一、空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)及原理

　　【壓縮機(jī)網(wǎng)】空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)如圖1所示。

　　電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)空氣壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，使之產(chǎn)生壓縮空氣，并存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣罐中。儲(chǔ)氣罐中空氣壓力的大小取決于空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣的能力(本系統(tǒng)中即取決于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速)和用戶用氣量之間的平衡狀況，為了保證供氣質(zhì)量，要求儲(chǔ)氣罐空氣壓力穩(wěn)定在某一數(shù)值上。儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力為被控量，壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力變換成電信號(hào)送給變頻器PID單元，與壓力給定值進(jìn)行比較，PID功能單元根據(jù)比較所得偏差的大小和方向按預(yù)定的PID運(yùn)算規(guī)律運(yùn)算后產(chǎn)生控制信號(hào)改變變頻器的輸出，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使儲(chǔ)氣罐內(nèi)的實(shí)際壓力始終維持在給定值上。同時(shí)，設(shè)置工頻電源電路，使空氣壓縮機(jī)在變頻器出現(xiàn)故障時(shí)不致長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，并利用變頻器工頻運(yùn)行切換控制功能，進(jìn)一步提高電機(jī)的運(yùn)行效率。

　　二、系統(tǒng)配置與變頻器功能設(shè)置

　　1、配置原理

　　主電路由斷路器QF、接觸器MC₁、MC₂、MC₃及熱繼電器FR構(gòu)成。三相電源通過斷路器QF引入;接觸器MC₁用于將電源接至變頻器的輸入端，MC₃用于將變頻器的輸出端接至電動(dòng)機(jī)，MC₂用于將工頻電源直接接至電動(dòng)機(jī)；熱繼電器FR用于對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)。

　　端子MRS、CS、STF信號(hào)的ON/OFF確定變頻器工作狀態(tài)，分別接入開關(guān)QS₁、繼電器KA0常閉觸頭和開關(guān)QS₂。端子RT(X14)接入繼電器KA₃常開觸頭，其信號(hào)置于“ON”時(shí)，變頻器進(jìn)行PID控制，目標(biāo)值即壓力給定信號(hào)通過外接電位器進(jìn)行設(shè)定，由端子2～5間輸入，測(cè)量值信號(hào)來自壓力變送器，由端子4～5間輸入。IPF、OL、FU為主機(jī)集電極開路輸出端子，用于工頻運(yùn)行切換功能，允許負(fù)載為DC 24V、0.1A，采用線圈電壓為24V的繼電器KA₁、KA₂、KA₃分別控制交流接觸器MC₁、MC₂、MC₃ ，并加保護(hù)二極管。當(dāng)接觸器MC₁、MC₃吸合時(shí)，電機(jī)在變頻器控制下運(yùn)行，當(dāng)接觸器MC₂吸合時(shí)，電機(jī)在工頻下運(yùn)行。工頻切換時(shí)，MC₃先斷開，使電動(dòng)機(jī)脫離變頻器，經(jīng)適當(dāng)延時(shí)后MC₂吸合，將電動(dòng)機(jī)接至工頻電源?？諝鈮嚎s機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)配置如圖2所示。

　　按下按鈕SB₁，接觸器MC1吸合，合上開關(guān)QS₁、QS₂，變頻器啟動(dòng)（正轉(zhuǎn)），電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行。A₁、B₁、C₁為異常輸出端子，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，A₁-C₁間導(dǎo)通，蜂鳴器HA與信號(hào)燈HL發(fā)出聲光報(bào)警；同時(shí)，繼電器KA0常閉觸頭斷開，使CS信號(hào)置于“OFF”，從而切換為工頻運(yùn)行，操作人員可用按鈕SB0解除報(bào)警信號(hào)，并對(duì)變頻器進(jìn)行檢修。

