1.1煤礦空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)概述
在傳統(tǒng)的煤礦井下巖石巷道掘進(jìn)中，使用以壓縮空氣為動(dòng)力的鑿巖機(jī)鉆孔，火藥爆破碎巖,耙斗裝巖機(jī)裝車的生產(chǎn)工藝。因此空氣壓縮機(jī)也是煤礦主要生產(chǎn)設(shè)備之一�？諝鈮嚎s機(jī)站可以設(shè)在井上或井下，設(shè)置在井上的空氣壓縮機(jī)站，可以選用通用型電氣控制設(shè)備，在井下的空氣壓縮機(jī)站，一般設(shè)置在有新鮮風(fēng)流通過的井底車場(chǎng)內(nèi)，按《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，在這種場(chǎng)合可以選用”礦用一般型”電氣設(shè)備。
附表　　謀礦常用壓縮機(jī)型號(hào)及規(guī)格
型　 號(hào) 3L-10/8 4L-20/8 5L-40/8 EP200
類　 型 往復(fù)式 往復(fù)式 往復(fù)式 螺桿式
排氣量(M5/MIN) 10 20 40 20
排氣壓力(MPA) 0.8 0.8 0.8 0.86
電機(jī)功率(KW) 75 130 250 138
電機(jī)類型 繞線式 繞線式 同步電機(jī) 鼠籠型
煤礦常用的空氣壓縮機(jī)有往復(fù)式(活塞式)和螺桿式;常用壓縮機(jī)型號(hào)和主要技術(shù)數(shù)據(jù)見附表。
空氣壓縮機(jī)出廠時(shí)配套的排氣壓力調(diào)節(jié)裝置,多數(shù)為關(guān)閉進(jìn)氣管式壓力調(diào)節(jié)器，其工作原理是當(dāng)儲(chǔ)氣罐(風(fēng)包)內(nèi)空氣壓力超過設(shè)定壓力(0.815MPA)時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣管上碟閥自動(dòng)關(guān)閉，壓縮機(jī)進(jìn)入空轉(zhuǎn)卸荷狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣壓力低于設(shè)定壓力(0.77MPA)時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣管碟閥自動(dòng)開啟，壓縮機(jī)又進(jìn)入滿載工作狀態(tài)。空氣壓縮機(jī)的排氣量和壓力，在運(yùn)轉(zhuǎn)中也不是不變的,常因所使用風(fēng)動(dòng)機(jī)械和風(fēng)動(dòng)工具的臺(tái)數(shù)多少而變化，所以空氣壓縮機(jī)工作時(shí)總是在重復(fù)滿載-卸荷工作方式.滿載時(shí)的工作電流接近電動(dòng)機(jī)的額定電流;卸荷時(shí)的空轉(zhuǎn)電流約為30-50%電動(dòng)機(jī)額定電流;這部分電流不是做有用功，而是機(jī)械在額定轉(zhuǎn)速下的空轉(zhuǎn)損耗.這種機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置雖然也能起到壓力調(diào)節(jié)作用,但是壓力調(diào)節(jié)精度低，壓力波動(dòng)大;壓縮機(jī)總是在額定轉(zhuǎn)速下工作，機(jī)械磨損大、電耗高。
根據(jù)空氣壓縮理論、壓縮機(jī)的軸功率、排氣量和軸轉(zhuǎn)速符合下列公司：
N= （MR×N）/9553（KW）　VD1=K×VH1×N2（M5/MIN）
式中：N2—壓縮機(jī)軸功率,(KW)；
M—壓縮機(jī)輸入的平均軸扭矩,(N.M)；
N—壓縮機(jī)軸轉(zhuǎn)速,(R/MIN)；
K—與汽缸容積、壓力、溫度和泄漏有關(guān)的系數(shù)；
N2—調(diào)節(jié)后的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，(R/MIN)；
VH1—一級(jí)缸容積，（M5）；
VD1—在N2轉(zhuǎn)速下的排氣量，（M5/MIN）。
根據(jù)上述理論分析，在空氣壓縮機(jī)的汽缸容積不能改變的條件下，只有調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速能改變排氣量；空氣壓縮機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，壓縮機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速呈正比變化；在壓縮機(jī)總排氣量大于風(fēng)動(dòng)工具用氣量時(shí)，通過降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供風(fēng)壓力，是達(dá)到壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效方法。在可以選用的壓縮機(jī)變極電動(dòng)機(jī)、改變皮帶輪傳動(dòng)比、串極調(diào)速等調(diào)速方法中，變頻調(diào)速與其它調(diào)速方法相比，具有無極調(diào)速、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、不用改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)和安裝量小的特點(diǎn)。
