空压机压力控制系统建模与动态特性研究

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空压机是-种气体压缩、输送设备，广泛应用于国民生产的各个领域。为了保证空压系统安收稿 日期 ：2012-12-28基金项 目：湖南势科技计划项 目 (201 1FJ2018)；湖南侍育厅项目 (11C0532)2013年01期(总第237期)全高效运行，对管网压力进行良好控制是十分必要的。目前，空压机压力控制主要有 2种方式：(1)普通的加、卸载模式是通过控制电机启、停的方式调节气压，当压力低于加载压力时电机启动，当压力高于卸载压力时电机停止； (2)变频模式是通过变频调速控制电机转速来调节气压， fi制cturl ng Proces当储气压力低于需求压力时，电机加速运行，而当储气压力高于需求压力时，电机减速运行。由于空压机使用量大，属能耗大户；提高空压机控制性能、减少其能耗成为空压机研制开发的热点问题。通用的节能方法主要是：通过合理配置输气管道，减少管道的压力损失与空气泄漏；合理润滑，采用低黏度润滑性能较好的润滑油来降低摩擦功耗；在保证实际用风量的同时旧能低设定空压机的排气压力，因为排气压力设定越低所消耗的轴功率越少；定期对空压机进行维护保养，发挥机器的最佳性能；另外还可以通过选择高效的电动机；或者寻求加、卸载运行工况下最优控制方案来达到节能的目的 。然而，这些措施并不能完全挖掘出空压机的节能潜力。目前 ，空压机绝大部分采用普通的异步感应电动机驱动 2J，采用非变频调速技术能源浪费严重 s ；随着 PWM技术4 ，矢量控制技术嘲，直接转矩控制技术 s等现代电机变频技术的发展，采用变频空压机替代定转速空压机成为目前和今后主要的节能措施，该方法不但避免了空压机频繁启停，而且具有显著的节能效果。现阶段空压机变频节能主要手段是采用空压机配置变频器，运行及保护多数采用PLC智能控制的方式。整个系统以输出压力作为控制对象，由压力传感器取出反馈信号，按压力的变动量决定 电动机的工作频率和转速的大小 ，实现 自动调节。在这方面：何凤有等将模糊 PID控制应用于由PLC和变频器组成的空压机恒压供气系统中 1；徐志花等采用压力变送器、人工智能调节器、变频器对螺杆式空压机进行节能改造 ㈣；孙立波等采用无呢制技术对空压机配置的矢量控制变频器进行改造，优化了空压机的各项运行参数，提高了装置的适应性 [1 ；钟美鹏等研究了- 种用直流无刷电动机驱动的直联式空压机，借鉴直接转矩控制的思想，根据直联式空压机负载的特点，提出了-种基于单片机的脉宽调制(PWM)变占空比控制方法 [121。这些研究工作对推动空压机运行控制优化起到了积极作用。

本文在综合分析现有文献基础上，构建了包括空压机储气罐子模型、电机予模型、控制子模型在内的空压机压力控制系统模型，并对空压机系统压力控制动态特性进行分析，为空压机的优24l 。

2 压缩空气供给系统建模2.1 空压机系统简介空压机系统-般由主机和电机系统、润滑和冷却系统、油气分离系统、气路系统、控制系统等组成，其中主机是空压机的核心部件，双螺杆空压机主机为-对互相啮合、相反旋向的螺旋形齿的转子。转子旋转时，齿间容积逐渐扩大，气体经吸气孔口进入齿间容积直到容积达到最大时，与吸气孔口断开，此时封闭齿间容积，完成吸气过程。之后转子继续旋转，容积也逐渐缩小，压缩过程中油在转子齿槽间形成-层油膜，不但可以避免金属与金属直接接触，还可以密封转子各部的间隙并吸收压缩热量。容积不断缩小的结果是将压缩后气体送到排气管，直到该容积最小时为止。图 l所示为-种螺杆空压机 (有油)系统结构简图。

对于图 1所示的空压机系统，为了保障其安全有效运行 ，-般通过对空压机系统中关键运行参数进行在线监控实现。主要包括：排气压力、排气温度 、电机温度、风扇电机温度、空气过滤器压差、油气分离器压差等多个参数。

1.油气分离器 2.压力控制器 3.显不器 4.最小压力阀5.温控阀 6.油过滤器 7.冷却器 8.空气过滤器 9.控制电磁阀 10.螺杆主机 1 1.电动机 12.、油罐 13.安全阀图 1空压机系统结构2.2 储气罐模型为了分析方便，对空压机储气罐作如下假设：(1)空压机储气罐在进、出气时，储气罐中的温度基本不变，这里假设储气罐中温度为 300K(热力学温度)；(2)储气罐在进、出气时，气体达到平衡状2013年01期(总第237期)-控 制 技tg Pro cessanufactudn 态的时间忽略不计 ，即瞬间平衡；(3)储气罐的进、出气口压力梯度很小，忽略压力梯度的影响；(4)设储气罐在未充气之前，储气罐中压力与外界压力平衡，约为-个标准大气压；(5)假定储气罐的容积为 1 m ，储气罐形状对气体状态无影响。