　　2、變頻器

　　空氣壓縮機(jī)處于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，且屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和連續(xù)變動(dòng)負(fù)載，變頻器采用三菱FR2A700系列通用變頻器。該變頻器為可信度很高的產(chǎn)品，使用方便，操作、維護(hù)簡(jiǎn)單，可根據(jù)設(shè)備的轉(zhuǎn)矩特性設(shè)定最適合的V/F曲線，具有豐富的PID功能，具有良好的瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能、頻率跳變功能和工頻切換順序控制功能以及完善的安保功能，能對(duì)應(yīng)各種標(biāo)準(zhǔn)并具有對(duì)環(huán)境的友好性。

　　由于負(fù)載并非低速下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的情況，變頻器的容量選擇與電動(dòng)機(jī)容量相同，如30kW電動(dòng)機(jī)配用FR-A740-30K-CHT變頻器。變頻器運(yùn)行控制方式采用V/F控制方式，因?yàn)閴嚎s機(jī)對(duì)各種參數(shù)的控制精度要求不高，無須采用矢量控制，采用變頻調(diào)速的重要目的之一是輕載時(shí)提高電動(dòng)機(jī)的效率實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而變頻器的節(jié)能功能只有在V/F控制方式下才有效。

　　3、壓力變送器

　　壓力變送器采用ATE1151電容式壓力變送器，其輸出信號(hào)為二線制24V供電、4～20mA輸出，量程范圍0～2000kPa。該儀表性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、精度高、價(jià)格低廉、防爆及耐壓、耐腐性能好，并帶現(xiàn)場(chǎng)指示表。

　　4、PID作用設(shè)置

　　PID控制的目的是要取得較好的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)控制指標(biāo)，當(dāng)比例增益很大時(shí)，會(huì)發(fā)生調(diào)節(jié)過頭又反向調(diào)節(jié)導(dǎo)致振蕩。為防止超調(diào)、避免振蕩，適當(dāng)減小比例增益增加積分環(huán)節(jié)，能有效消除偏差。對(duì)于容易發(fā)生振蕩的系統(tǒng)，比例增益只能設(shè)定得小一些，這又會(huì)發(fā)生當(dāng)用氣量急劇變化時(shí)，被控量（壓力）難以迅速恢復(fù)的情況，微分控制能根據(jù)偏差變化的趨勢(shì)迅速作出反映，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作?？諝鈮嚎s機(jī)系統(tǒng)對(duì)過渡過程時(shí)間要求不高，故用PI調(diào)節(jié)方式，以減少對(duì)變頻器的沖擊。

　　5、變頻器功能設(shè)置

　　變頻器的功能設(shè)置如下:

　?、偕?、下限頻率。如轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)的輸出功率將超過其額定容量，因此，上限頻率一般不宜超過額定頻率（50Hz）；如轉(zhuǎn)速過低，使壓縮機(jī)的工作穩(wěn)定性變差、機(jī)械性能變差。因此，下限頻率一般不宜低于額定頻率的80%（40Hz）。所以，設(shè)Pr1=50Hz，Pr2=40Hz。

　?、诩?、減速時(shí)間。由于空氣壓縮機(jī)不經(jīng)常起動(dòng)，且對(duì)升、降速時(shí)間無特別要求，所以升、降速時(shí)間可適當(dāng)?shù)剡x長(zhǎng)一點(diǎn)，以免“過流”或“過壓”，如設(shè)Pr7=30s、Pr8=25s。

　?、凵⒔邓俜绞?。希望開始啟動(dòng)時(shí)頻率上升得快一些，以利于迅速啟動(dòng)起來，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，因壓縮空氣已經(jīng)有相當(dāng)?shù)膲毫?，頻率的上升速度宜減緩；降速過程則相反，開始時(shí)頻率應(yīng)下降得慢一些，當(dāng)速度已經(jīng)下降到一定程度后可加快降速。由于壓縮機(jī)非經(jīng)常啟動(dòng)、停止，可設(shè)Pr29=4或2、0，即選擇S字加減速C，或S字加減速B和直線加減速方式，一般能滿足要求。

　?、苓m用V/F樣式。空氣壓縮機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)荷，設(shè)Pr14=0。

