空壓機壓力控制系統(tǒng)建模與動態(tài)特性研究

　　空壓機是種氣體壓縮、輸送設(shè)備，廣泛(extensive)應(yīng)用于國民生產(chǎn)的各個領(lǐng)域(field)。為了保證空壓系統(tǒng)(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、卸載模式是通過控制電機啟、停的方式調(diào)節(jié)氣壓，當壓力低于加載壓力時電機啟動，當壓力高于卸載壓力時電機停止；Q變頻模式是通過變頻調(diào)速控制電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)氣壓，制技術(shù)當儲氣壓力低于需求壓力時，電機加速運行，而當儲氣壓力高于需求壓力時，電機減速運行。由于空壓機使用量大，屬能耗大戶；提高(空壓機控制性能、減少其能耗成為空壓機研制開發(fā)的熱點問題。通用的節(jié)能方法主要是：通過合理配置輸氣管道，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降低摩擦功耗；在保證實際用風量的同時盡可能（maybe)低設(shè)定空壓機的排氣壓力，因為排氣壓力設(shè)定越低所消耗的軸功率（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少）越少；定期對空壓機進行維護保養(yǎng)，發(fā)揮機器的最佳性能；另外還可以通過選擇高效的電動機；或者尋求加、卸載運行工況下最優(yōu)控制方案來達到節(jié)能的目的W.然而，這些措施并不能完全挖掘出空壓機的節(jié)能潛力（指個人能力發(fā)展的可能性)。目前，空壓機絕大部分采用普通的異步感應(yīng)電動機驅(qū)動％采用非變頻調(diào)速技術(shù)能源（解釋:向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì))浪費嚴重隨著PWM技術(shù)矢（shǐ）量控制技術(shù)％直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)等現(xiàn)代電機變頻技術(shù)的發(fā)展，采用變頻空壓機替代定轉(zhuǎn)速空壓機成為目前和今后主要的節(jié)能措施，該方法不但避免了空壓機頻繁（frequency)啟停，而且具有顯著的節(jié)能效果?，F(xiàn)階段空壓機變頻節(jié)能主要手段是采用空壓機配置變頻器，運行及保護多數(shù)采用PLC智能控制的方式。整個系統(tǒng)以輸出壓力作為控制對象，由壓力傳感器取出反饋信號，按壓力的變動量決定電動機的工作頻率和轉(zhuǎn)速的大小，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。在這方面：何鳳有等將模糊PID控制應(yīng)用于由PLC和變頻器組成的空壓機恒壓供氣系統(tǒng)中p；徐志花等采用壓力變送器、人工智能調(diào)節(jié)器、變頻器對螺桿式空壓機進行節(jié)能改造；孫立波等采用無?？刂萍夹g(shù)對空壓機配置的矢量控制變頻器進行改造，優(yōu)化了空壓機的各項運行參數(shù)，提高了裝置(Apparatus)的適應(yīng)性鐘美鵬等研究了種用直流無刷電動機驅(qū)動的直聯(lián)式空壓機，借鑒直接轉(zhuǎn)矩控制的思想，根據(jù)直聯(lián)式空壓機負載的特點，提出了一種基于單片機的脈寬調(diào)制（PWI變占空比控制方法。這些研究工作對推動空壓機運行控制優(yōu)化起到了積極作用。
　　本文在綜合分析(Analyse)現(xiàn)有基礎(chǔ)上，構(gòu)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(nèi)的空壓機壓力(pressure)控制系統(tǒng)模型，并對空壓機系統(tǒng)壓力控制動態(tài)特性進行分析，為空壓機的優(yōu)化控制提供理論依據(jù)。
　　2壓縮空氣供給系統(tǒng)(system)建模2.1空壓機系統(tǒng)簡介空壓機系統(tǒng)一般由主機和電機系統(tǒng)、潤滑和冷卻系統(tǒng)、油氣分離系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)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(zhuǎn)子。昆山空壓機維修工作時，空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入，通過PLC自動清洗過濾器，空氣在經(jīng)過進口導(dǎo)葉自動調(diào)節(jié)后進入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進入中間冷卻器進行冷卻(水走管內(nèi)，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進入二級壓縮系統(tǒng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，齒間容積(Capacity)逐漸擴大，氣體(gas)經(jīng)吸氣孔口進入齒間容積直到容積達到最大時，與吸氣孔口斷開，此時封閉齒間容積，完成吸氣過程。之后轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，容積也逐漸縮小，壓縮過程中油在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子各部的間隙并吸收壓縮熱量(Heat)。容積不斷縮小的結(jié)果(result)是將壓縮后氣體送到排氣管，直到該容積最小時為止。所示為種螺桿空壓機（有油）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(5圖。
