空壓機壓力控制系統建模與動(dòng)態(tài)特性研究

　　空壓機是種氣體壓縮、輸送設備，廣泛(extensive)應用于國民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域(field)。為了保證空壓系統(system)安基金項目(xiàng mù)：湖南省科科技計劃項目011FJ201S；湖南省教育(Education)廳全高效運行，對管網(wǎng)壓力進(jìn)行良好控制是十分必要的。目前，空壓機壓力控制主要有2種方式方法：（3）普通的加、卸載模式是通過(guò)控制電機啟、停的方式調節氣壓，當壓力低于加載壓力時(shí)電機啟動(dòng)，當壓力高于卸載壓力時(shí)電機停止；Q變頻模式是通過(guò)變頻調速控制電機轉速來(lái)調節氣壓，制技術(shù)當儲氣壓力低于需求壓力時(shí)，電機加速運行，而當儲氣壓力高于需求壓力時(shí)，電機減速運行。由于空壓機使用量大，屬能耗大戶(hù)；提高(空壓機控制性能、減少其能耗成為空壓機研制開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)問(wèn)題。通用的節能方法主要是：通過(guò)合理配置輸氣管道，減少管道的壓力損失與空氣泄漏；合理潤滑(lubricating)，采用低黏度（viscosity)潤滑性能較好的潤滑油來(lái)降低摩擦功耗；在保證實(shí)際用風(fēng)量的同時(shí)盡可能（maybe)低設定空壓機的排氣壓力，因為排氣壓力設定越低所消耗的軸功率（指物體在單位時(shí)間內所做的功的多少）越少；定期對空壓機進(jìn)行維護保養，發(fā)揮機器的最佳性能；另外還可以通過(guò)選擇高效的電動(dòng)機；或者尋求加、卸載運行工況下最優(yōu)控制方案來(lái)達到節能的目的W.然而，這些措施并不能完全挖掘出空壓機的節能潛力（指個(gè)人能力發(fā)展的可能性)。目前，空壓機絕大部分采用普通的異步感應電動(dòng)機驅動(dòng)％采用非變頻調速技術(shù)能源（解釋:向自然界提供能量轉化的物質(zhì))浪費嚴重隨著(zhù)PWM技術(shù)矢（shǐ）量控制技術(shù)％直接轉矩控制技術(shù)等現代電機變頻技術(shù)的發(fā)展，采用變頻空壓機替代定轉速空壓機成為目前和今后主要的節能措施，該方法不但避免了空壓機頻繁（frequency)啟停，而且具有顯著(zhù)的節能效果?，F階段空壓機變頻節能主要手段是采用空壓機配置變頻器，運行及保護多數采用PLC智能控制的方式。整個(gè)系統以輸出壓力作為控制對象，由壓力傳感器取出反饋信號，按壓力的變動(dòng)量決定電動(dòng)機的工作頻率和轉速的大小，實(shí)現自動(dòng)調節。在這方面：何鳳有等將模糊PID控制應用于由PLC和變頻器組成的空壓機恒壓供氣系統中p；徐志花等采用壓力變送器、人工智能調節器、變頻器對螺桿式空壓機進(jìn)行節能改造；孫立波等采用無(wú)?？刂萍夹g(shù)對空壓機配置的矢量控制變頻器進(jìn)行改造，優(yōu)化了空壓機的各項運行參數，提高了裝置(Apparatus)的適應性鐘美鵬等研究了種用直流無(wú)刷電動(dòng)機驅動(dòng)的直聯(lián)式空壓機，借鑒直接轉矩控制的思想，根據直聯(lián)式空壓機負載的特點(diǎn)，提出了一種基于單片機的脈寬調制（PWI變占空比控制方法。這些研究工作對推動(dòng)空壓機運行控制優(yōu)化起到了積極作用。
　　本文在綜合分析(Analyse)現有基礎上，構建了包括空壓機儲氣罐子模型、馬達子模型、控制子模型在內的空壓機壓力(pressure)控制系統模型，并對空壓機系統壓力控制動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，為空壓機的優(yōu)化控制提供理論依據。
　　2壓縮空氣供給系統(system)建模2.1空壓機系統簡(jiǎn)介空壓機系統一般由主機和電機系統、潤滑和冷卻系統、油氣分離系統、氣路系統、控制系統等組成，其中主機是空壓機的核心部件，雙螺桿空壓機主機為一對互相嚙合、相反旋向的螺旋形齒的轉子。昆山空壓機維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)自潔式空氣過(guò)濾器被吸入，通過(guò)PLC自動(dòng)清洗過(guò)濾器，空氣在經(jīng)過(guò)進(jìn)口導葉自動(dòng)調節后進(jìn)入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級壓縮系統轉子旋轉時(shí)，齒間容積(Capacity)逐漸擴大，氣體(gas)經(jīng)吸氣孔口進(jìn)入齒間容積直到容積達到最大時(shí)，與吸氣孔口斷開(kāi)，此時(shí)封閉齒間容積，完成吸氣過(guò)程。之后轉子繼續旋轉，容積也逐漸縮小，壓縮過(guò)程中油在轉子齒槽間形成層油膜，不但可以避免金屬與金屬直接接觸(contact)，還可以密封轉子各部的間隙并吸收壓縮熱量(Heat)。容積不斷縮小的結果(result)是將壓縮后氣體送到排氣管，直到該容積最小時(shí)為止。所示為種螺桿空壓機（有油）系統結構(5圖。
