机车服务厂空气压缩机节能控制系统外文翻译资料

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机车服务厂空气压缩机节能控制系统

摘要

讨论传统的大功率异步电机驱动空气压缩机在机车服务厂的现状和缺点。为了减少能量消耗，并维持电机的安全运行，就需要一个可变频率的控制方法。使用一个带触摸屏的PLC来监测压缩机和其控制系统的状态。同时还介绍变频控制方法在机车服务厂所造成的能耗分析。

关键词:变频，空气压缩机，机车服务厂

1.介绍

空气压缩机是由异步电机驱动来提供空气动力的关键设备。空气压缩机的操作通过调节电机的旋转速度来实现。一般情况下，与管道连接的空气罐在系统中控制输出空气的压力。

控制管道中的空气压力在一定范围内波动。其上限（ 0.7兆帕）是管道的额定压力，其下限（ 0.4MPa时）高于空气压缩机的额定压力。通常情况下，有两种方法来控制管道中的空气压力来满足这一要求。

第一种方法是不断的启动和停止电动机来调节管路中的空气压力。当空气压力低于上限时，操作空气压缩器，直至空气压力上升到上限，然后使电机停止运行。但是空气泄漏或设备的操作会使空气压力将降低。当空气压力下降到下限时，电机启动，空气压缩机再次工作。管道内空气压力的变量在图示1中标出。这种方法简单，成本低，但它很适用于连续运作的小功率电机。

图1：管道内空气压力变化

第二种方法是使用压力阀来限制管道中的空气压力。当压力上升到上限压力时，该阀会关闭空气压缩机的入口，则压缩机处于空闲状态。在这种情况下，压缩机仍然由电动机驱动，但它不会输出压缩的空气，使空气压力不会进一步上升。当压力下降到下限值时，该阀将再次打开，然后将压缩机出口处的压缩空气输出使空气压力再次上升。空气压力的变化与第一种方法相同。在这种情况下，可用于连续运行的高功率电动机。

在机车服务工厂，第二种方法被广泛用于控制空气压缩机的输出空气压力，因为使用的是高功率电动机，其额定功率约100KW 。既然电动机要运行操作，应控制其启动。传统上，有两种方法来完成启动，串接转子回路中的启动电阻和Y-△接法启动[1]。然而这两种方式仍有如下一些弊端。

1）管道中的空气压力上限和下限之间的波动过大。

2）空气压缩机的不断压缩和排气会导致电路的电压波动。

3）空气压缩机在全速运转时，可能会导致机械故障和温度上升。

4）空气压缩机和空气压力阀在运转时会造成很大的噪音污染。

5）电动机驱动的空气压缩机效率低、能耗大、功率因数低。

因此，有必要改变控制空气压缩机运行的传统方法使其变得节约能源，减少污染，低故障。

2.空气压缩机电机的变频控制

2.1系统原理

随着电力电子技术的飞速发展，传感器被广泛用于交流异步电动机的调速[2]。因此，传感器被设计为空气压缩机控制系统的执行器来调整输出气压。

为了控制管道中的空气压力，应控制电动机的旋转速度。然而，电动机本身旋转速度是无法直接改变的，唯一的方法是调整其频率来改变旋转速度。因此，变频器可用于控制电动机的旋转速度，然后，可以通过空气压缩机的流量传感器进行调整。系统原理图如图2所示。

图2：系统原理图

将设定的压力信号与反馈的压力信号进行比较，得到一个压力信号误差，该误差用于PID算法计算，然后将误差信号转换为控制值来调整AC电源的频率。然后，驱动空气压缩机的异步电动机通过变频电源开车到适当的旋转速度，以消除压力误差，并确保空气压力的恒定。

通过PID算法调节管道内的空气压力如图3中所示。在一般情况下，变频器内有一个PID控制单元。

0：负效应，当△gt; 0时 ，变频器的输出频率提高，△ lt;0时，频率下降。

1：正效应，当△gt; 0时 ，变频器的输出频率下降，△ lt;0时，频率提高。

当传感器检测到的压力高于设定压力时， PID调节器的输出信号下降使变频器的输出频率下降，然后空气的压缩机的旋转速度降低，输出的空气压力下降；当传感器检测到的压力低于设定压力时， PID调节器的输出信号上升使变频器的输出频率增加，然后空气压缩机的转速上升，输出的空气压力增加。该系统通过上述的方法自动控制空气压力。

在图4中，YASKAMA 616PC5的变频器组成空气压力的反馈控制系统。在该变频器中，FS、FV、FI和FC是设定和反馈信号输入端口。FS端口提供电源（ 15 V）。一个输入电压，决定了来自变频器的交流电源的频率， FV端口连接到一个电阻（4.7K）。检测储气罐空气压力反馈电压的远程压力表与FI端口连接。这两个信号由变频器进行比较并计算出一个误差，PID通过该误差计算出控制变量。这种变频器具有自我调整能力，即通过传感器实际压力信号变化特征自动调整PID参数。