變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是壓力給定方便，根據(jù)用氣量的變化隨時(shí)調(diào)整設(shè)定值，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力死循環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣的恒壓供應(yīng)。
1.2空氣壓縮機(jī)選用變頻器時(shí)的有關(guān)要求
空氣壓縮機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載；壓縮機(jī)選用變頻器拖動(dòng)的主要目的是按需要的用風(fēng)量，合理調(diào)節(jié)供氣壓力的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓節(jié)能運(yùn)行。按配套電動(dòng)機(jī)額定功率選用相同容量的恒轉(zhuǎn)矩變頻器。變頻器要有內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能和4～20MA或0～10V模擬信號(hào)接口；使用地點(diǎn)的電壓變動(dòng)率要在變頻器允許輸入電壓范圍內(nèi)。
1.3應(yīng)用舉例
某礦地面空氣壓縮機(jī)站安裝3臺(tái)EP200型螺桿噴油式空氣壓縮機(jī)，額定排氣量20M3/MIN、排氣壓力0.8MPA，配用電動(dòng)機(jī)功率138KW/ 380V，配套Y-Δ啟動(dòng)箱；設(shè)計(jì)為兩臺(tái)工作一臺(tái)備用。實(shí)際運(yùn)行中，最大用氣量期間，需要兩臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行，排氣壓力0.68MPA.用風(fēng)量最小期間,一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行。
按礦方要求我們選用易驅(qū)公司產(chǎn)品ED2003-4T0750M型,恒轉(zhuǎn)矩類通用變頻器一臺(tái),并利用變頻器的可編程繼電器,組成一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)壓縮機(jī)的恒壓自動(dòng)供氣系統(tǒng).控制系統(tǒng)框圖見圖1所示；變頻器ED2003控制1#空氣壓縮機(jī)；壓力變送器安裝在總排風(fēng)管上，回饋輸出4～20MA信號(hào)接入配電器PD,經(jīng)PD輸出兩路4～20MA信號(hào)，一路去數(shù)顯壓力表，另一路做為回饋信號(hào)接入變頻器電流輸入口AI2;變頻器輸出繼電器AO1、AO2通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接2#、3#壓縮機(jī)控制箱的運(yùn)行、停止回路；變頻控制設(shè)計(jì)有自動(dòng)、手動(dòng)兩種工作方式，通過選擇開關(guān)SA轉(zhuǎn)換；選擇手動(dòng)控制方式時(shí)，通過電位器RS給定頻率，人工調(diào)節(jié)供風(fēng)壓力；選擇自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，通過鍵盤設(shè)定供風(fēng)壓力，變頻器內(nèi)的PI調(diào)節(jié)器隨時(shí)檢測(cè)和比較回饋壓力和設(shè)定壓力，實(shí)現(xiàn)壓力死循環(huán)調(diào)節(jié)；當(dāng)回饋壓力大于設(shè)定壓力時(shí)，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)減速，使供風(fēng)壓力趨于設(shè)定壓力；當(dāng)回饋壓力小于設(shè)定壓力時(shí)，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)增速，使供風(fēng)壓力趨向設(shè)定值；當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到50HZ時(shí)，供風(fēng)壓力仍然小于設(shè)定壓力時(shí)，繼電器AO1啟動(dòng)2#（或3#）壓縮機(jī)，保持系統(tǒng)壓力恒定。用風(fēng)量減少時(shí)，變頻器降低輸出頻率，當(dāng)頻率低于下限頻率時(shí)，繼電器AO2停止2#（或3#）壓縮機(jī)；通過死循環(huán)控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒壓控制。

　 按上述要求設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，充分的運(yùn)用了易驅(qū)變頻器的可編程控制功能，節(jié)省了一臺(tái)可編程控制器和調(diào)節(jié)器；實(shí)現(xiàn)用最少的控制組件，達(dá)到恒壓供氣的目的。

圖1　 壓縮機(jī)恒壓供氣控制框圖
壓縮機(jī)變頻改造后運(yùn)行平穩(wěn)，工作壓力設(shè)定為0.68MPA,由變頻器控制1#、2#空氣壓縮機(jī)自動(dòng)運(yùn)行；實(shí)測(cè)日耗電量：改造前3941KWH，改造后3468KWH；年節(jié)約電量156090KWH，年節(jié)約電費(fèi)85849.5元;投入回收期1.5年。
設(shè)備改造后實(shí)現(xiàn)了供風(fēng)壓力死循環(huán)控制,減少了壓縮機(jī)啟停次數(shù),減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度;降低了耗電量和機(jī)械磨損,延長(zhǎng)了機(jī)械使用壽命。