一、空氣壓縮機變頻調速控制系統及原理

　　【壓縮機網】空氣壓縮機變頻調速控制系統如圖1所示。

　　電動機拖動空氣壓縮機旋轉，使之產生壓縮空氣，并存儲于儲氣罐中。儲氣罐中空氣壓力的大小取決于空氣壓縮機產生壓縮空氣的能力(本系統中即取決于電動機的轉速)和用戶用氣量之間的平衡狀況，為了保證供氣質量，要求儲氣罐空氣壓力穩定在某一數值上。儲氣罐內的壓力為被控量，壓力變送器將儲氣罐的壓力變換成電信號送給變頻器PID單元，與壓力給定值進行比較，PID功能單元根據比較所得偏差的大小和方向按預定的PID運算規律運算后產生控制信號改變變頻器的輸出，從而改變電動機的轉速，使儲氣罐內的實際壓力始終維持在給定值上。同時，設置工頻電源電路，使空氣壓縮機在變頻器出現故障時不致長時間停機，并利用變頻器工頻運行切換控制功能，進一步提高電機的運行效率。

　　二、系統配置與變頻器功能設置

　　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機，MC₂用于將工頻電源直接接至電動機；熱繼電器FR用于對電動機進行過載保護。

　　端子MRS、CS、STF信號的ON/OFF確定變頻器工作狀態，分別接入開關QS₁、繼電器KA0常閉觸頭和開關QS₂。端子RT(X14)接入繼電器KA₃常開觸頭，其信號置于“ON”時，變頻器進行PID控制，目標值即壓力給定信號通過外接電位器進行設定，由端子2～5間輸入，測量值信號來自壓力變送器，由端子4～5間輸入。IPF、OL、FU為主機集電極開路輸出端子，用于工頻運行切換功能，允許負載為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 ，并加保護二極管。當接觸器MC₁、MC₃吸合時，電機在變頻器控制下運行，當接觸器MC₂吸合時，電機在工頻下運行。工頻切換時，MC₃先斷開，使電動機脫離變頻器，經適當延時后MC₂吸合，將電動機接至工頻電源。空氣壓縮機變頻調速控制系統配置如圖2所示。

　　按下按鈕SB₁，接觸器MC1吸合，合上開關QS₁、QS₂，變頻器啟動（正轉），電動機開始運行。A₁、B₁、C₁為異常輸出端子，當變頻器發生故障時，A₁-C₁間導通，蜂鳴器HA與信號燈HL發出聲光報警；同時，繼電器KA0常閉觸頭斷開，使CS信號置于“OFF”，從而切換為工頻運行，操作人員可用按鈕SB0解除報警信號，并對變頻器進行檢修。

　　2、變頻器

　　空氣壓縮機處于長時間連續運行狀態，且屬于恒轉矩負載和連續變動負載，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品，使用方便，操作、維護簡單，可根據設備的轉矩特性設定最適合的V/F曲線，具有豐富的PID功能，具有良好的瞬時停電再啟動功能、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，能對應各種標準并具有對環境的友好性。

　　由于負載并非低速下長時間運行的情況，變頻器的容量選擇與電動機容量相同，如30kW電動機配用FR-A740-30K-CHT變頻器。變頻器運行控制方式采用V/F控制方式，因為壓縮機對各種參數的控制精度要求不高，無須采用矢量控制，采用變頻調速的重要目的之一是輕載時提高電動機的效率實現節能，而變頻器的節能功能只有在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，其輸出信號為二線制24V供電、4～20mA輸出，量程范圍0～2000kPa。該儀表性能穩定、質量可靠、精度高、價格低廉、防爆及耐壓、耐腐性能好，并帶現場指示表。

　　4、PID作用設置

　　PID控制的目的是要取得較好的靜態與動態控制指標，當比例增益很大時，會發生調節過頭又反向調節導致振蕩。為防止超調、避免振蕩，適當減小比例增益增加積分環節，能有效消除偏差。對于容易發生振蕩的系統，比例增益只能設定得小一些，這又會發生當用氣量急劇變化時，被控量（壓力）難以迅速恢復的情況，微分控制能根據偏差變化的趨勢迅速作出反映，提前給出一個相應的調節動作。空氣壓縮機系統對過渡過程時間要求不高，故用PI調節方式，以減少對變頻器的沖擊。

　　5、變頻器功能設置

　　變頻器的功能設置如下:

　　①上、下限頻率。如轉速超過額定轉速，電動機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）；如轉速過低，使壓縮機的工作穩定性變差、機械性能變差。因此，下限頻率一般不宜低于額定頻率的80%（40Hz）。所以，設Pr1=50Hz，Pr2=40Hz。

