变频调速在煤矿活塞式空压机自动控制中的应用

1、变频调速在煤矿活塞式空压机自动控制中的应用李桂芳（淮北矿业集团海孜煤矿，安徽淮北235147）摘要：本文浅析空压机在煤矿的使用情况，活塞式空压机运行状态、变频 调速恒压控制系统结构，以及系统运行中的问题及处理措施。关键词：空压机；变频调速；恒压控制煤矿使用的空压机，生产的压缩空气主要用来带动风动凿岩机、风动装岩 机等设备及其它风动工具，其耗电量在总量中也占有相当大的比重，一般在20% 左右。其容量是按最大排气量考虑确定的，但还要留有备用的。在实际的使用过 程中，用气设备的耗气量是随着用气设备工作台数的多少是不断变化的。当耗气 量小于压缩空压机站的排气量时，就要对空气压缩机进行控制，以减少排气量

2、使 之适应耗气量的变化，不然排气系统的压力会升至不能允许的数值，使空压机和 用气设备的零部件负载过大，并有发生爆炸危险的可能。当前，煤矿仍有一些活 塞式空压机，电能消耗较高，若采用变频调速控制，即可实现空气压缩机的节能 运行，这对于降低煤矿生产成本，提高其经济效益，非常重要意义。在此，就空 压机实施变频调速节能技术改造进行分析，以期能取得较好的节能经济效果。1活塞式空压机运行状态1）空压机运行情况。活塞式空压机大多是两级压缩机，其拖动电机为鼠笼 异步电动机，采Y/ A降压起动方式。一些国产空气压缩机，多采用同步电动机， 其拖动电机为高压（6kV）。正常采用并联运行方式，只运行23台，其余的空气

3、 压缩机作为备用。原有的进口空压机，所采用的是多级压力节流进气控制方式： 即当压力低于6.2Mpa时，打开全部进气阀，压缩机组以100%负荷率状态运行。 当压力达到6.26.5Mpa时关闭余隙阀，压缩机组以75%负荷率运行；当压力达 到6.87Mpa时，关闭一个进气阀，压缩机组以50%负荷率运行；当压力达到7Mpa 时关闭所有进气阀，压缩机组进入空载运行状态。活塞式空气压缩机的启动、停 止是一个复杂的过程，所以不允许频繁启停。为保障满足井下用气量变化的需要， 一般根据井下用气量的时间变化特点，而把一天分为几个别段，对应的每一个时 段需要开的空压机台数，则由该时段内最大用气量决定。在该时段内，空

4、压机也不允许增开或停开（特殊例外）。2）活塞式空压机控制方式存在的缺陷。根据有关资料及调查了解，活塞式 空压机控制方式自身主要存在如下缺陷：运行效率低。压缩机组75%负荷运行 效率为41%, 50%负荷运行效率仅为14%。不论空气压机是处于75%、50%，还 是空载运转状态，起管网压力较正常供气压力要高，此时井下用气量显然要小于 供气量，这时各空气压缩机仍然处于全速工作状态，从而带来了不必要的电能浪 费。调节精度低。在某一进风量工作状态下压力波动大，特别在生产用风量变 化频繁时期内（用风量大且变化频繁），不能稳定风压。阀门动作频繁。阀门动 作值在一次整定后经常会变，有时会使整个压风系统工作压力

5、偏高，从而增大了 单位压风量的功耗。进气损失大。当空压机运行在75%、50%进气量的工作状 态下，进气流速增大，造成进气过程压风量的损失，降低了压风机的效率。因此， 对空压机系统实施变频调速控制（压力恒定），也是实现提高空压机的运行效率、 节能的有效手段。3）活塞式空压机转速调节排气原理。活塞式空压机的排气量通常是指每分 钟内最后一级排出的压缩空气量经换算到第一级进气状态时的空气容积的大小， 其单位为ms/min。双作用活塞式空气压缩机实际排气量公式为：q =-入入入v 4 e l t 入入（2D2-d2）sn，式中：q 双作用活塞式空气压缩机实际排气量（ms/min）；入p vv排气系数；入

6、一湿度系数；入一漏气系数；入一温度系数；入一压力系数; eltp入一容积系数；D一气缸内径（mm） ； d一活塞直径（mm） ； s一活塞行程（mm） ； n一 v曲径转速（r/min）。从该式可知：双作用活塞式空气压缩机与曲轴的转速成近似 正比关系，调节其拖动电机的转速，显然就可改变其排气量。活塞式压缩机的多 变压缩功率为：N=16.7里（二）（“一1）-1zq，式中：q 空气压缩机的排气量nn -1 Pvv1（ma/min） ； P 空气压缩机吸气绝对阻力；P 空气压缩机排气绝对阻力；Z压 1 2缩级数；n多变指数。由此可见，空气压缩机功率与其排气量成近似正比关系， 只要降低活塞式空压机的

