摘要：四方TS系列空壓機變頻電控驅(qū)動系統(tǒng)，采用一體化設計，將傳統(tǒng)變頻驅(qū)動系統(tǒng)的操作面板、控制器、變壓器，空開、接觸器及端子等集成于一體（圖1），優(yōu)化了控制方案，包含多種控制算法適用于空壓機領域內(nèi)不同類型主電機的驅(qū)動。

關(guān)鍵字：TS2100系列 TS3000系列 螺桿空壓機 多段PID

1.引言

        螺桿空壓機在冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等行業(yè)有廣泛的應用，是許多工藝流程中的核心設備，其裝機容量一般取決于生產(chǎn)所需的最大氣量并另外增加10%~20%的余量。由于生產(chǎn)中用氣量的不均衡，當氣體壓力達到一定值時，空壓機一般采用卸荷空載運行或者停止空氣壓縮機這兩種方式，其中卸荷空載運行時的用電量為滿負載的30%~60%，這部分電能被白白的浪費掉，而停止空氣壓縮機運行會帶來電動機的頻繁啟停，對電網(wǎng)及其他設備的沖擊較大，同時空氣壓縮機的壽命也會縮短。

        另調(diào)查統(tǒng)計，全國各類電動機耗電量約占全國發(fā)電量的70%，其中80%為異步電動機，而且大多數(shù)電動機長時間處于輕載運行狀態(tài)，特別是風機、泵類負載的電機。若在此類負載上使用變頻調(diào)速裝置，其耗電量將大幅降低。以空壓機為例，其負載特性屬恒轉(zhuǎn)矩，其節(jié)電率N%=Δn↓%，即節(jié)電率等于轉(zhuǎn)速下降的百分數(shù)（一般在20%左右，轉(zhuǎn)速也不能過低，過低會加速機械的磨損）①。

        因此，如何設計出節(jié)能、穩(wěn)定和自動化程度高的控制方案，是空壓機使用及制造企業(yè)所面臨的首要問題。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻驅(qū)動技術(shù)逐步引入了空壓機領域，通過大量的應用案例及實測印證該方案具有運行壓力穩(wěn)定、對電網(wǎng)沖擊小、運行安全、在一定范圍內(nèi)節(jié)能的優(yōu)點。

        隨著近幾年來國家對節(jié)能設備的大力支持，同時企業(yè)對節(jié)能降耗、降低成本的需求也日益迫切，所以變頻式的空氣壓縮機得到了迅速的發(fā)展。

2.內(nèi)嵌優(yōu)異控制算法的空壓機一體化變頻驅(qū)動系統(tǒng)

        目前，有很多空壓機設備制造廠家都在生產(chǎn)變頻驅(qū)動式的空壓機。傳統(tǒng)的空壓機變頻驅(qū)動系統(tǒng)一般由變頻器、控制器、操作面板、變壓器、空開、接觸器、端子、銅排等構(gòu)成，由于元器件繁雜，且需要人工配線，故在安裝及維護時普遍存在著以下的弊端：控制回路接線復雜，安裝費時費力，出現(xiàn)故障也不方便查找原因，而且控制柜的整體美觀性不足。

        深圳市四方電氣技術(shù)有限公司是一家在自動化技術(shù)領域的國家級高新技術(shù)企業(yè)，專業(yè)從事電氣傳動及工控產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)與銷售，是國內(nèi)領先的變頻器供應商，始終著力于為客戶提供高品質(zhì)的產(chǎn)品、服務以及完整的控制系統(tǒng)解決方案。針對空壓機的變頻驅(qū)動領域，四方公司創(chuàng)新性的提出并設計了TS系列空壓機變頻電控驅(qū)動系統(tǒng)，采用一體化設計，將傳統(tǒng)變頻驅(qū)動系統(tǒng)的操作面板、控制器、變壓器，空開、接觸器及端子等集成于一體（圖1），優(yōu)化了控制方案，包含多種控制算法適用于空壓機領域內(nèi)不同類型主電機的驅(qū)動，同時油冷風機也采用變頻控制，精準控制油溫，發(fā)揮潤滑油的最佳潤滑特性。目前該系統(tǒng)已經(jīng)升級發(fā)展至第二代。

        江浙地區(qū)某空壓機設備制造企業(yè)在使用四方的TS系列變頻驅(qū)動系統(tǒng)后，其負責人做出了如下的評價：

       （1）提高了工效，原來的電控系統(tǒng)一個工人裝配需要1至2天，現(xiàn)在最多只需要半天就可以完成；

       （2）以前的設備壓力誤差最好也只能控制在0.05Mpa左右，但是現(xiàn)在可以保持在0.02Mpa的范圍內(nèi)；

       （3）通過在客戶處的實際測試，其每天節(jié)約的電量大約為25%左右；

       （4）故障的排除變得方便了。

        TS這種綜合一體化系統(tǒng)的應用，大幅減少了外設元件的數(shù)量，從而避免了安裝時費時費力的元器件配線，降低了錯誤配線發(fā)生的幾率，所以不僅安裝工序簡單，而且設備的穩(wěn)定度也得到了改善，同時在設備出現(xiàn)故障時，控制線路的查找也變得更加容易，降低了查找故障原因時的難度。

