变频调速技术在恒压供气系统中的应用
冉翔
(焦作铁路电缆工厂，河南焦作454001)
摘要：介绍了变频调速自动控制原理，以及变频器在恒压供气系统中的设计、选型、应用。阐述了该系统的组成、工作原理及节能方面。
关键词：变频调速：变频器PID闭环控制：软起动器：PLC
中图分类号：TM921．5 文献标识码：B
1引言
随着自动控制技术和大功率开关器件制造技术的迅猛发展，变频调速以其自身功能完善、性能可靠、节能显著等优点，已广泛应用于工业生产和生活等领域。
变频交流调速适合用于减转矩特性负载，如图1所示，此类负载的转矩与转速的平方成正比(如风机、泵类等)。工厂供气系统的负载主要是风机，实践证明这类负载采用交流变频调速技术后，日常的运行费用会急剧降低，在某些应用中降至60％，能量的消耗和相应的辐射也有可能减少至****的水平。
2 恒压供气系统中应用变频调速的优点
工厂恒压供气系统大多由多台空压机组成，采用挡板来调节风量或阀门来调节流量，多台空压机进行组合切换工作。设计初所留余量很大，致使这些系统不能达到很好的调节效果，而且噪音大、压力不稳定、容易损坏气锤、元件，而且大量的电能会被挡板和阀门浪费掉。而在恒压供气系统中应用变频调速技术后，可以改善空压机性能，提高供气品质，同时节省了电能，减少了噪音。恒压供气系统中采用变频调速技术具有以下几个方面的优点。
2.1节能方面
未采用变频调速的恒压系统可控制压缩气体的压力在Pmin-Pmax之间来回变化。Pmin为****压力值，是能够保证用户正常工作的****压力。Pmin、Pmax之间关系式为：
在压力达到Pmin后，以前的控制方式决定其压力会继续上升(直到Pmax)。这一过程中必将会向外界释放更多的热量，从而导致能量损失。另外高于Pmin的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin，这一过程同样是一个耗能过程。
(2)卸载调节压力时所消耗的能量
当压力达到Pmax时，空压机会进行降压卸载：关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法会造成很大的能量浪费。关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再压缩气体作功，但空压机在空转中还是要带动螺杆做回转运动．实践测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10％-15％。
而采用变频捌速技术后，可连续调节供气量，将管网压力始终维持在能满足供气的工作压力上，即Pmin附近。变频器能够使系统生产的空气流量和所需求的流量精确对应，以达到****的系统调整。这就意味着在同样的压力要求下所需的流量最小、功率最小，如图2所示。
2.2噪声方面
变频器通过减少电机和风扇转速，减少了空气流动的速度，同时平衡风门被调在更加开放的位置，使噪声减轻。同时变频器是软起动，减少了设备周期性的开／关动作，避免产生比连续运行更高、更坏的噪声。
2.3磨损和破坏方面
减少停止／起动次数意味着减少了机械磨损，延长了设备的使用寿命，使一些元器件只需要较低等级的维护、，空气流通量的减少意味着清洁次数的减少。对于消耗性元件，如过滤网、电机轴承和风扇轴承的更换要求也相应减少。采用变频器可以使设备的维护和运行费用大大减少。
3 自动控制系统的原理
工厂供气系统中以恒压供气为原则。由于供气随着时间和生产情况的不同流量变化很大。传统的手动调节无法保证压力稳定，因此只有采用先进的变频调速技术和合理的自动控制系统才能很好地解决这一问题。
本系统在设计时采用PID闭环控制，如图3所示。首先在变频器上设定期望的给定值，通过对来自过程传感器(压力)的反馈信号和期望的给定值进行比较，获得一偏差信号，然后对偏差信号进行处理并用于控制变频器和电机以减少这一偏差。PID的计算公式：
由于从第一采样开始，每次采样都进行了一次计算并输出，所以只需保留偏差前值和积分前值，可将式(3)进行以下简化：
例项、积分项和微分项，其算式如下：
过对这些参数的调节，来优化系统的性能和稳定性。一旦完成系统的设置，就能实现稳定、有效、精确的控制。
供气站的空压机一般比较多，若每台空压机都配变频器则成本太高，而且空压机也不一定工作在高效工作区，不利于节能。因而在设计自动控制系统时采用变频器加软起动器和PLC集中控制的方案来解决这一问题。如图4所示为PLC的流程图。在系统设计过程中，选择一台较大的空压机由变频器进行交流调速，从变频器的模拟输出采样电压0-10V(对应运行频率0-50Hz)，并将电压信号送至PLC进行处理，在PLC中设立一个电压上限Vmax和一个电压下限Vmin也就相当于对变频器设定了一个****运行频率fmax和一个最小运行频率fmin当变频器的运行频率f≥fmax时，同时PLC检测到的电压信号V≥Vmax，说明主空压机功率上升的空间已很小。这时PLc就会发出软起动器起动另外一台空压机的指令，将其并人供气系统，同时系统中的流量增大，而管道中的检测元件及时将信息反馈至变频器，变频器通过自身的PID闭环控制调节频率减少，以保证
管道中的气压恒定。如果当变频器的运行频率再次出现f≥fmax时，PLC就会将第三台空压机并人供气系统中。同样，当变频器的运行频率f≤fmin时，同时PLC检测到的电压信号V≤Vmin,说明主空压机功率下降的空间已很小。这时PLC就会发出软起动器按顺序关闭一台正在运行的空压机的指令，将其撤离供气系统，同时系统中的流量减少，而管道中的检测元件及时将信息反馈至变频器，变频器通过自身的PID闭环控制调节频率增加，以保证管道中的气压恒定。因为软起动器是缓漫起动／关闭空压机的，所以PID有足够时间去响应，不会对管道产生冲击气压。这样，系统的运行情况就会是：只有一台空压机变频调速，其它空压机全速运行在高效工作区或处于停机状态：使系统的维护和运行费用降低到最小。
4自动控制系统的设计组成
该自动控制系统的设计组成如图5所示(这里只简单列举主要部分)。它以S7-200 PLC集中控制，以MM440变频器为主调速，配以软起动器，来完成系统气压的自动控制和优化补偿。在该系统中管道压力差通过0-1OV的电位器在变频器上进行调节，从压力传感器来的模拟信号也加到变频器上，并通过变频器内部的PID调节器来保持所选择的压力差恒定。S7-200 PLC对变频器的即时运行频率进行实时监控，并根据变频器的运行空间量来合理调配其它空压机的运行，集中控制。同时给其它空压机配以软起动器用以减少空压机起动/停止利对系统气压的冲击。另外系统还设计了一些监控元件，以便能远程监控。
变频器关键参数的设定：P0205为1(变转矩)，根据电机铭牌设定P300、P304、P305、P307，定子电阻为P350(一定要设准)，P1300为2(抛物线特性V/F控制)，PID控制P2200为l、P2251为0，最后根据实际计算设定微分时间P2274、比例系数P2280、积分时间P2285。
5结束语
本文介绍了交流变频调速系统在工厂恒压供气自动控制中的应用，经实践证明，该系统设汁思路新颖、选型适当、性价比优、自动化程度高，实现了无人值班、自动报警的功能、用一台变频器控制多台风机，大大降低了设备成本，而且节能显著。光节约电能就达到38％，再加上节省的维护和运行费用，节约总费用可达到53％。在工业自动化和信息化的今天，该系统对在城市供气及相关产业上的节能应用方面，具有很高的推广借鉴价值。
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