空氣壓縮機的運行控制系統及空氣壓縮機的運行控制方法
【專利摘要】提供了一種空氣壓縮機的運行控制系統，包括：電機，其用于為空氣壓縮機提供動力；壓力傳感器，其用于檢測空氣壓縮機的供氣壓力；進氣閥，其用于通過控制空氣壓縮機的進氣口來控制空氣壓縮機的加載和卸載；以及變頻器，其具有與電機連接的用于控制電機運行的第一控制端口、與進氣閥連接的用于控制進氣閥的第二控制端口以及與壓力傳感器連接的用于獲取供氣壓力的反饋壓力輸入端口。本發明還提供了一種基于所述運行控制系統的相應的空氣壓縮機的運行控制方法。該系統和方法穩定、可靠、簡易且提高了節能率。
【專利說明】空氣壓縮機的運行控制系統及空氣壓縮機的運行控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種空氣壓縮機的運行控制系統，以及涉及一種利用所述運行控制系統控制空氣壓縮機運行的方法。
【背景技術】
[0002]空氣壓縮機廣泛應用于工業、農業、建筑業等諸多行業中，是氣源裝置中的主體，它是一種將原動機(通常是電機)的機械能轉換成氣體壓力能的裝置。
[0003]傳統的空氣壓縮機運行方式，一般采用星三角減壓啟動，啟動后全壓或全速(工頻)運行。此方式啟動電流大，對電網電壓沖擊大，在用氣量少或空載運行時，電能浪費嚴重。
[0004]通過采用變頻器控制空氣壓縮機的電機運行，可以有效地解決上述問題。特別是同時采用空氣壓縮機專用控制器和變頻器的系統，對加載和卸載時間點的控制更加靈活和精確，使空氣壓縮機的運行穩定性和可靠性更高。但是，現有的采用變頻器技術的空氣壓縮機，還存在以下至少一個以上的缺點:
[0005]1.采用獨立外置的PID調節器，增加了設備成本；
[0006]2.變頻器在供電電網欠壓或負載過流或負載過載時跳保護，造成空氣壓縮機意外停機；
[0007]3.必須裝有空氣壓縮機專用控制器，這限制了變頻器在傳統空氣壓縮機上的最佳應用；
[0008]4.空氣壓縮機專用控制器擁有對空氣壓縮機的絕對控制權，無法發揮變頻器所具有的各種故障保護功能的優勢。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是提供一種能夠克服上述至少一種缺點的空氣壓縮機的運行控制系統以及一種利用所述運行控制系統控制空氣壓縮機運行的方法。
[0010]根據本發明的一個方面，提供了一種空氣壓縮機的運行控制系統，包括:電機，其用于為空氣壓縮機提供動力；壓力傳感器，其用于檢測空氣壓縮機的供氣壓力；進氣閥，其用于通過控制空氣壓縮機的進氣口來控制空氣壓縮機的加載和卸載；以及變頻器，其具有與電機連接的用于控制電機運行的第一控制端口、與進氣閥連接的用于控制進氣閥的第二控制端口以及與壓力傳感器連接的用于獲取供氣壓力的反饋壓力輸入端口。
[0011]優選地，所述變頻器具有內置的PID調節器，所述PID調節器根據檢測到的供氣壓力控制電機運行，以使供氣壓力達到設定值。通過內置的PID調節器，可以方便地對供氣壓力進行恒壓控制。
[0012]優選地，所述運行控制系統還包括用于啟動或停止變頻器的運行的啟停裝置。通過該啟停裝置，可以對變頻器的啟動和停止進行控制。
[0013]優選地，所述進氣閥設置在通到空氣壓縮機的進氣口的進氣管路上。這樣，提供了一種空氣壓縮機加載和卸載的控制方式。
[0014]根據本發明的另一方面，提供了一種利用上述運行控制系統控制空氣壓縮機運行的方法，所述方法包括以下步驟:在進氣閥關閉狀態下，當控制電機運行的變頻器檢測到供氣壓力低于設定的下限壓力時，變頻器打開進氣閥，使空氣壓縮機加載；和/或在進氣閥打開狀態下，當控制電機運行的變頻器檢測到供氣壓力高于設定的上限壓力時，變頻器關閉進氣閥，使空氣壓縮機卸載。