7、转速即可降低其消耗的功率。2空压机变频调速恒压控制系统结构1）变频控制原理。变频调速恒压控制系统框图，见如图1所示。这样空压 机恒压自动控制变频调速系统即可实现多台的轮换控制。其中一个出现故障需要检修时，其他可以迅速切换，以提高恒压控制变频调速系统的利用率；不同系统 出现故障需要停车检修时，能够很快地投入另个系统运行，不致于影响正常生产; 当管网压力超出恒压调节范围时，系统发出增开或者减开一台空压机的命令。空压机空压机图1变频调速f亘压控制系统框图2）整个变频调速恒压控制系统的构成。该系统主要由以下几个部分构成：电源柜。由刀开关、断路器、电流互感器及电压、电流、有功率表等组成。断 路器的作用：

8、当出现严重故障而变频器又不能够自动停机时，由人工分闸，直接 断开其供电电源。切换柜：由两台机械联锁的刀开关组成。主要作用：实现不 同系统间的切换。继电控制柜：由PLC、继电器、380/220V控制变压器DC24V 电源等组成。主要作用：完成本系统所需要的所有逻辑判断及控制。变频柜： 此选用的是SIEMENS SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE7型。操作台：设置在控制 室内，便于值班人员使用。系统实施起动、停车、复位远端控制，并监控电压， 电流、故障、运行、停车、自动卸荷、增开、减开空压机等信号。电磁阀：切 断原系统压力反馈通道，令系统以100%负荷率运行。压力传感器：产生4-

9、20mA 压力信号，送人变频器内参与PID调节运算。3）变频调速柜的性能及构成。其主要作用是把交流工频电网电压转换为频 率可调、电压可调的交流电，给电机供电。通过改变其输出频率以改变电机的转 速，以及实现压力的PID调节。主要技术参数：额定容量：500kVA；额定电压： 380V415VAC10%；额定电流：860A。额定频率：50Hz。输出频率：0-600Hz。主要技术特点：a.完善的控制功能:通过设定，可实现标量控制、无速度传感 器矢量控制、伺服控制三种控制模式；电机辩识、电机连接校验、速度环自整定； PID控制；丰富的图形界面及编程、监控软件b.完善的保护功能:如过电流、过 压/欠压、反

10、馈、功率元件损坏等等都能对故障及其产生时间进行记录，便于检 查维护c较多的控制接口 :SIEMENS的6SE7lP系列变频器有较多的控制接口可今用户通过正确的配置，实现模拟量输入/输出开头信号检测、控制、最大程度地 满足需要。变频柜的组成:变频电源柜的主要作用：主电路的通断、控制电源 的分配。整流柜:主要由晶闸管及其保护电路单元、电子板（触发控制、功率放大、 通讯）、操作面板、电源模块等组成。结构简单，便于维修。逆变柜主要由IGBT 及其保护电路，中间直流回路电容单元、电子板（控制单元、光纤触发单元、通 讯等）操作面板、电源模块等组成。3系统运行中的问题及处理措施1）控制板的故障及处理。在变频

11、器拖动空压机空载试车时发现：变频器仅 有A相输入电流和C相输入电流的一半，经过分析认为：该现象是由于整流桥有一 相晶闸管没有导通所致。为此对整流桥晶闸管进行自测试。方法如下：设定整流 单元P353参数=3,即在整流单元接到下次起动命令时，对可控硅做自测试，若无 故障则P353参数自动复位到0。P353参数设定为3后重新起动整流单元，这时开始 进行晶闸管自测试，等待大约1min，主接触器跳，显示出现F103故障，F103这个 故障号表示可控硅故障，检查参数r949（r949参数显示故障具体内容）。r949=l3, 表示整流桥第13号晶闸管未被触发。检查触发线路未发现有任何损坏，而晶闸管 阴极和控

12、制极间的电阻值为23Q,属正常。判断控制板出故障，更换后恢复正常。2）压力反馈信号干扰及处理。系统运行过程中，变频器出现原因不明的跳 闸现象，经检查故障发生时间、故障信号及故障内容，都的037.2故障，即模拟 输入2故障，而模拟输入2在设定中是作为压力反馈通道的，其输入信号类型设定 为4-20mA，当其输入电流V2mA时即会发出FO37故障。因此判断这是由于压力反 馈信号受到干扰所致，随后加装了一台24V直流电源，单独对压力传感器供电， 避免了继电器通断对其产生的信号干扰，从而有效解决了问题。3）继电控制柜各开关量信号间干扰及处理。系统运行过程中，发现继电控 制柜各开关量信号之间存在干扰，有时会令某些开关产生误动作。为解决这个问 题，在所有直流控制继电器的线圈两端并联一个续流二极管，从而有效地解决了 该问题。4）电机过热问题及处理。系统运行过程中通过对电机的温度测试发现：电 机的温度较之在不用变频时高出20C,特别在电机运行于28Hz时尤为明显。经认 真分析认为，原因有二：由于电机自身的散热是依靠电机轴上安装的两组散热风叶片实现的，当电机的转速降低时，散热风量下降很多，它与转速的3次方成正 比下降。电机运行在28Hz时，散热风量只有50