　?、葸\(yùn)行模式。設(shè)Pr79=2，使變頻器工作固定為外部運(yùn)行模式。

　?、轕ID控制。設(shè)Pr128=20，將PID動(dòng)作選擇在負(fù)作用。并設(shè)定Pr127=某一頻率（如45Hz），使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行在到達(dá)此頻率前為通常運(yùn)行模式。

　?、咔袚Q功能。為使工頻切換順序功能有效，設(shè)Pr135=1;

　　設(shè)Pr136=110s，使繼電器KA2和KA3的切換動(dòng)作互鎖時(shí)間為1s;

　　設(shè)Pr137=110s，使啟動(dòng)開始等待時(shí)間為1s;

　　設(shè)Pr138=1，使變頻器發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行功能有效；

　　設(shè)Pr139=50Hz使變頻-工頻自動(dòng)切換頻率為50Hz；工頻-變頻自動(dòng)切換動(dòng)作范圍則根據(jù)系統(tǒng)控制精度要求等具體情況定，如：設(shè)Pr159=0.5Hz，在頻率指令未滿49.5Hz時(shí)作工頻-變頻的切換；

　　設(shè)Pr57=0.5s，使變頻器從瞬間停電到恢復(fù)正常供電后再啟動(dòng)的等待時(shí)間（自由運(yùn)行時(shí)間）為0.5s；

　　設(shè)Pr58=0.5s，使再啟動(dòng)時(shí)的電壓上升時(shí)間為0.5s。

　?、噍斎?、輸出端子功能分配。

　　設(shè)Pr178=60，STF端子用于正轉(zhuǎn)運(yùn)行控制；

　　設(shè)Pr186=6，CS端子用于瞬停再起動(dòng)控制；

　　設(shè)Pr185=7，JOG端子用作OH端子，接受外部熱繼電器輸入；

　　設(shè)Pr183=14，RT端子作為PID控制有效端子；

　　設(shè)Pr191=47，SU端子功能選擇PID控制動(dòng)作中;

　　設(shè)Pr192=17、Pr193=18、Pr194=19，使IPF、OL、FU端子用于工頻切換控制繼電器KA1、KA2、KA3。

　?、崞渌?。如設(shè)Pr77=1或0，不可寫入?yún)?shù)或參數(shù)寫入僅限于停止時(shí)，以防止參數(shù)值被意外改寫； 設(shè)Pr78=1，防止電機(jī)反轉(zhuǎn)；設(shè)Pr9=0，電機(jī)使用外部熱繼電器，不使電子過電流保護(hù)工作。

　　三、系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

　　通過上述配置與變頻器功能設(shè)置，本系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　?、俨捎米冾l器控制，大大提高了電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。通過變頻器實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車，使系統(tǒng)的控制精度高、動(dòng)態(tài)性能好，大大減少了電和機(jī)械的沖擊，從而改善了運(yùn)行性能。

　　②利用變頻器內(nèi)置工頻/變頻運(yùn)行切換控制功能，實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行的自動(dòng)切換。一方面在變頻器出現(xiàn)故障時(shí)由工頻電源直接供電，保證空氣壓縮機(jī)能照常工作；另一方面，電機(jī)在50Hz的頻率下運(yùn)行時(shí)，以工頻電源運(yùn)行效率更高，在50Hz運(yùn)行情況由變頻運(yùn)行自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，并根據(jù)生產(chǎn)工藝要求等實(shí)際情況設(shè)定一個(gè)范圍，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的效率。

　?、弁ㄟ^外部合理配置和變頻器安全保護(hù)功能應(yīng)用，系統(tǒng)保護(hù)功能齊全，運(yùn)行安全、可靠。

　?、芡鈬娐泛?jiǎn)單，變頻器功能設(shè)置合理，系統(tǒng)操作、運(yùn)行簡(jiǎn)便。包括系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止、頻率跳變、瞬時(shí)停電再啟動(dòng)、工頻/變頻切換、參數(shù)設(shè)置與修改以及目標(biāo)值預(yù)置與傳感器輸出的校正等。如通過Pr127設(shè)置PID控制自動(dòng)切換頻率，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)以通常運(yùn)行模式啟動(dòng)，等到達(dá)此頻率后轉(zhuǎn)為PID控制運(yùn)行（變?yōu)镻ID控制運(yùn)行后，即使輸出頻率在此頻率以下，也繼續(xù)PID控制），這樣還能避免PID閉環(huán)控制啟動(dòng)過程中因“積分飽和”出現(xiàn)問題。