[0015]優選地，當在進氣閥關閉狀態下檢測到供氣壓力低于設定的下限壓力時，首先使電機運行至設定的加載頻率，然后延遲地打開進氣閥，以使空氣壓縮機在所述加載頻率下加載。所述延遲可以確保在打開進氣閥時電機的轉速達到穩定。這使得變頻器和電機在最佳運行狀態下進行加載，既利于提高加載成功率，又利于提高節能率。
[0016]優選地，變頻器通過其內置的PID調節器根據檢測到的供氣壓力控制電機的運行速度，以使供氣壓力達到預定的供氣壓力。通過內置的PID調節器，可以方便地對供氣壓力進行恒壓控制。
[0017]優選地，使電機在進氣閥打開的帶載狀態下的運行頻率不低于設定的下限帶載頻率。這可防止電機因低轉速帶載運行而損壞。
[0018]優選地，當電機以所述下限帶載頻率運行超過預定時間時，關閉進氣閥，防止電機在下限帶載頻率下長時間帶載運行。
[0019]優選地，當在進氣閥打開狀態下檢測到以下至少一種故障:供電電網欠壓、變頻器和/或電機過流、變頻器和/或電機過載時，變頻器關閉進氣閥，給電機卸載。這樣，既達到了對電機和變頻器實施保護的目的，又可降低空氣壓縮機意外停機的概率。
[0020]優選地，在進氣閥打開狀態下檢測到變頻器和/或電機過載故障時，變頻器首先降頻運行，降低電機的運行速度，如果繼續過載，則關閉進氣閥。這提供了另外一種應對變頻器和/或電機過載故障的方式，這種方式降低了空氣壓縮機卸載的頻度，進一步提高了節能率。
[0021]優選地，當進氣閥關閉后，電機延時地運行至設定的休眠頻率(休眠頻率等于零時，等效于停機)。讓電機保持一定的轉速有利于在加載時快速地提升電機轉速，合理的休眠頻率可以在節能率和加載速度之間達到平衡點。所述延時用于確保卸載順利完成。
[0022]優選地，在供氣壓力與設定的上限壓力或下限壓力比較時，通過采取防誤判措施防止反饋壓力的瞬間異常波動引起誤判。這可防止因誤判而使得空氣壓縮機頻繁地加載和卸載。
[0023]優選地，所述防誤判措施為:在兩個或多個間隔開的時間點檢測供氣壓力并取平均值，然后將該平均值與設定的上限壓力或下限壓力進行比較判斷；或在兩個或多個間隔開的時間點檢測供氣壓力，只有當所有檢測到的供氣壓力全部高于設定的上限壓力或低于設定的下限壓力才做出相應判斷。這提供了一種簡單、易于實施的防誤判措施。
[0024]根據本發明的空氣壓縮機的運行控制系統和方法，由變頻器直接控制壓縮機進氣閥，實現壓縮機進氣閥與電機轉速的智能控制，可省去空壓機專用控制器和獨立外置的PID調節器，既提高了系統穩定性，又提高了節能率，還可降低成本或系統復雜度。
【專利附圖】
【附圖說明】[0025]下面，將參看附圖更詳細地描述本發明，通過該詳細的描述，本領域的技術人員可以更好地理解本發明的特征和優點。附圖包括:
[0026]圖1示出了根據本發明的空氣壓縮機的運行控制系統的一個示例性實施例；以及
[0027]圖2示出了根據本發明的空氣壓縮機的運行控制方法的一個示例性實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面，將參看圖1詳細地描述根據本發明的空氣壓縮機的運行控制系統的一個示例性實施例。
[0029]空氣壓縮機8包括電機5、壓縮機6、供氣管路9和與所述供氣管路9連接的儲氣罐7，被壓縮的空氣經過供氣管路9存入到儲氣罐7中，儲氣罐7再通過另一供氣管路10連接到用氣設備U。
[0030]如圖1所示，根據一個示例性實施例的空氣壓縮機的運行控制系統包括:變頻器
