变频螺杆压缩机选用的若干问题

变频螺杆压缩机选用的若干问题 一、 螺杆压缩机节能取决于四个因素 1、 设计 螺杆压缩机的转子型线对节能有一定影响，2000 年前螺杆压缩 机尚在成长期，可靠性是主要问题。那时螺杆压缩机的转子型线研发 把可靠性作为主要目标。 21 世纪后能源危机笼罩全世界，螺杆压缩机的转子型线研发在 可靠性基础上把节能作为重要目标。SKK 型线就是在此大环境下产 生的优秀的节能型线之一。SKK 型线采用曲面对曲面的内密封，在 同样的间隙下，阴阳转子之间的密封效果远远优于采用线密封的传统 型线。 2、 机头制造 阴阳转子之间和转子与气缸及缸盖之间的间隙对螺杆压缩机能 耗有重大影响。提高转子加工精度和表面光洁度是减小机头各元件之 间间隙的有效手段。SKK 型线以磨削为实现手段。所以必须采用曲 面磨床加工。英国精密机械有限公司生产的带有实时检测和砂轮自动 补偿的曲面磨床把转子加工精度提高到了前所未有的水平。 英国精密机械有限公司用于 SKK 型线加工的磨床是 2006 年后 世界上最新一代机床，加工能力提高到 370mm 直径，加工精度达到 2 微米，光洁度达 10 级。在此之前这样大的螺杆空压机转子只能采 用铣床加工，最高加工精度为 40 微米，光洁度达 6 级。 3、 螺杆机配置 阳转子转速是是衡量螺杆压缩机节能、寿命与可靠性的最主要参 数。皮带传动损失功率的 5%，齿轮变速损失功率的 3%，螺杆压缩 机节能的前提必须是阳转子转速等于电机主轴转速，在 50Hz 电制下 就是阳转子转速等于 1485 转/分钟或等于 2985 转/分钟。 螺杆压缩机的寿命与阳转子转速严格成反比。 4、 使用 螺杆压缩机空转时消耗电机额定功率的 30%40%，螺杆压缩机 部分工况时效率下降 5%左右。所有螺杆压缩机都是针对某一特定工 况设计的，在符合设计条件下运转时，螺杆压缩机最节能。 当螺杆压缩机的产气量持续等于管网耗气量时，螺杆压缩机处 于最节能状态。 二、 变频压缩机节能分析 1、 变频器自身消耗 3%的功率，电动机偏离额定功率和额定转速时 效率有明显下降，螺杆压缩机转速偏离额定转速时最佳油气混 合比例被破坏，效率也有明显下降。所以使用变频螺杆压缩机， 尽管使产气量持续等于管网耗气量，但是生产每一立方压缩空 气所使用的功率有所增加。既在持续加载条件下，变频螺杆压 缩机不节能。 2、 大多数螺杆压缩机使用案例，管网耗气量不断变化，压缩机产 气量不可能恒等于管网耗气量，当管网压力等于设定值时，螺 杆压缩机进入空载状态，螺杆压缩机空转时消耗电机额定功率 的 30%40%，所以螺杆压缩机空转时效率非常低。减少空转时 间或避免螺杆压缩机进入空转状态有一定节能效果。 3、 变频螺杆压缩机可以有效的减少空转时间或避免螺杆压缩机进 入空转状态，所以在压缩机的额定产气量大于管网耗气量时变 频螺杆压缩机有一定节能效果。 4、 变频螺杆压缩机对于稳定管网压力非常有效，可以使管网压力 稳定在0.01MPa 范围。这是其他流量控制方式难以达到的。 三、 空压站配置 节能型空压站配置的原则是： 1、 产气量持续等于管网耗气量； 2、 单台压缩机或处于额定工况或处于停机状态。 根据统计分析结果将管网耗气量分配给多台压缩机，让一台较大 压缩机提供恒定部分的用气；用几台较小压缩机根据用气量变化投入 运行或停止运行，采用一台变频压缩机，进一步微调供气量。 螺杆压缩机的余热有很大利用价值，节能型空压站应充分考虑余 热回收和利用。 变频在空压机上的应用 文章来源：工业与自动化控制网 /commChannel/content.asp?contentid=172155 一、空压机概况 空压机，全名为空气压缩机，是一种工矿企业中最常用的空气动力提供设备。通常，空压机 分为螺杆式空压机、活塞式空压机等。 1螺杆式空压机工作原理 螺杆式空压机是由一对相互平行啮合的阴阳转子（或称螺杆）在气缸内转动，使转子齿槽之 间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺 杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴 转子的槽和阳转子的齿被主电机驱动而旋转。 2活塞式空压机工作原理 活塞式空压机是由电动机带动皮带轮通过联轴器直接驱动曲轴，带动连杆与活塞杆，使活塞 在压缩机气缸内作往复运动，完成吸入、压缩、排出等过程，将无压或低压气体升压，并输出 到储压罐内。其中，活塞组件，活塞与汽缸内壁及汽缸盖构成容积可变的工作腔，在曲柄连杆 带动下，在汽缸内作往复运动以实现汽缸内气体的压缩。 二、空压机系统控制 空压机主电机运行方式为星-角降压起动后全压运行，供气系统具体工作流程为：当按下启 动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于 关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压 n 秒（由时间继电器控制）后空 压机开始加载运行，系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力， 控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力降到压力开关下限值 后，即回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机打开，油气分离器 放气阀关闭，压缩机满载运行。 