　　②加、減速時間。由于空氣壓縮機不經常起動，且對升、降速時間無特別要求，所以升、降速時間可適當地選長一點，以免“過流”或“過壓”，如設Pr7=30s、Pr8=25s。

　　③升、降速方式。希望開始啟動時頻率上升得快一些，以利于迅速啟動起來，達到一定轉速后，因壓縮空氣已經有相當的壓力，頻率的上升速度宜減緩；降速過程則相反，開始時頻率應下降得慢一些，當速度已經下降到一定程度后可加快降速。由于壓縮機非經常啟動、停止，可設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。

　　④適用V/F樣式。空氣壓縮機屬于恒轉矩負荷，設Pr14=0。

　　⑤運行模式。設Pr79=2，使變頻器工作固定為外部運行模式。

　　⑥PID控制。設Pr128=20，將PID動作選擇在負作用。并設定Pr127=某一頻率（如45Hz），使電動機的啟動運行在到達此頻率前為通常運行模式。

　　⑦切換功能。為使工頻切換順序功能有效，設Pr135=1;

　　設Pr136=110s，使繼電器KA2和KA3的切換動作互鎖時間為1s;

　　設Pr137=110s，使啟動開始等待時間為1s;

　　設Pr138=1，使變頻器發生故障時自動切換到工頻運行功能有效；

　　設Pr139=50Hz使變頻-工頻自動切換頻率為50Hz；工頻-變頻自動切換動作范圍則根據系統控制精度要求等具體情況定，如：設Pr159=0.5Hz，在頻率指令未滿49.5Hz時作工頻-變頻的切換；

　　設Pr57=0.5s，使變頻器從瞬間停電到恢復正常供電后再啟動的等待時間（自由運行時間）為0.5s；

　　設Pr58=0.5s，使再啟動時的電壓上升時間為0.5s。

　　⑧輸入、輸出端子功能分配。

　　設Pr178=60，STF端子用于正轉運行控制；

　　設Pr186=6，CS端子用于瞬停再起動控制；

　　設Pr185=7，JOG端子用作OH端子，接受外部熱繼電器輸入；

　　設Pr183=14，RT端子作為PID控制有效端子；

　　設Pr191=47，SU端子功能選擇PID控制動作中;

　　設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。

　　⑨其他。如設Pr77=1或0，不可寫入參數或參數寫入僅限于停止時，以防止參數值被意外改寫； 設Pr78=1，防止電機反轉；設Pr9=0，電機使用外部熱繼電器，不使電子過電流保護工作。

　　三、系統優點

　　通過上述配置與變頻器功能設置，本系統具有如下優點：

　　①采用變頻器控制，大大提高了電動機輕載時的效率，實現節能。通過變頻器實現了無級調速，實現了電動機的軟啟動、軟停車，使系統的控制精度高、動態性能好，大大減少了電和機械的沖擊，從而改善了運行性能。

　　②利用變頻器內置工頻/變頻運行切換控制功能，實現工頻運行與變頻運行的自動切換。一方面在變頻器出現故障時由工頻電源直接供電，保證空氣壓縮機能照常工作；另一方面，電機在50Hz的頻率下運行時，以工頻電源運行效率更高，在50Hz運行情況由變頻運行自動切換到工頻運行，并根據生產工藝要求等實際情況設定一個范圍，進一步提高了系統的效率。

　　③通過外部合理配置和變頻器安全保護功能應用，系統保護功能齊全，運行安全、可靠。

　　④外圍電路簡單，變頻器功能設置合理，系統操作、運行簡便。包括系統的啟動與停止、頻率跳變、瞬時停電再啟動、工頻/變頻切換、參數設置與修改以及目標值預置與傳感器輸出的校正等。如通過Pr127設置PID控制自動切換頻率，電動機啟動時以通常運行模式啟動，等到達此頻率后轉為PID控制運行（變為PID控制運行后，即使輸出頻率在此頻率以下，也繼續PID控制），這樣還能避免PID閉環控制啟動過程中因“積分飽和”出現問題。

　　四、安裝與使用中的幾個問題

　　1、安裝

　　安裝時遵循以下3項要求:

　　①變頻器安裝時須注意周圍環境溫度;變頻器和電機須良好接地，變頻器接地用獨立接地端子，接地點盡量靠近變頻器，接地電纜符合標準要求；作為防止來自變頻器動力線的感應噪聲的措施，所采用的接地線建議在配線時返回至變頻器的接地端子處進行配線；作為高諧波抑制對策、功率因數改善和大容量電源（如1000 kVA以上）下，變頻器輸入側接電抗器，75kVA以上時附帶直流電抗器務必設置；輸出側不要連接電力電容器、過電壓吸收器和無線電噪聲濾波器。