1、啟停裝置2、壓力傳感器3、進氣閥4和電機5。啟停裝置2可安裝在空氣壓縮機8的任何合適位置處，用于啟動或停止變頻器I的運行，它的表現形式可以是啟停按鈕，也可以是變頻器面板，或者是空氣壓縮機專用控制器面板。壓力傳感器3可安裝在空氣壓縮機8的另一供氣管路10上或如圖1所示地連接到儲氣罐7，用于通過變頻器I的反饋壓力輸入端口向變頻器I實時地反饋供氣氣壓，以便為隨后的控制提供依據。對于本領域的技術人員來說，壓力傳感器3只要能夠檢測到空氣壓縮機8向用氣設備11供氣的供氣壓力即可。進氣閥4通常安裝在壓縮機6的進氣口上，用于控制空氣壓縮機8的加載和卸載。當然，進氣閥4也可安裝在壓縮機6的進氣管路中。電機5作為動力源用于控制空氣壓縮機8的產氣速度。根據本發明，進氣閥4和電機5均受變頻器I控制。
[0031]圖2示出了根據本發明的基于圖1所示的運行控制系統的運行控制方法的一個示例性實施例的流程圖。
[0032]通常，根據空氣壓縮機8的應用場合，可為空氣壓縮機8設定一工作壓力范圍，使空氣壓縮機8在該工作壓力范圍內運行。該工作壓力范圍由上、下限壓力限定。該上、下限壓力可由用戶通過變頻器I設定。在大部分應用場合下，需要恒壓控制空氣壓縮機8，這樣，就還需要為空氣壓縮機8設定一預定壓力，使空氣壓縮機8的供氣壓力處于該預定壓力下。在這種情況下，也往往需要為空氣壓縮機8設定某一包含該預定壓力的工作壓力范圍，在空氣壓縮機8的供氣壓力超出該工作壓力范圍時，通過所述運行控制系統干預空氣壓縮機8的運行，以達到節能和防止空氣壓縮機8損壞的目的。具體的工作壓力范圍和預定壓力可由用戶根據具體情況例如空氣壓縮機本身的性能、用氣設備的需求等設定。
[0033]如圖2所示，在進氣閥4關閉狀態下，當反饋壓力小于給定的下限壓力時，變頻器I啟動電機5，使電機運行至加載頻率(F2)，然后延遲地打開進氣閥4，以便在電機5達到某一轉速、即達到某一加載頻率時才使壓縮機6加載，即保障變頻器I在輕載情況下啟動。在加載頻率下加載，目的是使變頻器I和電機5在良好的條件下承受負載。在進氣閥4打開狀態下，當反饋壓力大于給定的上限壓力時，則首先通過變頻器I關閉進氣閥4，S卩，首先給壓縮機6卸載，然后經過一段時間的延時后(Tl)，變頻器I運行至休眠頻率(F1)，使電機5在輕載狀態下保持低速轉動或停止轉動。在進氣閥4打開狀態下，當反饋壓力不大于給定的上限壓力時，即空氣壓縮機8處于正常產氣狀態時，可以按預定算法基于反饋壓力通過變頻器I控制電機5的運行速度，進而對供氣壓力進行調節和控制，例如根據設定的介于上、下限壓力之間的預定壓力進行恒壓調節，即將供氣壓力向著該預定壓力調節。
[0034]在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。
[0035]因此，對于本領域的技術人員來說，當空氣壓縮機8處于正常產氣狀態時，可以采用PID控制方法基于預定壓力對供氣壓力進行恒壓調節和控制。目前常用的變頻器內部通常內置有PID調節功能，因此，在需要進行恒壓調節的情況下，可利用變頻器內部的PID調節功能進行恒壓調節。這樣，變頻器I同時實現了對進氣閥4的開關控制(加載和卸載控制)和電機5轉速的智能控制，既提高了系統穩定性，又提高了節能效率。
[0036]當然，在本發明的范圍內，也可采用其他任何合適的算法和調節裝置通過變頻器I對電機5實施控制，進而對供氣壓力進行控制。