三、空压机系统节能分析 在管道供气系统中，最基本的控制对象是流量，供气系统的基本任务就是要满足用户对流量 的需求。目前，常见的气体流量控制方式有加、卸载供气控制方式和转速控制方式两种。 1加、卸载供气控制 加、卸载供气控制方式即为进气阀开关控制方式，即压力达到上限时关阀，压缩机进人轻载 运行；压力抵达下限时开阀，压缩机进入满载运行。 由于空压机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需要来决定电动 机的容量，设计余量一般偏大。工频起动设备时的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护 量大。虽然都是降压启动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及其它用电设备的运 行安全，而且大多数是连续运行，由于一般空气压缩机的拖动电机本身不能调速，因此就不能 直接使用压力或流量的变动来实现降速调节输出功率的匹配，电机不允许频繁启动，导致在用 气量少的时候电机仍然要空载运行，电能浪费巨大。 经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力延长压缩机的使用寿 命。空压机的有些调节方式（如调节阀门或调节卸载等方式）即使在需要流量较小的情况下， 由于电机转速不变，电机功率下降幅度比较小。 2转速控制 即通过改变空压机的转速来调节流量，而阀门的开度保持不变（一般保持最大开度）。当空 压机转速改变时，供气系统的扬程特性随之改变，而管阻特性不变。 在这种控制方式下，通过变频调速技术改变空压机电机的转速，空压机的供气流量可随着用 气流量的改变而改变，达到真正的供需平衡，在节能的同时，也可使整个系统达到最佳工作效 率。变频器基于交一直一交电源变换原理，可根据控制对象的需要输出频率连续可调的交流电 压。电动机转速与电源频率成正比，因此，用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电动 机的电源电压，可方便地改变空压机的转速。 四、空压机系统节能原理 采用变频器控制空压机的转速以达到节能是一种较为科学的控制方法。根据空压机运行特性 知： Q1 / Q2 = n1 / n2 H1 / H2 =（ n1 / n2）2 P1 / P2 =（ n1 / n2）3 式中 Q空压机供给管网风量； H管网压力； P电机消耗功率； n空压机转速。 由上式可知，当电机转速降至额定转速的 80%，则空压机供给管网风量降为 80%，管网压力 降为（80%）2，电机消耗功率则降为（80%）3，即 51.2%，去除电机机械损耗和电机铜、铁损耗 等影响，节能效率也接近 40%，这就是调速节能的原理所在。 长期实践证明，在供气系统中接入变频节能系统，利用变频技术改变空压机转速来调节管道 中的流量，以取代阀门调节方式，能取得明显的节能效果，一般节电率都在 30以上。另外， 变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对流量的平稳调节，同时减少启动冲击并延长机 组及管组的使用寿命。 五、空压机变频改造方案 1空压机变频改造注意事项 （1）空压机是大转动惯量负载，这种启动特点就很容易引起 V/F 控制方式的变频器在启动 时出现跳过流保护的情况，建议选用具有高启动转矩的无速度传感器矢量变频器，保证即能实 现恒压供气连续性，又保证设备可靠稳定的运行； （2）空压机不允许长时间在低频下运行，当空压机的转速过低，一方面将使空压机的工作 稳定性变差，另一方面也使缸体的润滑变差，会加快磨损。所以工作的下限频率应不低于 20Hz； （3）为了有效滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减小因高次谐波引起的电磁干扰， 建议选用输出交流电抗器，还可以减小电机运行噪音和温升，提高电动机的稳定性。 2恒压供气节能原理 如上所述，流量是供气系统的基本控制对象，供气流量需要随时满足用气流量。在供气系统 中，储气管中的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系： 若 供气流量 用气流量 储气管气压上升 若 供气流量 用气流量 储气管气压下降 若 供气流量 = 用气流量 储气管气压不变 所以,保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气能力恰好满足用气需求，这就是恒压供气 系统所要达到的目的。 