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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，距離市區15公里，是冀中能源邯礦集團有限公司為開發河北省太行山東麓、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代化礦井。陶二煤礦1975年建井，1982年投產，設計能力為90萬噸/年，經過陸續技術改造，2006年核定生產能力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約60米處，風機房內安裝兩臺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維護使用。北翼風別通往各采區工作面。隨著煤礦集團的發展，設備陳舊落后、耗能的現象日漸凸顯，為響應國家號召和社會發展的需要，礦領導決定對原有設備進行必要的升級改造。經過礦領導的多方調查研究，決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的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、空氣調節系統、潤滑系統、安全閥及控制系統等組成。工作時電動機通過連軸器(或皮帶)直接帶主轉子，由于2轉子相互嚙合，主轉子直接帶動副轉子一同旋轉。冷卻液由壓縮機機殼下部的噴嘴直接噴入轉子嚙合部分，并與空氣混合，帶走因壓縮而產生的熱量，達到冷卻效果。同時形成液膜，防止轉子間金屬與金屬直接接觸及封閉轉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，由于機械離心力和重力的作用，絕大多數的油從油氣混合體中分離出來。空氣經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。在回油管上裝有油過濾器，回油經過油過濾器過濾后，潔凈的油才流回至螺桿機頭內。當油被分離出來后，壓縮空氣經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，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可分為進氣，壓縮和排氣三個過程。隨著轉子旋轉，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環。

（1）進氣過程：轉子轉動時，陰陽轉子的齒溝空間在轉至進氣端壁開口時，其空間最大，此時轉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，當轉至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉子的齒溝內。當氣體充滿了整個齒溝時，轉子進氣側端面轉離機殼進氣口，在齒溝的氣體即被封閉。

（2）壓縮過程：陰陽轉子在吸氣結束時，其陰陽轉子齒尖會與機殼封閉，此時氣體在齒溝內不再外流。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，齒溝內的氣體被壓縮壓力提高。

（3）排氣過程：當轉子的嚙合端面轉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，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉子在機殼內作回轉運動來達到。

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，其數值大致在10%～25%之間。
    而若采用變頻調速技術可連續調節供氣量的話，則可將管網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，原控制方式決定其壓力會繼續上升(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） 卸載時調節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狀態，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。關閉進氣閥使電機空轉雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體作功，但空壓機在空轉中還是要帶動螺桿做回轉運動，據我們測算，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，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能空間。
  （3） 其它不足之處
    ① 靠機械方式調節進氣閥，使供氣量無法連續調節，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調節進氣閥，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能上。節電節能控制受到政府的重視，中國這個能源消耗市場，節電不僅是良好的外部政策環境，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，經過上述對比分析，應用變頻調速技術進行恒壓供氣控制。采用這一方案時，我們可以把管網壓力作為控制對象，壓力變送器YB將儲氣罐的壓力P轉變為電信號送給PID智能調節器，與壓力設定值P0作比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產生控制信號送變頻調速器VVVF，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉速，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，另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻器來啟動，實現了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊。
    具體的控制系統流程圖如圖2所示。

圖2   恒壓供氣控制系統流程圖

4空壓機變頻控制系統配置

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   

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，并自動調整輸出電壓，高壓變頻器根據PID的輸出電壓變化來控制電機運行頻率，從而自動調節空壓機的轉速改變出口的壓力。當高壓變頻器調節系統發生故障時，高壓變頻器給出跳閘信號，再人為的轉到工頻運行。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結束語
     經過一系列的反復調整，變頻器啟動時間是20S,下降時間是25S，最終系統穩定運行在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：電子工業出版社，2007，98—100

2.張燕賓. 變頻調速應用實踐[M]. 北京:機械工業出版社,2000.

3.《山東新風光電子使用手冊》山東新風光電子科技發展有限公司