[0037]在電機5帶載(即在進氣閥4打開狀態下)運行時，為了防止電機5在過低頻率下運行而使得負載轉矩和電機散熱滿足不了要求，變頻器I可設定一下限帶載頻率，使得電機5最低在該下限帶載頻率下帶載運行，從而防止電機在過低頻率下長時間運行時損壞。必要時，還可以在變頻器以下限帶載頻率運行超過預定時間時，關閉進氣閥，確保電機在下限帶載頻率下帶載運行不超過該預定時間，進一步防止電機5在下限帶載頻率下因長時間運行而損壞。
[0038]根據以上所述，本發明的空氣壓縮機的運行控制方法具體包括以下步驟:為空氣壓縮機設定工作壓力范圍，所述工作壓力范圍由下限壓力和上限壓力限定；變頻器I控制電機5運行，在進氣閥4關閉狀態下，當變頻器I檢測到供氣壓力低于下限壓力時，打開進氣閥4，使壓縮機6加載。在進氣閥4打開狀態下，當檢測到供氣壓力高于上限壓力時，變頻器I關閉進氣閥4，使壓縮機6卸載。
[0039]如上所述，為空氣壓縮機設定加載頻率，當在進氣閥4關閉狀態下檢測到供氣壓力低于下限壓力時，首先使電機5運行至所述加載頻率，然后延遲地打開進氣閥4，以使壓縮機6在所述加載頻率下加載。所述延遲可以確保在打開進氣閥4時電機5的轉速達到穩定，這使得變頻器和電機在最佳運行狀態下進行加載，既利于提高加載成功率，又利于提高節能率。
[0040]在進氣閥4打開狀態下當變頻器檢測到以下至少一種故障:供電電網欠壓、變頻器I和/或電機5過流、變頻器I和/或電機5過載時，變頻器I關閉進氣閥4，給電機5和變頻器I卸載。這樣既達到了對電機5和變頻器I實施保護的目的，又可降低空氣壓縮機意外停機的概率。
[0041]優選地，在進氣閥4打開狀態下當變頻器檢測到變頻器和/或電機過載故障時，變頻器I還可以降頻運行，降低電機5的運轉速度，如果繼續過載，才關閉進氣閥4。這提供了另外一種應對變頻器I和/或電機5過載故障的方式，這種方式降低了空氣壓縮機卸載的頻度，進一步提高了節能率。[0042]為空氣壓縮機設定一休眠頻率，當進氣閥4關閉后，電機5延時地運行至該休眠頻率(休眠頻率等于零時，等效于停機)。讓電機保持一定的轉速有利于在加載時快速地提升電機5的轉速，合理的休眠頻率可以在節能率和加載速度之間達到平衡點。所述延時用于確保卸載順利完成。
[0043]為了進一步提高空氣壓縮機的運行性能，防止反饋壓力的瞬間異常波動導致誤判而使得變頻器頻繁地對進氣閥進行控制，可以采用多次比較的方法，例如兩次比較的方法，即，當判斷出反饋壓力低于下限壓力或高于上限壓力時，先不按圖2所示的那樣立即進入加載過程或卸載過程，而是經過一段時間之后，再判斷一次，如果判斷結果沒有變化，則立即進入加載過程或卸載過程，如果判斷結果有變化，則接著再間隔一段時間進行下一次判斷，依次類推。當然，也可采用其他任何合適的判斷方法，例如，可以將某一段時間內的反饋壓力的平均值與上限壓力和下限壓力進行比較。
[0044]對于本領域的技術人員來說，本發明所述的變頻器，泛指采用變頻技術的電機控制裝置。
[0045]根據本發明的空氣壓縮機的運行控制系統和運行控制方法，變頻器同時用作電機轉速控制部件和進氣閥控制部件，從而能使變頻器工作在最佳狀態下，大大降低了過流或過載等故障發生率。也就是說，根據本發明的空氣壓縮機的運行控制系統和運行控制方法，由變頻器直接控制壓縮機進氣閥，實現了壓縮機進氣閥與電機轉速的智能控制，可省去空壓機專用控制器和獨立外置的PID調節器，既提高了系統穩定性，又提高了節能效率，還可降低成本或系統復雜度，同時保證電機在正常的頻率范圍內運行。
【權利要求】
1.一種空氣壓縮機的運行控制系統，包括: 電機，其用于為空氣壓縮機提供動力； 壓力傳感器，其用于檢測空氣壓縮機的供氣壓力； 進氣閥，其用于通過控制空氣壓縮機的進氣口來控制空氣壓縮機的加載和卸載；以及變頻器，其具有與電機連接的用于控制電機運行的第一控制端口、與進氣閥連接的用于控制進氣閥的第二控制端口以及與壓力傳感器連接的用于獲取供氣壓力的反饋壓力輸入端口。
