一種空壓機控制裝置及方法

2023-05-21 13:51:21 2

專利名稱：一種空壓機控制裝置及方法
技術領域：
本發明涉及機械控制領域，更具體地說，涉及一種空壓機控制裝置及方法。
背景技術：
空壓機作為一種廣泛應用於礦山、冶金、電力、紡織、石化、造紙、塑膠、菸草等各種 行業的重要機械，其工作原理是，利用電動機將氣體在壓縮腔內進行壓縮，使氣體的壓強增 大，再經冷卻和緩衝以後向外輸送壓力。目前，現有技術中對於空壓機的控制，包括有採用PID控制技術，雖然在採用PID 控制技術後，在空壓機壓縮空氣時，電機的轉速有所下降，降低了空壓機在壓縮空氣過程中 的功耗，但是卻加長了電機的加載時間，在用氣量較小時，為了控制輸出氣壓的穩定性，PID 控制技術會控制電機以較低的轉速運行，且很少停機；如果這種低速運行的時間過長，則會 因為電機低速運行時存在銅損、鐵損以及運動部件的摩擦佔用額定功率的比率過高，從而 造成能源的浪費。由於現有技術中的空壓機控制裝置的節能效果較差，所以，目前急需一種可以有 效地節約能源的空壓機控制裝置。

發明內容
有鑑於此，本發明實施例提供一種空壓機控制裝置，以解決現有技術存在的空壓 機的控制裝置節能效果較差的問題。本發明實施例是這樣實現的一種空壓機控制裝置，包括信號採集模塊，用於採集包括空壓機的加載信號、功率信號和轉速信號的運行狀 態信息；參數生成模塊，用於將為模擬信號的運行狀態信息生成數字格式的運行狀態參 數；參數處理模塊，用於根據運行狀態參數按預設程序計算生成最優轉速；轉速輸出模塊，用於根據所述最優轉速生成轉速給定指令控制變頻器的轉速；變頻器，用於控制空壓機電機的啟停和轉速。優選的，在本發明實施例中，所述信號採集模塊為傳感器組。優選的，在本發明實施例中，所述傳感器組包括電壓傳感器和電流傳感器。優選的，在本發明實施例中，所述電壓傳感器用於測量空壓機內部加載信號；所述電流傳感器通過測量驅動空壓機的變頻器的電流信號來測得功率信號；所述電流傳感器通過測量驅動空壓機的變頻器的電流信號來測得空壓機轉速信 號。優選的，在本發明實施例中，所述參數生成模塊包括模數轉換器。
優選的，在本發明實施例中，所述運行狀態參數包括由所述加載信號生成的加載參數和卸載參數；由所述功率信號生成的功率參數；由所述轉速信號生成的轉速參數。優選的，在本發明實施例中，所述參數處理模塊包括轉速與耗電功率對應表存儲子模塊用於預先記錄空壓機電機的多個採樣轉速值 與每個採樣轉速值下的空壓機電機耗電功率的轉速與耗電功率對應關係表；多個採樣轉速 值為從空壓機電機的最小轉速到空壓機電機的最大轉速之間採集的多個等差的轉速值；所 述採樣轉速值可以通過轉速參數得出；所述空壓機電機耗電功率通過所述功率參數得出。平均轉速計算子模塊，用於通過功率參數獲取當前轉速值ω、通過加載 參數和卸載參數獲取當前的單次加載時間、和當前的單次卸載時間t2;通過公式 ^T = ω λ l{t, + t2 )計算得出平均轉速忍；最優轉速選擇子模塊，用於在不小於所述平均轉速且不大於空壓機電機的最大轉 速中選擇耗電量最低的轉速值為最優轉速。優選的，在本發明實施例中，還包括變頻器啟停指令模塊，用於根據所述加載參數 和卸載參數向控制變頻器啟動或停止運轉的啟停指令。本發明實施例還提供了一種空壓機控制方法，包括步驟採集包括空壓機的加載信號、功率信號和轉速信號的運行狀態信息；將為模擬信號的運行狀態信息生成數字格式的運行狀態參數；根據運行狀態參數按預設程序計算生成最優轉速；根據所述最優轉速生成轉速給定指令控制變頻器的轉速；通過變頻器控制空壓機電機的啟停和轉速。從上述的技術方案可以看出，本發明實施例中通過信號採集模塊採集空壓機的運 行狀態信息，從而得知包括空壓機的轉速、功耗即加載卸載的信息；然後，通過參數生成模 塊通過採集的運行狀態信息生成運行狀態參數；這樣，通過參數處理模塊計算生成最優轉 速，然後使空壓機電機運行在最優轉速下；由於最優轉速為在可用的轉速中平均功耗最小 的轉速，所以，本發明實施中的空壓機控制裝置，使空壓機在可以滿足當下工作的供氣量需 要的前提下，最大限度的減少了對能源的消耗，從而有效地起到了節能的效果。