变频器在CNG天然气压缩机中的应用.pdf

第2 2 卷第 1 期 2 0 1 2年 3月 江 汉 石 油 科 技 J M NGHAN P E T ROL E UM S C I E NCE AND T E C HNOL OGY V0 1 ． 2 2 N o ． 1 Ma r ． 2 01 2 变频器在C N G天然气压缩机 中的应用 何 亮 江汉石油管理局第三机械厂，湖北武汉 4 3 0 0 4 0 摘 要 针对天然气压缩机工作过程 中， 由于进 气压力的改变，引起主 电机 电流的波动 。提 出用 P L C的P I D调节、变频器。实践结果表 明，变频器的使用根治了天然气压缩机工作方式的缺 陷， 同时还能精 准控制压缩机的输出排量， 是一种具有发展前途的控制方式。 关 键词 变频器；天然气压缩机；P I D ．F - t] ； P L C 在控制领域 中， 变频调速系统不仅节能而且可 以提高生产设 备的运行精度等优点， 被公认为最理 想 、最有发展前途的一种调速方式。由于受资金及 技术难度等原因，普及的面还是较小 。我厂在八坦 路加气站的天然气压缩机采用的是软启动装置来控 制电机 ，它只是对电机的启动起到了保护作用。由 于该站的进气压力波动很大 ，当进气压力突然变大 后 ，电机的负载也随着增大 ，使电机电流变大 ，导 致电机的温度升高，严重影响电机的使用寿命。所 以我厂提出将变频器用于天然气压缩机中，对整个 系统进行改造 。 1 变频器的工作原理及其特点 1 ． 1变频器的工作原理 由式 1 可 以看 出转速n 与频率嘁 正 比， 只要改变频率f 即可改变电动机 的转速 。当频率 0～5 0 H z 的范围内变化时 ，电动机转速调节范围 非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现 速度调节 的，是一种理想的高效率 、高性能的调速 手段 。 1 一 1 P 其 中n 一异步 电动机的转速 ；f _ _ 异步电动机的 频 率 ；s 一 电动 机转 差 率 ；p 一 _电动机 极对 数 。 1 _ 2 变频器特点 在实际应用中，变频器具有 以下优点 1 变频器可软启动 减小启动时对设备 的 机械 冲击 ，减少设备的磨损 ； 2可提高功率因素 变频器是把交流电整流 为直流电，通过滤波后 ，再逆变为交流 电，相对电 网的阻抗特性为阻性 ； 3 可改变转速 无级调速 转速可从0～ 额定转速 ，可取代减速箱，滑差电机 ； 4节约电能； 5带有各种 过流 、过压 、欠压 、接地 、 短路等 保护功能 使设备运行更可靠 ； 6可多段速运行 ，更加贴近生产机械运行 要求 。任意设定加减速时间，使设备启停更平稳 ； 7带有 通讯 接 口， 适全 自动化 控制 P C 卡 、P L C，能方便实现电子网络控制和监测。 2 变频器的选型及参数设定 针对原系统工况存在的问题 ，本厂采用施耐德 的节能型变频器A l t i v a r 7 1 ，由于该 系列的变频器采 用硬件和软件的电流限制进行过热保护 ，具有断电 安全功能 ，报警管理 ，外部故障管理 ，可定制显示 图形画面 ，可实现菜单间的轻易转换 ，可以快速起 动 A T V 7 1 ，并立即实现其全部性能 ，持续显示电机 的运行参数等特点，易于控制。 变频器的参数设定十分重要 ，设定不好 ，既不 能满足生产的需要 ，导致起动 、制动的失败 ，或工 作时常跳闸，严重时还会烧毁功率模块等器件。出 作者简介何亮 ，男，2 0 0 8 年毕业于湖北工业大学机 械设计制造及其 自动化专业 ，电气设计员 ，主要从事 C N G 控制开发方面的研究。 第 1 期 何 亮 变频器在C NG7 _ 然气压缩机 中的应用 4 7 厂时 ，参数都有一个默认值 ，这些参数值大多数可 不变动，只需根据控制需要把不合适的予以重新设 定 即可 。在本方案中，变频器 的参数 电机 的功率 2 2 0 k w、电流3 9 7 A、电压3 8 0 V、转 速9 8 0 r ／ rai n 、最 大频率5 0 H z ，正确设置以上参数之后 ，变频器基本 上能正常工作 。 3 天然气压缩机变频控制系统 3 ． 1 天然气压缩机变频控制系统原理 天然气 压缩机 变频 控制 系统选 用西 门子S 7 2 0 0 系 O P L C 和施耐德系列节能型变频器A l t i v a r 7 1 。 利用必备的信号采集设备和传感设备，将所需的气 压 、气温 、油温 、油 压 、电机 电流等 参 数送 入 P L C 进行处理 ，同时实现对压缩机的操作控制 、运 行显示和故障诊断及显示 、提供变频器需要的频率 设定 值 信息【 3 】 。 变频控制系统原理图如 图1 所示 。通过压力变 送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得 到偏差 ，经P I D 调节器计算出变频器作用于异步电 动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的 交流电，在电动机上得到相应的转速。