2.2.1 范德瓦尔方程式由于实际的气体只有在温度较高、压力较低时，才能近似的使用理想气体状态方程，因此采用实际气体状态方程式来描述储气罐中气体p- -联 系。范德瓦尔在 19世纪70年代对理想气体状态方程做了-定的修正，最先提出了实际气体状态方程式，如式 (1)所示。范德瓦尔方程定性地反映了气体的口- -联 系；在远离液态时，即使压力很高，方程计算值与实验值误差也较校范德瓦尔方程式如下(p )( m-6)RT (1)Vm式中 p--气体压力，常数a和b为范德瓦尔常数，随物质不同而异，其值分别为0.1358.0.0364--气体的摩尔体积- - 比例常数，对任意理想气体而言， 是- 定的，约为 8314·L/mol·K 热力学温度，单位为K2.2.2 空压机储气罐模型以螺杆空压机为研究对象，设电机功率 15 kW，额定转速为3000 r/min；电机每转-圈空压机从外界吸气-次 ，空压机平均每转吸入气体量约为 2.5L(折算到空压机储气罐初始条件状态)。

2.2.3 感应电机模型电输空压机采用三相感应电机，做如下理想化的假设：①电机定转子三相绕组完全对称；②定转子表面光滑、无齿槽效应，定转子每相气隙磁动势在空间呈正弦分布；③磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计。

三相感应 电机本质上是-个高阶、非线性 、强耦合的多变量系统。设幽旋转坐标系的d轴与转子磁场方向( ： )重合，异步电机的数学模型可用式 (2)～(5)表示 fl 1。

电压方程sd sdD -09MsqR 日qD%OR/IdDOR，/q d式中 D--微分算子， u --定子电压在d，g轴上分量， - 定子磁链在d，q轴上分量- - 转子磁链， 。- - 定子、转子电阻， - - 定子电流在d，g轴上分量， - - 转子电流在d，口轴上分量∞ --同步角速度- - 转差角速度磁链方程 8dLmiId Lj： sd十 ldOLjBq Tq转矩方程-p-2013年01期(总第237期)图2 空压机储气罐模型 W Manuf制acturi技ngpro术cess转子磁场啤鲁( -图3 空压机储气罐压力控制原理图式 (5)说明了转子磁场 唯-受定子电流的d轴的分量i 控制；式 (4)说明了当转子磁场不变的情况下，电动机的转矩只受定子电流在q轴的分量 控制。因此 ，通过这样的磁场定向，实现了电动机控制参数的解耦。

3 空压机压力控制系统策略空压机储气罐压力控制原理如图 3所示 ，压力控制采用以三相感应电机按转子磁场定向矢量控制为基础的电流反愧速度反劳压力反馈的三闭环控制结构 (电机变频控制)，其中速度反馈取驱动电机输出轴处的检测值。根据空压机控制要求得到-压力控制指令 与空压机压力变送器检测值P相比较，得到的差值经过 PI调节器输出驱动电机速度指令值09 ，与电动机转速检测值tO的差值经过PI调节器输出电动机转矩指令值 ，由和转子磁链观测值r可计算出dq旋转坐标系中q轴指令电流i 。转子磁链指令值 与 观测值 的差值，经过 PI调节得到指令值 并由此得到面旋转坐标系中口轴指令电流 。并通过控制PWM逆变器控制电动机定子的三相电流，实现对异步电26 瓣机变频调速控制，从而保证储气罐压力快速跟踪指令值。

4 系统仿真分析为了获得空压机系统动态特性，在 SIMULINK环境下构建了系统数值仿真模型，该模型集成了空压机系统储气罐子模型、电机子模型和压力控制子模型≌压机系统中，电机的仿真参数如表 1所示。在仿真系统中，驱动电机输入端给定 380V，50 Hz三相交流电。以下分别进行变频控制模式和加、卸载模式下的仿真分析。

4.1 变频模式仿真分析以储气罐压力为控制对象，将储气罐压力参考值设定为8bar，在tO S时用气量设为0 L/s，在t42 S时用气量变为 30 L/s，t52 S时为 130 L/s，t62 S时为 30 L/s，t72 S时为 160 L/s，用气量曲线如图4所示。得到的系统动态压力特性曲线如图5所示，图5(a)给出了储气罐压力p在0～80 s时间段内的整体变化趋势。