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可 以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例中所述空壓機控制裝置的結構示意圖；圖2為本發明實施例中所述空壓機控制裝置中參數處理模塊的結構示意圖；圖3為本發明又一實施例中所述空壓機控制裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬於本發明保護的範圍。為了解決現有技術存在的空壓機的控制裝置節能效果較差的問題，本發明實施例 提供一種空壓機控制裝置，如圖1所示，包括信號採集模塊1，用於採集包括空壓機7的加 載信號、功率信號和轉速信號的運行狀態信息；參數生成模塊2，用於將為模擬信號的運行 狀態信息生成數字格式的運行狀態參數；參數處理模塊3，用於根據運行狀態參數按預設 程序計算生成最優轉速；轉速輸出模塊4，用於根據所述最優轉速生成轉速給定指令控制 變頻器的轉速；變頻器5，用於控制空壓機電機6的啟停和轉速。在空壓機7的實際工作中，是通過空壓機電機6帶動空壓機7運轉工作，從而來 對空氣進行壓縮的；並且，在對空氣進行壓縮的過程中，當壓縮腔中的壓力達到設定值的時 候，卸載空壓機電機6，從而使空壓機8失去動力，停止對空氣的進一步壓縮。發明人在實施本發明的過程中發現，在現有技術中，造成空壓機能源浪費的原因 至少包括當電動機以過低的轉速運行的時間過長時，由於銅損、鐵損以及運動部件的摩擦 佔用額定功率的比率過高，所以，能源的有效輸出相對較小，只有較少的輸出能量用於對氣 體的壓縮，從而造成能源的浪費；但是，如果電動機的轉速過高，壓縮產生的熱量就越不容 易散出，從而越接近絕熱壓縮；由於絕緣壓縮式氣體溫度升高，氣體的壓力會隨著溫度的升 高而加大，從而使得對壓縮作用力的反作用力增大，進而使得對氣體的壓縮更加的耗費能 量，進而造成能源的浪費。為了避免由於電動機的轉速過高或是過低而造成能源的浪費，在本發明實施例 中，通過變頻器5將空壓機電機6控制在最優轉速，以使得空壓機7的轉速在保證空壓機7 的供氣量的前提下，空壓機電機6的能耗儘量的小。從而有效地節約能源。具體的，在本發明實施例中的空壓機控制裝置中，信號採集模塊1用來採集空壓 機7的加載信號、功率信號和轉速信號，從而可以實時的得到空壓機7的運行狀態信息。在實際應用中，採集空壓機7的加載信號、功率信號和轉速信號，具體可以使用傳 感器組來完成，即由多個傳感器來組成信號採集模塊；優選的，傳感器組具體可以包括電 壓傳感器和電流傳感器；從而可以通過對空壓機7的電壓和電流的監測，獲取空壓機7的運 行狀態信息。具體的，可以是，通過電壓傳感器來測得空壓機7處於加載狀態的時間段，由於空 壓機7具有加載和卸載兩種狀態，所以，當測得了空壓機7處於加載狀態的時間段後，非加 載狀態的時間段也就是卸載狀態時間段。此外，電流傳感器可以通過測量驅動空壓機7的變頻器的電流信號來測得功率信 號，或是，間接來自驅動空壓機7的電流值，然後經過換算成功率信號。電流傳感器還可以通過測量驅動空壓機7的變頻器的電流信號來測得空壓機7的 實際轉速信號，或是，間接來自驅動空壓機7的電流值，然後經過換算成空壓機的實際轉速信。由於一般情況下，採集到的這些運行狀態信息為模擬信號，而模擬信號不利於在後續的分析處理過程中的應用，所以，還要通過參數生成模塊2將這些運行狀態信息轉換 為數字格式的運行狀態參數；比如，可以由加載信號生成的加載參數和卸載參數；由功率 信號生成的功率參數；由轉速信號生成的轉速參數。具體的，可以是通過參數生成模塊2中的模數轉換器實現運行狀態信號到運行狀 態參數的轉換。