        借助于可插拔式的適配模塊化設計，并通過不同的參數(shù)配置，使得TS系統(tǒng)能夠靈活的適應各種不同的空壓機要求。這同樣是非常重要的，因為針對不同的主機電機，其控制方式是不同的。

        另外TS系統(tǒng)的多級PID 控制功能，使得氣壓的控制更為精準，在一些對氣壓要求較為嚴格的生產(chǎn)領域亦可使用，拓展了客戶產(chǎn)品的應用領域。

圖1

3. 利用TS系統(tǒng)靈活、智能而又可靠的實現(xiàn)空壓機變頻驅(qū)動

        四方的TS變頻驅(qū)動系統(tǒng)主要由一體化控制柜、中文液晶操作面板、空壓機專用適配卡，以及其他可擴展功能的適配卡等構(gòu)成，全功率段內(nèi)置直流電抗器，控制柜內(nèi)部集成了氣壓、溫度信號處理單元、PID運算單元以及空濾、油濾、油分、潤滑油、潤滑脂等保養(yǎng)周期提示（圖2）。

圖2

         其工作原理是：管路中的氣體壓力由壓力傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o系統(tǒng)內(nèi)部的PID運算調(diào)節(jié)器，與壓力設定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的控制算法進行計算，產(chǎn)生控制信號去控制系統(tǒng)中主機部分的輸出電壓和頻率，調(diào)整主電機的轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力始終維持在設定壓力，保證了供氣壓力的穩(wěn)定性。

        TS系統(tǒng)的專用液晶操作面板可設置、監(jiān)控變頻器及空壓機所有與運行相關(guān)的參數(shù)，操作方便快捷。

        由于TS系統(tǒng)采用了多級PID控制，通過合理設置運行過程中的多段過程壓力和時間后，系統(tǒng)在避免氣壓超調(diào)的同時，也兼顧了氣壓變化時的快速響應調(diào)整，使氣壓控制更為精準。在用氣量較少時，系統(tǒng)會降低主機運行頻率，在用氣空閑時段則會自動進入休眠模式，有利于節(jié)能，并降低設備的磨損。

        針對空壓機行業(yè)的主機有使用各種普通異步電動機、變頻電機、異步伺服、永磁同步電機等情況，TS系統(tǒng)通過靈活搭配不同類型的適配卡，可以實現(xiàn)對不同電機的穩(wěn)定控制。針對空壓機主電機1.15～1.2倍的電機服務系數(shù)，配置重載型變頻控制單元，其長期過載能力為電機額定電流的120%，更加適合主電機的實際工況。

        TS系統(tǒng)包含了雙變頻工作模式，不僅可實現(xiàn)對主機的變頻驅(qū)動，亦可同時對油冷風機采用變頻驅(qū)動，這樣可保證系統(tǒng)運行過程中冷卻油溫度的恒定，防止冷卻油在工作過程中出現(xiàn)乳化或變質(zhì)，使系統(tǒng)冷卻及潤滑效果更佳的同時還有效延長了冷卻油的使用壽命。另外由于風機采用了變頻驅(qū)動，所以其節(jié)能效果比傳統(tǒng)的變頻驅(qū)動更加顯著。

        由于TS系統(tǒng)已將空開、接觸器、繼電器等空壓機行業(yè)所應用的電氣控制元器件集成于系統(tǒng)內(nèi)部，故安裝時無須另外布線及增加電氣元件，降低了設備安裝及維護時的技術(shù)難度，提高了工效，大大的減少材料、人工等成本（圖3）。

       TS系統(tǒng)不僅可以記錄變頻單元的各種缺相故障記錄，還可記錄空壓機運行過程中出現(xiàn)的超溫、超壓等故障記錄，以及最后一次故障時各項輸出參數(shù)，方便設備管理人員查詢及維護。

        此外，TS系統(tǒng)提供了多級密碼權(quán)限，使用動態(tài)密碼+參考密碼的組合密碼功能，防止非法操作導致的系統(tǒng)故障，保證各級權(quán)限用戶的安全使用。

                                                                普通變頻電氣柜                                                                                  TS電控驅(qū)動系統(tǒng)

圖3

參考文獻

① 李方圓. 變頻器行業(yè)應用實踐，2006（1）

② A510系列重載型閉環(huán)矢量變頻器使用手冊  四方電氣技術(shù)有限公司，2012（V1.0）

③TS2100/TS3000空壓機電控驅(qū)動系統(tǒng)使用手冊 四方電氣技術(shù)有限公司,2012（V1.1）