那么天然气 压缩机输出对应的压缩空气输出至储气罐 ，使之压 力变化 ，直 到管 网压力 与给定压力值相 同。变频 器 ，压力变送器 、电机 、压缩机组成压力闭环控制 系统 自动调节 电机转速 ，使储气罐内空气压力稳定 在设定范围内，进行恒压控制。反馈压力与设定压 力进行比较运算，实时控制变频器的输出频率，从 而调节电机转速 ，使储气罐 内空气压力稳定在设定 压 力 匕 图1 天然气压缩机变频系统原理图 系统改造时保留原工频系统不变 ，增加变频系 统 ，当压缩机控制系统运行 ，变频系统 自动进人运 行状态 。本系统采用压力闭环调节方式 ，通过变频 器的控制面板设定空气压力定值 ，在储气罐上安装 个压力传感器。将气库压力信号转换为 0 ～1 0 V 的 电信号 ，反馈到变频器 内部的 P I D调节器 ，调节器 将信号与压力定值进行 比较运算 ，然后输 出控制信 号 ，变频器再根据此信号输出频率 ，调节电动机的 转速 ，使天然气压力保持稳定 ，这样空压机始终保 持在节电运行状态。 3 ． 2 P L G的接线图 P L C 的接线图如 图2 所示 其中R1 A，R 1 C 为故 障输 出点 ，当变频器出现故障 ，该点闭和 ，给 P L c 一个输入信号。R 2 A，R 2 C 为给定频率到达， 图2 PL G的接 线 图 4 8 江 汉 石 油 科 技 第 2 2 卷 主机启动时 ，变频器到达 了指定频率给P L C 一个输 入信号。A O 1 和C O M 为主机电流的模拟信号，传给 P L C 的模拟量模块。L 1 1 为启动信号 ，当P L C 控制 K M1 闭合后主机开始启动。L 1 3 为频率切换信号 ， 当P L C 接受到频率到达的信号后，再通过该点切换 频率。P L C 发出4 ～ 2 0 m A 电流信号，通过A I 2 控制转 速 。P L C 发出0 ～1 0 v 电压信号 ，通过A I 1 控制转速。 3 ． 3 天然气压缩机变频控制系统相关程序 当主电机启动完毕后 ，变频器输出一个信号给 p k ，p l c 通过监测主电机电流来控制变频器频率 ， 从而控制主电机转速I 4 l 。以下是控制电机 的相关程 序 ，如图3 所示 。 4 调试 图3 P L C控 制电机 的梯 形图 通过现场调试 ，随着进气压力的变化 ，电机的 T作速度成线性变化 ，如图4 所示。这样当进气压 力增大的时候 ，我们减小电机的转速 ，从而保证 了 电机的负载没有剧烈的波动，电机电流也就不会陡 然增大，很好的保证了电机的寿命 ，同时又保证 了 压缩机的排量 ，见表 1 所示。 工 作 转速 f p m 103 85O 785 72D 65O 6OO 。1 ． 1 5 。 2 ． 2 5 ．3 ／ ． 3 2 进 气压力b l P a 图4电机调 速示 意 图 表1 压缩机进气压力一对应工作转速一功率分档表 工作转速 r p m 0 ． 1 1 0 3 0 同步转速1 0 5 0 1 4 4 0 ． 1 4～0 ． 0 9 1 0 3 0 同步转 速 1 0 5 0 1 6 9 ． 5～1 3 7 0 ． 1 5 8 5 0 同步 转速8 6 5 1 5 4 0 ． 2～ 0 ． 1 5 7 8 5 同步转速8 0 0 l 6 3～1 4 1 ． 5 0 ． 2 5 ～0 ． 2 1 7 2 0 同步转速7 3 5 1 6 8 ～1 5 2 0 ． 3 2 0 ． 2 6 6 5 0 同步转速6 6 5 1 6 3 ～1 4 4 6 67 795～635 732 81 0～675 865～760 880～755 5 结束语 将改造后的天然气压缩机变频控制系统用于西 安的一个加气站 中，电动机从低速启动 ，冲击电流 小 ，电动机和压缩机运行平稳 ，节能降耗。由于变 频器具备较强的保护功能，降低了设备故障率。系 统压力更加稳定 ，提高了产品质量。变频器的使用 根治了天然气压缩机工作方式的缺陷，如工频启动 电流大，对电网的冲击大、机械设备磨损严重，设 备维护量大；输出压力的调节速度慢、波动大、不 稳定 、精度低 ，设备和工作情况不易监视 ，能耗偏 高等缺陷，是一种很好的选择。 参考文献 [ 1 】 张燕宾．变频调速应用实践[ M] ．北京机械工业出版 社 ，2 0 0 2 ． [ 2 ] 张燕宾．变频器应用教程【 M] ．北京 机械工业 出版 社 ，2 0 0 7 2 1 1 - 2 1 3 ． 【 3 】 左毅．P L C 控制与变频技术在矿井通风机上 的应用 [ J ] _矿 山机械 ，2 0 0 8 ， 71 1 - 1 4 ． 【 4 ． 杨兴瑶．电动机调速的原理及系统【 M ] ．北京机械工 业出版社 ，1 9 9 8 ． 编辑李智勇