當得到空壓機7的實時運行狀態參數後，參數處理模塊可以根據運行狀態參數來 計算生成最優轉速；具體的在參數處理模塊3中，可以包括轉速與耗電功率對應表存儲子模塊31、平均轉速 計算子模塊32和最優轉速選擇子模塊33，轉速與耗電功率對應表存儲子模塊31用於預先記錄空壓機電機的多個採樣轉速 值與每個採樣轉速值下的空壓機電機6耗電功率的轉速與耗電功率對應關係表；多個採樣 轉速值為從空壓機電機6的最小轉速到空壓機電機6的最大轉速之間採集的多個等差的轉 速值；所述採樣轉速值可以通過轉速參數得出；空壓機電機6耗電功率通過所述功率參數 得出。由於通過參數生成模塊2可以獲取空壓機的實時的轉速參數和功率參數，所以， 可以以空壓機電機6的最小轉速值開始，到空壓機電機6的最大轉速值之間，按照每隔設定 值的就記錄該轉速下的空壓機電機6的耗電功率。比如，可以是，從空壓機電機6的最小轉 速開始，通過此時獲得功率參數，可以得知在此轉速下的耗電功率，記錄空壓機電機的耗電 功率；然後，可以每次增加百分之一的額定轉速即為設定採樣轉速值，具體方式可以通過獲 得的實時的轉速參數值，確定每次增加的轉速值；在每增加完一次轉速後，通過實時獲得的 功率參數，可以得知每個採樣轉速值的轉速下的耗電功率，從而可以得到空壓機電機6的 多個採樣轉轉速值與每個採樣轉速值下的空壓機電機6耗電功率的對應關係表。在得到空壓機電機6的多個採樣轉速值與每個轉速值下的空壓機電機6耗電功率 的轉速與耗電功率對應關係表後，將該轉速與耗電功率對應關係表存儲至轉速與耗電功率 對應表存儲子模塊31。平均轉速計算子模塊32用於通過轉數參數獲取當前轉速值ω、通過加載 參數和卸載參數獲取當前的單次加載時間、和當前的單次卸載時間t2;通過公式 Γ= ω tx /(t, + 2)計算得出平均轉速而；雖然在轉速與耗電功率對應表存儲子模塊31中存儲的採樣轉速與耗電功率對應 表中可以得出功耗最小的轉速，但是，在實際應用中，還要考慮空壓機的供氣量的要求，也 就是，空壓機7的轉速至少要使空壓機7所壓縮空氣的供氣量滿足當下工作的需要。為此，在本發明實施例中，首先讓空壓機電機6按照額定轉速運轉，然後，通過功 率參數獲取當前實際的轉速值ω。由於空壓機7在壓縮空氣的過程中，當壓縮腔中的壓力達到設定值的時候，會卸 載空壓機電機6，而且，在當壓縮腔中的壓力低於設定值的時候，會加載空壓機電機6，來使 空壓機7繼續壓縮空氣增加壓縮腔中的壓力。這樣，通過加載參數和卸載參數，可以獲取 當前的單次加載時間、和當前的單次卸載時間t2，從而也就可以得到一個加載卸載周期， 、+t2 ；比如，當空壓機7以1200轉的轉速，每加載運轉20秒的時間後，會卸載停運40秒；此 時，獲得的單次加載時間、為20秒，單次卸載時間t2為40秒；由此可以得知，在每加載卸載周期內，即60秒的時間內，以1200轉的轉速運轉20所產生的供氣量即可滿足當下工作 的需要，所以，在60秒內空壓機7的平均轉速即為滿足當下工作的需要的轉速。通過公式ω＝ωt1/( t1 + Z2)可以計算得出平均轉速忍；還是以當空壓機7以1200轉的轉速，每加載運轉20秒的時間後，會卸載停運40 秒為例；帶入上述公式，平均轉速為1200*20/(20+40) = 400 ；即，平均轉速為400轉。也就 是說，當空壓機以400轉的轉速運轉時是可以滿足供氣量的需求的；但是，此時的轉速雖然 低，但不一定為最優的轉速。這是因為，此時雖然不會產生過高的轉速，從而使得被壓縮的 空氣對壓縮作用力產生較大的反作用力，進而使得對氣體的壓縮更加的耗費能量，但是，由 於得到的平均轉速有可能過低，這樣，則會因為電機低速運行時存在銅損、鐵損以及運動部 件的摩擦佔用額定功率的比率過高，所以進而造成能源的浪費由於從而造成能源的浪費。最優轉速選擇子模塊33，用於在不小於平均轉速且不大於空壓機電機的最大轉速 中選擇耗電量最低的轉速值為最優轉速。