　　對于所示的空壓機系統，為了保障其安全有效運行，一般通過(guò)對空壓機系統中關(guān)鍵運行參數進(jìn)行在線(xiàn)監控實(shí)現。主要包括：排氣壓力、排氣溫度、電機溫度、風(fēng)扇電機溫度、全氣過(guò)濾器壓差、油氣分離器壓差等多個(gè)參數。
　　1.油氣分離器2.壓力控制（control)器3.顯示器4.最小壓力閥5.溫控閥6.油過(guò)濾(filter)器（作用：過(guò)濾雜質(zhì)等）7.冷卻(cooling)器8.空氣過(guò)濾器9.控制電磁閥10.螺桿主機11.電動(dòng)(electric)機12.油罐13.安全閥（作用：控制壓力不超過(guò)規定值）為了分析方便，對空壓機儲氣罐作如下假設：0）空壓機儲氣罐在進(jìn)、出氣時(shí)，儲氣罐中的溫度基本不變，這里假設儲氣罐中溫度為300K熱力學(xué)溫度；Q儲氣罐在進(jìn)、出氣時(shí)，氣體(gas)達到平衡狀態(tài)的時(shí)間忽略不計，即瞬間平衡；Q儲氣罐的進(jìn)、出氣口壓力梯度很小，忽略壓力梯度的影響；（4設儲氣罐在未充氣之前，儲氣罐中壓力與外界壓力平衡，約為一個(gè)標準大氣壓；假定儲氣罐的容積為1m3，儲氣罐形狀對氣體狀態(tài)無(wú)影響。昆山空壓機保養主要噪聲源是進(jìn)、排氣口，應選用適宜的進(jìn)排氣消聲器?？諌簷C進(jìn)氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進(jìn)氣消聲器應選用抗性結構或以個(gè)、抗性為主的阻抗復合式結構?？諌簷C的排氣氣壓大，氣流速度高，應在空壓機排氣口使用小孔消聲器昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。
　　2.2.1范德瓦爾方程式由于實(shí)際的氣體(gas)只有在溫度（temperature)較高、壓力較低時(shí)，才能近似的使用(use)理想氣體狀態(tài)方程，因此采空壓機(compressor)采用三相感應電機，做如下理想化的假設：
　?、匐姍C定轉子三相繞組完全對稱(chēng)；
　?、诙ㄞD子（rotor）表面光滑、無(wú)齒槽效應(effect)，定轉子每相氣隙磁動(dòng)勢在空間呈正弦分布；
　?、鄞棚柡?、渦流及鐵心損耗忽略不計。
　　三相感應馬達本質(zhì)上是個(gè)高階、非線(xiàn)性、強耦合的多變量系統(system)。設甸旋轉坐標系的d軸與轉子磁場(chǎng)方向0=幻重合，異步電機的數學(xué)模型可用式~0表示。
　　用實(shí)際氣體(gas)狀態(tài)方程式來(lái)描述儲氣罐中氣體p-F-r關(guān)系。范德瓦爾在19世紀70年代對理想氣體狀態(tài)方程做了定的修正，最先提出了實(shí)際氣體狀態(tài)方程式，如。
　　2.2.3感應馬達模型Usi，Wa，定子電壓在￠/軸上分量%――轉子（rotor）磁鏈R3，Rt――定子、轉子電阻4d，4q定子電流在山軸上分量Cs同步角速度叫一轉差角速度磁鏈方程少sd=孔德文，林惟鋟，蔡茂林，等。昆山空壓機保養在空壓機的進(jìn)、排氣口安裝消聲器或設置消聲坑道以后，氣流噪聲可以降到80db(a)以下，但空壓機的機械噪聲和電機噪聲仍然很高，因此還應在空壓機的機組上安裝隔聲罩。4、懸掛空間吸聲體：在佛山凌格風(fēng)空壓機站，高大空曠的廠(chǎng)房混響很重。昆山空壓機保養主要噪聲源是進(jìn)、排氣口，應選用適宜的進(jìn)排氣消聲器?？諌簷C進(jìn)氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進(jìn)氣消聲器應選用抗性結構或以個(gè)、抗性為主的阻抗復合式結構?？諌簷C的排氣氣壓大，氣流速度高，應在空壓機排氣口使用小孔消聲器螺桿空壓機加、卻載工況下節能運行分析(Analyse)。北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2012，38（FuzzyLogic何鳳有，鮑衛，湯，等?；谀：齈ID控制（control)器的空壓機恒壓供氣系統的設計。工礦自動(dòng)化，2010，（1）徐志花。螺桿式空壓機的變頻（frequency conversion)節能改造。能源與環(huán)境，2009，（6）：29-31.孫立波，張宏英?？諌簷C無(wú)?？刂萍夹g(shù)。油氣田地面工鐘美鵬，鄭水英，潘曉弘。直聯(lián)式空壓機PWM變占空比李永東。交流電機數字(Resources)控制系統。北京：機械工業(yè)(gōng yè)出在線(xiàn)檢測與監控、精密計量測試，發(fā)表論文30多篇。