　　四、安裝與使用中的幾個(gè)問題

　　1、安裝

　　安裝時(shí)遵循以下3項(xiàng)要求:

　?、僮冾l器安裝時(shí)須注意周圍環(huán)境溫度;變頻器和電機(jī)須良好接地，變頻器接地用獨(dú)立接地端子，接地點(diǎn)盡量靠近變頻器，接地電纜符合標(biāo)準(zhǔn)要求；作為防止來自變頻器動(dòng)力線的感應(yīng)噪聲的措施，所采用的接地線建議在配線時(shí)返回至變頻器的接地端子處進(jìn)行配線；作為高諧波抑制對(duì)策、功率因數(shù)改善和大容量電源（如1000 kVA以上）下，變頻器輸入側(cè)接電抗器，75kVA以上時(shí)附帶直流電抗器務(wù)必設(shè)置；輸出側(cè)不要連接電力電容器、過電壓吸收器和無線電噪聲濾波器。

　?、诓季€時(shí)，總配線長(zhǎng)度不要超過規(guī)定要求。變頻器與電機(jī)間的接線距離較長(zhǎng)時(shí)，特別是低頻率輸出情況下，會(huì)導(dǎo)致由于主電路電纜的電壓下降致使電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，應(yīng)使用適當(dāng)型號(hào)和規(guī)格的電線接線。容易受影響的信號(hào)線，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器及其輸入、輸出線，避免信號(hào)線和動(dòng)力線平行布線和集束布線?？刂苹芈范俗拥慕泳€應(yīng)使用屏蔽線或雙絞線，接點(diǎn)輸入時(shí)微小信號(hào)接點(diǎn)應(yīng)使用兩個(gè)并聯(lián)的接點(diǎn)或使用雙生接點(diǎn)，建議使用0.75mm2的電線，接線長(zhǎng)度不要超過30m。注意輸出端子的容量，主機(jī)集電極開路輸出（如IPF、OL、FU）允許負(fù)載DC24V、0.1A，主機(jī)繼電器輸出（A₁-C₁、B₁-C₁）允許負(fù)載230 VAC、0.3A。

　?、跰C₂、MC₃除了電氣互鎖還必須采取機(jī)械式的互鎖，所以采用有機(jī)械互鎖的接觸器。

　　2、調(diào)試

　?、龠\(yùn)行變頻器前要確認(rèn)回路的絕緣電阻，在接通電源之前充分確認(rèn)變頻器輸出測(cè)的對(duì)地絕緣、相間絕緣；準(zhǔn)確預(yù)置目標(biāo)值十分重要，由外接電位器進(jìn)行預(yù)置，調(diào)整起來比較方便；傳感器輸出的校正在變頻器停止中的PU模式下進(jìn)行；若運(yùn)行一次后想改變接線，要注意防備電容上危險(xiǎn)的高壓電。

　?、谠谕瓿勺冾l器功能設(shè)置及空載運(yùn)行試驗(yàn)后，可進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)調(diào)試，包括工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行，變頻運(yùn)行的調(diào)試又包括開環(huán)和閉環(huán)。