由於高於平均轉速的空壓機電機轉速均是可以產生滿足當下工作的需要的供氣 量的轉速，所以，不小於平均轉速且不大於空壓機電機的最大轉速之間的轉速均為可用轉 速；由於在可用轉速中，從每個轉速所對應的耗電功率轉速與耗電功率對應表存儲子模塊 中存儲的轉速與耗電功率對應表中可以得到每種轉速所消耗的功率，所以可以計算出每種 轉速單位時間內的耗電量，其中，單位時間內的耗電量最少的轉速即為最優轉速；具體的，最優轉速可以按照以下的方式計算得出在每個加載卸載周期內，在每個轉速時的耗電量W為在該轉速時的耗電功率P乘 以加載時間、，即W = P、。通過上述的計算，可以得出在每個採樣轉速值時的一個加載卸載周期的耗電 量W，由於耗電量W為在一個加載卸載周期內的耗電量，所以在一個加載卸載周期內的平 均耗電功率聲等於一個加載卸載周期的耗電量W除以一個加載卸載周期的所用時間，即，在得到每個採樣轉速值的平均功率後，即可知道在可用轉速中耗電功率最小的轉 速，此轉速即為最優轉速。轉速輸出模塊4，用於根據最優轉速生成控制變頻器5的轉速給定指令；在本發明實施例中，包括有用於控制空壓機電機6的啟停和轉速的變頻器5，從而 可以控制空壓機電機6的轉速，而變頻器5接收來自轉速輸出模塊4的轉速給定指令，從而 控制空壓機電機6的轉速，使其運轉在設定的轉速下，在本發明實施例中，是使空壓機電機 6的轉速保持為最優轉速。從而達到節能的效果。綜上所述，本發明實施例中通過信號採集模塊採集空壓機的運行狀態信息，從而 得知包括空壓機的轉速、功耗即加載卸載的信息；然後，通過參數生成模塊通過採集的運行 狀態信息生成運行狀態參數；這樣，通過參數處理模塊計算生成最優轉速，然後使空壓機電 機運行在最優轉速下；由於最優轉速為在可用的轉速中平均功耗最小的轉速，所以，本發明 實施中的空壓機控制裝置，使空壓機在可以滿足當下工作的供氣量需要的前提下，最大限 度的減少了對能源的消耗，從而有效地起到了節能的效果。在上述實施例中，還可以包括變頻器啟停指令模塊，用於根據所述加載參數和卸 載參數向控制變頻器啟動或停止運轉的啟停指令。
在現有技術中，空壓機的壓力到達設定值時，會自動卸載空壓機電機，但這種方式 中，在空壓機卸載電機後，空壓機電機一般還要保持空轉；之所以在空壓機卸載電機後，空 壓機電機還要空轉，是因為，在用氣量較小的時候，由於很容易達到設定值，所以空壓機電 機會頻繁的卸載，但是，由於空壓機電機的每次啟動都會產生較大的衝擊電流，所以如果空 壓機電機頻繁的啟動會造成設備的損壞，因此，在這種情況下，為了避免頻繁的啟動空壓機 電機產生的衝擊電流對設備產生破壞，一般情況下，要保持空壓機電機的空轉以使得在每 次在空壓機加載電機的時候避免衝擊電流。由於現有技術中，空壓機電機會不得不經常處於空轉狀態，所以會造成能源的嚴
重浪費。由於在本發明實施例中，採用了變頻器來控制空壓機電機的運行，由於變頻器可 以空壓機電機的柔性啟動，所以在每次的啟動過程中不會產生較大的衝擊電流，從而也就 不會對設備產生破壞。所以，本發明實施例中，還設有了變頻器啟停指令模塊，這樣，當空壓機的壓力到 達設定值時，自動卸載空壓機電機後，由於空壓機電機的加載信號可以通過信號採集模塊 的電壓傳感器測得，並生成加載和卸載參數，所以根據卸載參數即可判斷空壓機電機是否 卸載，當空壓機電機卸載後，變頻器啟停指令模塊向變頻器發送停止運轉的變頻器停止指 令，從而使得空壓機電機及時的停止運轉，避免像現有技術中由於要保持空轉而造成能源 的浪費。在需要加載空壓機電機的時候，變頻器啟停指令模塊向變頻器發送啟動運轉的變 頻器啟動指令，從而使得空壓機電機可以柔性啟動。在本發明的另一實施例中，還提供了一種空壓機控制方法，包括步驟採集包括空壓機的加載信號、功率信號和轉速信號的運行狀態信息；將為模擬信號的運行狀態信息生成數字格式的運行狀態參數；根據運行狀態參數按預設程序計算生成最優轉速；根據所述最優轉速生成轉速給定指令控制變頻器的轉速；通過變頻器控制空壓機電機的啟停和轉速。在本發明實施例中，所述空壓機控制方法的具體原理和有益效果與圖1所示出的 實施例中的空壓機控制裝置類似，在此就不再贅述。本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他 實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的裝置 而言，由於其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說 明即可。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明 將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的範圍。
