釋放更多的熱量，從而導致能量損失。另一方面，高于Pmin的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓至接近Pmin。這一過程同樣是一個耗能過程。
（2） 卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量
通常情況下，當壓力達到Pmax時，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費。關閉進氣閥使電機空轉(zhuǎn)雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體作功，但空壓機在空轉(zhuǎn)中還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運動，據(jù)我們測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%～15%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機10%的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節(jié)能空間。
（3） 其它不足之處
① 靠機械方式調(diào)節(jié)進氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。
② 頻繁采用打開和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。
眾所周知，能源的開發(fā)和控制是一個世界性的課題，它直接關系到人類的生存和發(fā)展。沒有哪一個國家不在奮力尋求解決能源問題的有效方案。能源的有效方案。能源的儲量是有限的，解決能源問題的重點自然就落到了能源控制和節(jié)能上。節(jié)電節(jié)能控制受到政府的重視，中國這個能源消耗市場，節(jié)電不僅是良好的外部政策環(huán)境，同時擁有無可估量的用戶需求。當前中國能效方面是一個巨大的空白市場，誰能占領這個市場，誰將獲得無法估量的回報。
3螺桿式空氣壓縮機改造方案的設計
針對原有供氣控制方式存在的諸多問題，經(jīng)過上述對比分析，應用變頻調(diào)速技術進行恒壓供氣控制。采用這一方案時，我們可以把管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器YB將儲氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒oPID智能調(diào)節(jié)器，與壓力設定值P0作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號送變頻調(diào)速器VVVF，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力P始終接近設定壓力P0。同時，該方案可增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護系統(tǒng)，另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來啟動，實現(xiàn)了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊。
具體的控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示。
圖2 恒壓供氣控制系統(tǒng)流程圖
4空壓機變頻控制系統(tǒng)配置
4.1JD-BP37-280F高壓變頻器
該變頻器的主要特點:
變頻器的主要參數(shù)
額定 輸出 | 額定功率（KW） | 280KW |
額定電流（A） | 33.6A |
過載能力 | 120%連續(xù)，150%一分鐘 |
額定電壓（KV） | 三相：0-6KV |
波形 | SPWM正弦波 |
輸 入電壓 | 相數(shù)、頻率、電壓 | 三相，50Hz， 6KV |
允許波動 | 電壓：-20%～+15%，頻率：±10% |
基本性能 | 啟動頻率 | 1.1Hz |
精度 | 模擬設定：最高頻率設定值的0.3%（25±10℃）以下 數(shù)字設定：最高頻率設定值的0.01%（-10—50℃）以下 |
分辨率 | 模擬設定：最高頻率設定值的二千分之一 數(shù)字設定：0.01Hz（99.99Hz以下），0.1Hz（100Hz以上） |
效率 | >96%，額定輸出時 |
保護功能 | 電機過電流、單元過電流、過壓、欠壓、過熱、失速、外部報警等 |
環(huán) 境 | 使用場所 | 室內(nèi)，沒有腐蝕或?qū)щ娦詺怏w、灰塵、直射陽光 |
環(huán)境溫度/濕度 | -10—40℃/20—90%RH 不結(jié)露 |
振動 | 4.9m/s2（0.6g以下） |
貯存溫度 | -20—65℃（適用運輸?shù)榷虝r間的保存） |
冷卻方式 | 強迫風冷 |
外型尺寸(mm) | 6600×2300×1200（長*高*寬） |
重量(Kg) | 約6000 |
4.2 PID智能控制器
北京金立石PID智能控制器一個，型號: XM808-6，單路輸入為4~20mA模擬信號，單路輸出為0~5V的電壓信號，測量精度0.2%，北京金立石電子科技發(fā)展有限公司。
4.3壓力變送器
壓力變送器一個型號: HRK 2S 1G 1F 2Y 5F3 0-1.6Mpa，量程:0~1.6Mpa，輸出4~20mA的模擬信號。精確度0.5%FS。廠家: 北京虹潤儀表有限公司。
5項目改造
改造中在排風管道出口安裝壓力變送器以檢測氣體壓力變化，并將輸出信號傳輸給高壓變頻器上的PID，PID檢測出口壓力的變化，并自動調(diào)整輸出電壓，高壓變頻器根據(jù)PID的輸出電壓變化來控制電機運行頻率，從而自動調(diào)節(jié)空壓機的轉(zhuǎn)速改變出口的壓力。當高壓變頻器調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障時，高壓變頻器給出跳閘信號，再人為的轉(zhuǎn)到工頻運行。主回路改造圖如下：
圖3 變頻器主回路圖
圖中QF為高壓控制斷路器，QS1、QS2、QS3為單刀單擲刀閘，其中工、變頻回路的刀閘實現(xiàn)電磁和機械互鎖。當QS1閉合時，QS3不能合，只能合QS2；QS3吸合時QS1、QS2不能合。這就確保了主回路的安全與可靠。
6結(jié)束語
經(jīng)過一系列的反復調(diào)整，變頻器啟動時間是20S,下降時間是25S，最終系統(tǒng)穩(wěn)定運行在40.5~42.5Hz的頻率范圍，管線壓力基本保持在0.68Mpa，供氣質(zhì)量得到提高。改造后空壓機的運行安全、可靠，同時達到了煤礦用氣的工藝要求。
作者簡介
高昌起 男 技術支持工程師，供職于山東新風光電子科技發(fā)展有限公司。
楊敬文 男 機電工程師，供職于冀中能源邯礦集團陶二煤礦。
參考文獻
1.張選正，顧紅兵編著．《中高壓變頻器應用技術》北京：電子工業(yè)出版社，2007，98—100
2.張燕賓. 變頻調(diào)速應用實踐[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2000.
3.《山東新風光電子使用手冊》山東新風光電子科技發(fā)展有限公司