　　對于所示的空壓機系統(tǒng)，為了保障其安全有效運行，一般通過對空壓機系統(tǒng)中關(guān)鍵運行參數(shù)進行在線監(jiān)控實現(xiàn)。主要包括：排氣壓力、排氣溫度、電機溫度、風扇電機溫度、全氣過濾器壓差、油氣分離器壓差等多個參數(shù)。
　　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.油過濾(filter)器（作用：過濾雜質(zhì)等）7.冷卻(cooling)器8.空氣過濾器9.控制電磁閥10.螺桿主機11.電動(electric)機12.油罐13.安全閥（作用：控制壓力不超過規(guī)定值）為了分析方便，對空壓機儲氣罐作如下假設(shè)：0）空壓機儲氣罐在進、出氣時，儲氣罐中的溫度基本不變，這里假設(shè)儲氣罐中溫度為300K熱力學(xué)溫度；Q儲氣罐在進、出氣時，氣體(gas)達到平衡狀態(tài)的時間忽略不計，即瞬間平衡；Q儲氣罐的進、出氣口壓力梯度很小，忽略壓力梯度的影響；（4設(shè)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)無影響。昆山空壓機保養(yǎng)主要噪聲源是進、排氣口，應(yīng)選用適宜的進排氣消聲器?？諌簷C進氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進氣消聲器應(yīng)選用抗性結(jié)構(gòu)或以個、抗性為主的阻抗復(fù)合式結(jié)構(gòu)?？諌簷C的排氣氣壓大，氣流速度高，應(yīng)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(shè)備?？諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應(yīng)用程序。
　　2.2.1范德瓦爾方程式由于實際的氣體(gas)只有在溫度（temperature)較高、壓力較低時，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(yīng)電機，做如下理想化的假設(shè)：
　　①電機定轉(zhuǎn)子三相繞組完全對稱；
　?、诙ㄞD(zhuǎn)子（rotor）表面光滑、無齒槽效應(yīng)(effect)，定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁動勢在空間呈正弦分布；
　?、鄞棚柡汀u流及鐵心損耗忽略不計。
　　三相感應(yīng)馬達本質(zhì)上是個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)(system)。設(shè)甸旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸與轉(zhuǎn)子磁場方向0=幻重合，異步電機的數(shù)學(xué)模型可用式~0表示。
　　用實際氣體(gas)狀態(tài)方程式來描述儲氣罐中氣體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，最先提出了實際氣體狀態(tài)方程式，如。
　　2.2.3感應(yīng)馬達模型Usi，Wa，定子電壓在￠/軸上分量%――轉(zhuǎn)子（rotor）磁鏈R3，Rt――定子、轉(zhuǎn)子電阻4d，4q定子電流在山軸上分量Cs同步角速度叫一轉(zhuǎn)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(yǎng)在空壓機的進、排氣口安裝消聲器或設(shè)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(yīng)在空壓機的機組上安裝隔聲罩。4、懸掛空間吸聲體：在佛山凌格風空壓機站，高大空曠的廠房混響很重。昆山空壓機保養(yǎng)主要噪聲源是進、排氣口，應(yīng)選用適宜的進排氣消聲器。空壓機進氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進氣消聲器應(yīng)選用抗性結(jié)構(gòu)或以個、抗性為主的阻抗復(fù)合式結(jié)構(gòu)?？諌簷C的排氣氣壓大，氣流速度高，應(yīng)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(jié)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(wèi)，湯，等?；谀：齈ID控制（control)器的空壓機恒壓供氣系統(tǒng)的設(shè)計。工礦自動化，2010，（1）徐志花。螺桿式空壓機的變頻（frequency conversion)節(jié)能改造。能源與環(huán)境，2009，（6）：29-31.孫立波，張宏英?？諌簷C無?？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(shù)字(Resources)控制系統(tǒng)。北京：機械工業(yè)(gōng yè)出在線檢測與監(jiān)控、精密計量測試，發(fā)表論文30多篇。