空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制时，系统原理框图如图 1 所示。 变频调速系统将管网压力作为控制对象，装在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转 变为电信号送给变频器内部的 PID 调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定 的 PID 控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和逆变频率，调整电动机的 转速，从而使实际压力始终维持在给定压力。另外，采用该方案后，空气压缩机电动机从静止 到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了启动时的大电流和启动给空气压缩机带来的机械冲 击。正常情况下，空气压缩机在变频器调速控制方式下工作。变频器一旦出现故障，生产工艺 不允许空气压缩机停机，因此，系统设置了工频与变频切换功能，这样当变频器出现故障时， 可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机照常工作。 整个控制过程如下： 用气需求 管路气压 压力设定值与返馈值的差值 PID 输出 变频器输出频率 空压机电机转速 供气流量 管路气压趋于稳定 特别注意，在压力容差范围内，变频器的 PID 不调节，即保持输出频率不变。 空压机电机的电路上安装了“市电”、“节电”接触器，这样可以有“市电运行”与“节电 运行”两种工作模式选择：市电运行模式下，变频器不工作，整套系统按原有方式手动起停、 工频运行；节电运行模式下，空压机由变频器直接拖动，系统根据用气量的变化，自动调节空 压机的电机转速，使得储气罐始终保持恒定压力的气压输出。 六、总结 将变频调速技术引入空气压缩机领域，是近几年来各空压机厂家研究的重要课题。各大牌专 业空压机供应商都推出了自己变频空压机产品，并迅速在其高端市场具有很不错的表现。但目 前，大量的工频空压机的应用非常普遍，因此，空压机的改造市场非常巨大。衷心希望此空压 机变频改造方案能给广大系统集成商、空压机最终用户、电气自动化爱好者以帮助，或者是为 其提供一种新的思路。 信息来源：低压电气网 欧瑞变频器在英格索兰空压机上的应用 文章来源：中国传动网 原文网址： /publish/tech/application/2009/4/tech_3_16_13577.html 一、引言： 空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使 压缩的气体具有一定压力的设备，主要有吸气、压缩、作功输送和排 气四个主要过程。已有几百年的应用历史，在机械结构方面也经过了 100 年的发展，原理是成熟的，但大容量的空压机在工作过程的带载 启动和泄载一直是一个难题。在结构上分常见有活塞式、螺杆式、和 离心式等。它的用途广泛，可以用于冶金、机械制造、矿山、电力、 纺织、石油化工等各个行业。空压机占大型工业设备（风机、水泵、 锅炉、空压机等）耗电量的 15%。经考察，大部分空压机自身存在着 以下几个缺点: （1） 当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空 转，属非经济运行，造成严重的能源浪费。 （2） 异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命; （3） 工作条件恶劣，自动排空放气时噪音极大，造成环境污染。 （4） 自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现 的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低; （5） 空压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设 备维护量大。 （6）上下限压力不易调节。压力调得太小则易造成不断的起停而烧 毁电机及电磁开关；调节的太大则易造成管路的高压力、高的传送损 失、漏气、管路破裂的危险，而且压力范围太大也无法满足现代化工 艺要求。 综上所述：可用 VVVF 对现用的空压机系统进行改造，以建 立恒压供气系统，从而达到节电、减少噪音、降低设备磨损、减少电 网冲击、提高功率因数、起到稳定产品质量的效果。 二、空压机变频改造原理介绍（以螺杆机为例）： 2.1 空压机的工作原理 图 1 螺杆式空压机的工作原理图 螺杆式空压机的工作原理图如图 1 所示，空气经空气过滤器和 吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的 压缩腔，阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转。