S1，S3，S4和SC是各种控制功能的端口。K1闭合时，变频器运行正常。如果有外部的传感器发生故障，K2将关闭，并且变频器将停止工作。在这种情况下，可以通过S3端口检测到的信号来保护整个系统。然而，如果变频器发生故障，MA和MC端口将连接，通过该控制系统（PLC）可以停止整个系统的操作。当故障排除后，控制系统使K3关闭，信号输入到S4端口，可重置变频器。 M1和M2端口输出运行状态的信号。三相交流电源连接到变频器上的R，S和T端口。然后，从U、V和W端口输出变频交流电源。

在系统中PLC作为控制单元，由开关K1、K2和K3可以输出相应的信号。来自变频器的端口M1、M2、 MA和MC上信号也可以输入到PLC 。

图4： 变频器的连接电路

2.2存在的问题及解决方案

使用换能器会产生谐波。外部输入工业频率交流电源（380V/50Hz）通过三相桥整流为直流。最后，由电容滤波后被大功率晶体管倒向任何频率交流电源。在整流电路中，输入电流波形是不规则的矩形波。在傅里叶级数的基础上波分为基本波和谐波。高阶谐波会干扰电源供应系统，并损害变频器、电机、电容器、开关等等。

变频器输入端的解决方案：

1）设定电抗增加，改善整流器整流阻抗重叠角;

2）并行使用交流滤波器的功率电路分别从供电系统来分离各级高阶谐波。

变频器输出端的解决方案：

采用高频开关元件，增加过滤设备和采用闭环控制，采用隔离，屏蔽，接地和合理的路由改善高阶谐波的干扰。

此外，空气压缩机启动时所需的起动转矩很大。可是，使用传统控制方法会给其他相关设备带来损害。该系统采用矢量控制技术以提高电动机的起动转矩。可以获得更准确的转速来控制空气压缩机。所以，这个系统可以获得压力几乎恒定的空气。

3.PLC监控和控制

3.1 状态参数监测

冷却水和润滑油是空气压缩机正常运行的必要物质。当空气压缩机运行时，压缩机体的温度上升，该温度可以用来监测压缩机的运行状态正常与否。所以，在系统中有三个参数要监测，它们是冷却水的压力、 润滑油的压力和压缩机机体的温度。

冷却水的压力可以用来显示冷却系统的正常操作，包括泵、 管道和阀门。任何问题都可能会导致压力异常。所以，在冷却水泵输出处安装一个压力传感器用来监测整个循环冷却水系统。同样地，另一个压力传感器用于监测润滑油的压力。

用压缩机机体温度合成的图像来显示所有的故障之一。为了测量压缩机机体温度，在压缩机冷却水输出管道处安装一个温度传感器。从管道输出的冷却水的温度几乎等于压缩机机体温度。

所有传感器都被安装在压缩机管道外，便于维护和修理。

3.2 PLC监控系统的设计

为了监测和控制整个空气压缩机系统，使用PLC与触摸屏[3]。PLC 是由电源模块、 CPU 模块、 模拟量输入模块、 数字量输入模块和数字输出模块组成。PLC 系统的配置如图5所示。

图5：PLC 系统的配置

触摸屏连接到CPU模块，它可以显示变频器的状态，显示空气罐的压力、冷却水的压力、润滑油的压力等等。它也可以代替机械按钮接受许多触摸指令。CPU模块通过内部总线可以接收各种模拟和数字模块传来的数据。它还有用于程序和数据的存储器，以及与计算机连接的RS232C串行总线。

电源模块为其他模块提供电源，其中包括 5V和 12V电压。

模拟量输入的模块 (0 ~ 5V 输入) 接收从传感器来的压缩空气压力、 冷却水压力、 润滑油压力、冷却水的温度等所产生的电压信号。

数字量输入模块（12V输入）接收从M1和M2输入的传感器状态信号，接收从MA和MC输入的传感器故障信号，并接收外部按键操作信号。

数字输出模块（继电器输出）发送出几个控制信号，分别为K1 ，K2和K3 ，工作状态信号，和故障信号。

4.实验结果

我们使用一个PLC和变频器重建一个空气压缩器控制系统，在机车厂，使用额定功率为75KW的高功率电机。其他参数是频率为50Hz ，额定电压为380VAC ，额定电流为150A 。我们测定了一组在相同负载条件下重建之前和之后数据，在表1中列出。在大多数时候，该电机可以在频率为42Hz的电源下正常运行并为全厂供气。

从表1可以看出，电流的减少率是：

节电率是：

因为一天有三班倒的工作时间，则一年有300个工作日，所以这个空气压缩控制系统一年节省的能源为：

显然,这个新系统可以节省大量的能源。 除此之外,它还有其他优点:

1）它大大降低了噪声,实现了设备的软启动、软停止,避免了当空气压缩机启动时电网产生冲击电流；

2）它具有较高的自动化程度并克服了手动调整的缺点。

5.结论

大功率空气压缩机是一种广泛应用于机车服务厂的设备。为了节约电能源，改善工作条件，有必要重建传统控制系统控制的高功率电机与变频器和PLC系统。其实该系统还具有低成本，高可靠性和高效率的特点。这也大大降低了噪音和空气压缩机运行发生故障的可能性。最后，该系统较好地解决了干扰的高阶谐波，并通过矢量控制技术获得高启动转矩和稳定的转速。这个系统的节能效果是明显的，它应该广泛应用于机车服务厂在这样的地方。

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