2.如權利要求1所述的運行控制系統，其特征在于， 所述變頻器具有內置的PID調節器，所述PID調節器根據檢測到的供氣壓力控制電機運行，以使供氣壓力達到設定值；和/或 所述運行控制系統還包括用于啟動或停止變頻器的運行的啟停裝置。
3.如權利要求1或2所述的運行控制系統，其特征在于， 所述進氣閥設置在通到空氣壓縮機的進氣口的進氣管路上。
4.一種利用權利要求1所述的運行控制系統控制空氣壓縮機運行的方法，所述方法包括以下步驟: 在進氣閥關閉狀態下，當控制電機運行的變頻器檢測到供氣壓力低于設定的下限壓力時，變頻器打開進氣閥，使空氣壓縮機加載；和/或 在進氣閥打開狀態下，`當控制電機運行的變頻器檢測到供氣壓力高于設定的上限壓力時，變頻器關閉進氣閥，使空氣壓縮機卸載。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟: 當在進氣閥關閉狀態下檢測到供氣壓力低于設定的下限壓力時，首先使電機運行至設定的加載頻率，然后延遲地打開進氣閥，以使空氣壓縮機在所述加載頻率下加載；和/或變頻器通過其內置的PID調節器根據檢測到的供氣壓力控制電機的運行速度，以使供氣壓力達到預定的供氣壓力。
6.如權利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟: 使電機在進氣閥打開的帶載狀態下的運行頻率不低于設定的下限帶載頻率。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于， 當電機以所述下限帶載頻率運行超過預定時間時，關閉進氣閥，防止電機在下限帶載頻率下長時間帶載運行。
8.如權利要求5-7中任一所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟: 當在進氣閥打開狀態下檢測到以下至少一種故障:供電電網欠壓、變頻器和/或電機過流、變頻器和/或電機過載時，變頻器關閉進氣閥，給電機卸載；和/或 在進氣閥打開狀態下檢測到變頻器和/或電機過載故障時，變頻器首先降頻運行，降低電機的運行速度，如果繼續過載，則關閉進氣閥。
9.如權利要求5-8中任一所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟: 當進氣閥關閉后，電機延時地運行至設定的休眠頻率。
10.如權利要求5-9中任一所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟: 在供氣壓力與設定的上限壓力或下限壓力比較時，通過采取防誤判措施防止反饋壓力的瞬間異常波動引起誤判。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于， 所述防誤判措施為: 在兩個或多個間隔開的時間點檢測供氣壓力并取平均值，然后將該平均值與設定的上限壓力或下限壓力進行比較判斷；或 在兩個 或多個間隔開的時間點檢測供氣壓力，只有當所有檢測到的供氣壓力全部高于設定的上限壓力或低于設定的下限壓力才做出相應判斷。
【文檔編號】F04B49/06GK103527461SQ201210233069
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月6日 優先權日:2012年7月6日
【發明者】邱燕煒, 朱於峰 申請人:博世力士樂(西安)電子傳動與控制有限公司