　　開環(huán)調(diào)試。主要觀察變頻器頻率上升的情況，設(shè)備運(yùn)行聲音是否正常，空氣壓縮機(jī)的壓力上升是否穩(wěn)定，壓力變送器工作是否正常，設(shè)備停機(jī)是否正常等。閉環(huán)調(diào)試。如開環(huán)調(diào)試一切正常，則可進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試。觀察變頻器頻率上升與下降的速度和空氣壓縮機(jī)壓力的升降匹配情況，不要產(chǎn)生壓力振蕩，觀察機(jī)械共振點(diǎn)，將共振點(diǎn)附近的頻率跳過去。然后進(jìn)行PID參數(shù)的整定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法，如將比例帶P設(shè)定為70%、積分時(shí)間常數(shù)Ti設(shè)定為60s，采取改變給定值的方法產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)，觀察響應(yīng)情況(即壓力變化過程)。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整和觀察得到合適的P、Ti值，使得響應(yīng)過程較為理想，壓力給定值改變約一個(gè)多周期后，振幅在極小的范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)擾動(dòng)反應(yīng)能達(dá)到預(yù)期的效果。

　　3、使用

　　使用中需要注意以下幾點(diǎn)：

　　①變頻器主回路電源處于“ON”時(shí)不要使控制電源處于“OFF”。

　?、谧冾l器的啟動(dòng)與停止務(wù)必使用啟動(dòng)信號(hào)（STF信號(hào)的ON/OFF）來進(jìn)行，不要使用輸入側(cè)的電磁接觸器。

　?、劬S護(hù)檢查時(shí)，斷開電源過10min后，用萬用表等確認(rèn)變頻器主電路端子P/+與N/-間電壓在直流30V以下后進(jìn)行。

　　④注意變頻器PID有效后的功能變化。

　?、萑绻ㄟ^Pr178～Pr189、Pr190～Pr196變更端子功能，有可能會(huì)對(duì)其它的功能產(chǎn)生影響，應(yīng)確認(rèn)各端子的功能后再進(jìn)行設(shè)定。

　?、轕ID比例帶、積分時(shí)間、微分時(shí)間分別由Pr129、Pr130、Pr134設(shè)定，它們可以在運(yùn)行中設(shè)定，設(shè)定與運(yùn)行模式無關(guān)。

　　⑦要改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，調(diào)換輸出端（或電機(jī)接線端）三根線中的任意兩根線（調(diào)換電源側(cè)輸入端接線無效），或把變頻器上控制正反轉(zhuǎn)的端子調(diào)換更簡(jiǎn)單。

　?、嘧⒁忾]環(huán)控制的啟動(dòng)問題。系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)偏差很大，積分運(yùn)算的結(jié)果將迅速到達(dá)上限值，出現(xiàn)“積分飽和”現(xiàn)象，使PID調(diào)節(jié)在一段時(shí)間內(nèi)失去作用，結(jié)果電動(dòng)機(jī)將很快升速，導(dǎo)致因過流而跳閘。解決辦法有：在啟動(dòng)過程中切換成開環(huán)控制;利用變頻器的PID啟動(dòng)功能，針對(duì)PID功能有效后可能出現(xiàn)的啟動(dòng)問題，設(shè)置“PID加、減速時(shí)間”功能，專用于當(dāng)PID功能有效時(shí)的啟動(dòng)過程中。本系統(tǒng)中屬于第一種辦法。

　　五、結(jié)束語

　　變頻器應(yīng)用于空氣壓縮機(jī)恒壓供氣控制中，能很好地滿足控制工藝要求，并具有傳統(tǒng)控制方式不可比擬的許多優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了控制系統(tǒng)的組成和工作原理，從應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)配置與變頻器功能設(shè)置及使用中的關(guān)鍵性問題進(jìn)行了研究，對(duì)變頻器的功能應(yīng)用相對(duì)于通常設(shè)置進(jìn)行了擴(kuò)充和改進(jìn)，取得了很好的應(yīng)用效果。隨著變頻器技術(shù)的不斷發(fā)展，其功能將不斷擴(kuò)大和加強(qiáng)，個(gè)性化特點(diǎn)越來越突出，實(shí)際生產(chǎn)中將有極廣闊的應(yīng)用前景。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2005: 155 - 156.
[2]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用[M].福建:福建科學(xué)技術(shù)出版社， 2005: 65.
[3]朱應(yīng)煌.變頻器在空氣壓縮機(jī)恒壓控制中的應(yīng)用[J]