　　②布線時，總配線長度不要超過規定要求。變頻器與電機間的接線距離較長時，特別是低頻率輸出情況下，會導致由于主電路電纜的電壓下降致使電機轉矩下降，應使用適當型號和規格的電線接線。容易受影響的信號線，應盡量遠離變頻器及其輸入、輸出線，避免信號線和動力線平行布線和集束布線。控制回路端子的接線應使用屏蔽線或雙絞線，接點輸入時微小信號接點應使用兩個并聯的接點或使用雙生接點，建議使用0.75mm2的電線，接線長度不要超過30m。注意輸出端子的容量，主機集電極開路輸出（如IPF、OL、FU）允許負載DC24V、0.1A，主機繼電器輸出（A₁-C₁、B₁-C₁）允許負載230 VAC、0.3A。

　　③MC₂、MC₃除了電氣互鎖還必須采取機械式的互鎖，所以采用有機械互鎖的接觸器。

　　2、調試

　　①運行變頻器前要確認回路的絕緣電阻，在接通電源之前充分確認變頻器輸出測的對地絕緣、相間絕緣；準確預置目標值十分重要，由外接電位器進行預置，調整起來比較方便；傳感器輸出的校正在變頻器停止中的PU模式下進行；若運行一次后想改變接線，要注意防備電容上危險的高壓電。

　　②在完成變頻器功能設置及空載運行試驗后，可進行系統聯動調試，包括工頻運行與變頻運行，變頻運行的調試又包括開環和閉環。

　　開環調試。主要觀察變頻器頻率上升的情況，設備運行聲音是否正常，空氣壓縮機的壓力上升是否穩定，壓力變送器工作是否正常，設備停機是否正常等。閉環調試。如開環調試一切正常，則可進行閉環調試。觀察變頻器頻率上升與下降的速度和空氣壓縮機壓力的升降匹配情況，不要產生壓力振蕩，觀察機械共振點，將共振點附近的頻率跳過去。然后進行PID參數的整定，根據經驗法，如將比例帶P設定為70%、積分時間常數Ti設定為60s，采取改變給定值的方法產生一個階躍信號，觀察響應情況(即壓力變化過程)。經過反復調整和觀察得到合適的P、Ti值，使得響應過程較為理想，壓力給定值改變約一個多周期后，振幅在極小的范圍內波動，對擾動反應能達到預期的效果。

　　3、使用

　　使用中需要注意以下幾點：

　　①變頻器主回路電源處于“ON”時不要使控制電源處于“OFF”。

　　②變頻器的啟動與停止務必使用啟動信號（STF信號的ON/OFF）來進行，不要使用輸入側的電磁接觸器。

　　③維護檢查時，斷開電源過10min后，用萬用表等確認變頻器主電路端子P/+與N/-間電壓在直流30V以下后進行。

　　④注意變頻器PID有效后的功能變化。

　　⑤如果通過Pr178～Pr189、Pr190～Pr196變更端子功能，有可能會對其它的功能產生影響，應確認各端子的功能后再進行設定。

　　⑥PID比例帶、積分時間、微分時間分別由Pr129、Pr130、Pr134設定，它們可以在運行中設定，設定與運行模式無關。

　　⑦要改變電機轉向，調換輸出端（或電機接線端）三根線中的任意兩根線（調換電源側輸入端接線無效），或把變頻器上控制正反轉的端子調換更簡單。

　　⑧注意閉環控制的啟動問題。系統剛啟動時偏差很大，積分運算的結果將迅速到達上限值，出現“積分飽和”現象，使PID調節在一段時間內失去作用，結果電動機將很快升速，導致因過流而跳閘。解決辦法有：在啟動過程中切換成開環控制;利用變頻器的PID啟動功能，針對PID功能有效后可能出現的啟動問題，設置“PID加、減速時間”功能，專用于當PID功能有效時的啟動過程中。本系統中屬于第一種辦法。

　　五、結束語

　　變頻器應用于空氣壓縮機恒壓供氣控制中，能很好地滿足控制工藝要求，并具有傳統控制方式不可比擬的許多優點。本文介紹了控制系統的組成和工作原理，從應用實際出發，對系統配置與變頻器功能設置及使用中的關鍵性問題進行了研究，對變頻器的功能應用相對于通常設置進行了擴充和改進，取得了很好的應用效果。隨著變頻器技術的不斷發展，其功能將不斷擴大和加強，個性化特點越來越突出，實際生產中將有極廣闊的應用前景。

　　參考文獻

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