由图 5(b)可知，储气罐压力达到参考值(8bar)的时间为 45 s左右，系统稳定后超调量较小 ，稳态时储气罐压力在参考值附近波动；由图5(12)可知，在t52 s时，瞬间加大用气量到 130 L/s，压力0.5 s后下降至7.96 bar，约2 S后回到参考值附2013年01期(总第237期)控vlanuf制actufin技g pro ces 近；图5(d)显示在t62 s时，气量下降为30 s，压力稍有上升，之后快速回到参考值附近。从上述分析可知系统对用气量的变化能够快速反应，实际压力能快速跟踪参考值的变化。然而，在t72 s瞬表1 电机仿真参数参数名称 值 参数名称 值额定功率(kW) l5 定子电阻(n) 0.165额定电压(V) 350 转子电阻(n) O.1919额定转速(r/min) 30oo 定子电感(H) 0.002989额定转矩(N·m) 49 转子电感(H) 0.002989额定电流(A) 29.4 定转子互感fH) O.O811极对数(对) 2 转动惯量(kg/m2) 0.06751l601401201O0806。02OO0 10 2O 30 40 5O 60 70 80图 4 变频模式下用气量曲线言50.5 51 51.5 52 52.5 53 53.5 54 54.5 55t/s. (c)B处压力曲线8.108.058.O07.957.907.8571 71.5 72 72.5 73 73.5 74 74.5 75 75.5t/s(e)D处压力曲图-2013年叭期(总第237期)间加大用气量至 160 L/s后 (图5(e))，储气压力会-直下降，这是因为用气量已超过了空压机的最大吸气量。图5(f)为电机转速曲线，由图可知在仿真开始时，电机转速迅速增加到最大值 3000r/min，储气压力升至参考值后 ，由于此时用气量为 0 L/s，因而转速下降到0 r/rain；t42 S用气量变为3O L/s后，电机转速增加以维持系统气压平衡 ，转速呈现波动状态 ，这是因为空压机系统是- 个惯性系统，输入与输出之间存在时间延迟造成的；结合用气量变化曲线图4可知，系统转速随用气量的变化而变化，当用气量减少转速随之减小，反之亦然。

4.2 加、卸载模式仿真分析图 5所示空压机系统动态特性是基于图 3所示的控制模式 (变频模式)得到的，为了和普通加、卸载模式对比分析，以下对采用多台加、卸载模式空压机组成的供气系统进行了仿真分析。

当采用普通加、卸载模式控制储气压力时，-般采用压力叠加的方式控制空压机的动作。以5台空压机构成的供气系统为例，每台空压机的压差可设定8·108·O58·O0言7.957.907·857·807.75I诗瓣35003000250020001500100050o0.50061.5 62 62.5 63 63.5 64 64.5 65t/s(d)C处压力曲线0 10 20 3O 40 50 60 70 8Ot/s(f)电机转速曲线图 5 变频模式下仿真波形 纂为0.5 bar，分别从 6.8～7.3 bar到7.6-8.1 bar不等，当用气量变化导致储气压力变化时，分别启动不同的空压机进行运行〖虑到加 、卸载模式是 5台空压机供气 ，而变频模式为单台空压机供气 ，图6中设定的加、卸载模式下用气量值比图4中用气量 (电机变频模式)值要大，得到空压机储气罐压力响应曲线如图 7所示。

删旺Z-- 厂 O 5O l00 l50图6 加、卸载模式下用气量曲线图 7 加、卸载模式下压力响应 曲线由图 6和图7可知 ，压力波动范围在 6.8 bar到 8.1 bar之间 (最大波动压差 1.3bar)，在用气量波动比较小时系统的压力波动也相对较小；但在50 S、90 s、100 S、130 S这几个用气量波动比较大的点可以看出，用气量波动较大时系统的压力波动也较大。不难看出在用气量波动不大的情况下采用本控制方式是可行的，但在用气波动较大的诚不太适合。

5 结论论文对压缩空气供给系统进行了分析，构建了包括空压机储气罐子模型、电机子模型、控制子模型在内的空压机系统模型。分别进行了基于电机变频调速控制和加、卸载控制模式下的仿真分析，其中变频控制为基于电机转子磁场定向控制策略。采用文中的空压机变频控制策略，系统具有 良好的动、静态性能，能够根据用气量的变化自动调节转速大小，使压力比较精确的控制在28 瓣给定值附近。在普通加、卸载模式下，压力在p ～p～之间来回波动，当用气量波动不大时压力波动幅度较小 ；在用气量波动较大的诚 ，造成电机启动频繁的同时压力波动也会明显增大。