權利要求
1.一種空壓機控制裝置，其特徵在於，包括信號採集模塊，用於採集包括空壓機的加載信號、功率信號和轉速信號的運行狀態信息；參數生成模塊，用於將為模擬信號的運行狀態信息生成數字格式的運行狀態參數； 參數處理模塊，用於根據運行狀態參數按預設程序計算生成最優轉速； 轉速輸出模塊，用於根據所述最優轉速生成轉速給定指令控制變頻器的轉速； 變頻器，用於控制空壓機電機的啟停和轉速。
2.根據權利要求1所述控制裝置，其特徵在於，所述信號採集模塊為傳感器組。
3.根據權利要求2所述控制裝置，其特徵在於，所述傳感器組包括電壓傳感器和電流 傳感器。
4.根據權利要求3所述控制裝置，其特徵在於，所述電壓傳感器用於測量空壓機內部 加載信號；所述電流傳感器通過測量驅動空壓機的變頻器的電流信號來測得功率信號； 所述電流傳感器通過測量驅動空壓機的變頻器的電流信號來測得空壓機轉速信號。
5.根據權利要求4所述控制裝置，其特徵在於，所述參數生成模塊包括模數轉換器。
6.根據權利要求5所述控制裝置，其特徵在於，所述運行狀態參數包括 由所述加載信號生成的加載參數和卸載參數；由所述功率信號生成的功率參數； 由所述轉速信號生成的轉速參數。
7.根據權利要求5所述控制裝置，其特徵在於，所述參數處理模塊包括轉速與耗電功率對應表存儲子模塊用於預先記錄空壓機電機的多個採樣轉速值與每 個採樣轉速值下的空壓機電機耗電功率的轉速與耗電功率對應關係表；多個採樣轉速值為 從空壓機電機的最小轉速到空壓機電機的最大轉速之間採集的多個等差的轉速值；所述採 樣轉速值可以通過轉速參數得出；所述空壓機電機耗電功率通過所述功率參數得出。平均轉速計算子模塊，用於通過功率參數獲取當前轉速值ω、通過加載參數和卸載參 數獲取當前的單次加載時間、和當前的單次卸載時間t2;通過公式『=ωΙλ Htl + r2) 計算得出平均轉速歷；最優轉速選擇子模塊，用於在不小於所述平均轉速且不大於空壓機電機的最大轉速中 選擇耗電量最低的轉速值為最優轉速。
8.根據權利要求7所述控制裝置，其特徵在於，還包括變頻器啟停指令模塊，用於根據 所述加載參數和卸載參數向控制變頻器啟動或停止運轉的啟停指令。
9.一種空壓機控制方法，其特徵在於，包括步驟採集包括空壓機的加載信號、功率信號和轉速信號的運行狀態信息； 將為模擬信號的運行狀態信息生成數字格式的運行狀態參數； 根據運行狀態參數按預設程序計算生成最優轉速； 根據所述最優轉速生成轉速給定指令控制變頻器的轉速； 通過變頻器控制空壓機電機的啟停和轉速。
全文摘要
本實施例公開了一種空壓機控制裝置及方法，其中裝置包括信號採集模塊，用於採集包括空壓機的加載信號、功率信號和轉速信號的運行狀態信息；參數生成模塊，用於將為模擬信號的運行狀態信息生成數字格式的運行狀態參數；參數處理模塊，用於根據運行狀態參數按預設程序計算生成最優轉速；轉速輸出模塊，用於根據最優轉速生成速度給定指令控制變頻器的轉速；變頻器，用於控制空壓機電機的啟停和轉速。本實施例通過參數處理模塊計算生成最優轉速，然後使空壓機電機運行在最優轉速下；由於最優轉速為在可用的轉速中平均功耗最小的轉速，所以，本實施最大限度的減少了對能源的消耗，從而有效地起到了節能的效果。
文檔編號F04B49/06GK102003377SQ20101056010
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者周見豪, 張洪林, 曾洪駿, 閆永勤 申請人:北京時代科儀新能源科技有限公司