滑片安装在转 子的槽中，并通过离心力将滑片推至气缸壁，高效的注油系统能够确 保压缩机良好的冷却及润滑油的最小舒适耗量，在气缸壁上形成的一 层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后 的空气温度较高，其中混有一定的油气，经过油气分离器进行分离之 后，油气经过油冷却器冷却再经过油过滤器流回储油罐，空气经过气 冷却器（空气冷却装置）进行冷却而进入储气罐。 2.2 空压机变频节能原理 变频调速技术近年来发展迅速，并在许多领域发挥了重要的作 用。空压机变频节能系统原理框图如图 2。 图 2 空压机变频节能系统原理框图 由于许多螺杆式空压机运行方式是加载、减载方式。减载时电 机空转,那么能源都被白白的浪费了，而电动机转速自身不能改变， 只能通过改变电机频率来调节转速。变频控制即通过改变电动机的转 速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力。原理 如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得 到偏差，经 PID 调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由 变频器输出的相应频率和幅值的交流电，使电动机上得到相应的转速。 那么空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网 压力与给定压力值相同。 三、变频改造注意事项以及设计原则 3.1 应明确空压机是大转动惯量的恒转矩负载，这种启动特点很容 易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议采用具有高启动 转矩的恒转矩变频，保证既能实现恒压供气的连续性，又可保证 设 备可靠稳定的运行;不推荐用变转矩的变频。 3.2 空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面 使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。 所以工作下限应不低于 25Hz; 3.3 建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启 动出现频繁跳闸的情况，也便于日后的系统工况扩展。 3.4 为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高 次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机 运行的噪音，提高电机的稳定性; 3.5 设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异 常保护时，不至于影响生产的正常进行。 3.6 电机变频运行状态保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不 能超过0.02Mpa。 3.7 一台变频器能控制两台空压机组，可在柜体内用转换开关切换。 3.8 为了防止非正弦波干扰空压机控制器，变频器输入端应有抑制 电磁干扰的有效措施。控制线信号线采用屏蔽线缆，布线时要和动力 电路分开，防止干扰引入 四、变频器的选型： 据上原则，经过调研、比较，英格索兰压缩机公司（IR）最终 选择欧瑞传动公司生产的 F1500-G 系列 315KW 通用型变频器，以满 足其配套及系统节能工况改造要求。 4.1 F1500-G 变频器的频率精度：数字设定为0.01%；模拟设定为 上限频率0.4%。可使压力波动范围满足设计要求。 4.2 系统设计了变频和工频两套主回路。 （参见产品柜图） 4.3 系统设计了闭环与开环两套控制回路。 4.4 使用转换开关可使变频器任意控制两台空压机组中的一台。 4.5 F1500-G 型变频器适用恒转矩特性负载，该变频器还具有转矩补 偿和提升的功能。 4.6 在该变频器上端加装输入电抗器，有效的抑制了变频器对电网 的干扰。 4.7 在该变频器下端加装输出电抗器，保障了低频运行时电机温度 噪音不超过允许范围。 4.8 选用 315KW 的变频器控制 250KW 的电动机，在一定程度上满 足了将来工况扩展要求。 五、改造及配套方案原理 5.1 由变频器，压力变送器、电机、螺旋转子组成压力闭环控制系 统自动调节电机转速，使储气罐内空气压力稳定在设定范围内，进行 恒压控制。 反馈压力与设定压力进行比较运算，实时控制变频的输出频率， 从而调节电机转速，使储气罐内空气压力稳定在设定压力上。 5.2 充分利用欧瑞传动 F1500-G 通用恒转矩变频所拥有的闭环转开 环功能特点，将控制板端子 OP1OP8（对应功能码 F408-F415）任 一端子定义为 19（闭环切换到开环功能） ，将运行调整模式从 PI 调 节切换至 F204 所设定的调整模式，当该功能端子与 CM 断开时，为 闭环控制；与 CM 短接时，为开环控制。此定义端子接原系统空压机 内部控制板的加减载信号。变频随着系统板的控制信号，变换工作在 闭环（PI）与开环（F204=1 数字频率设定，键盘 UPDOWN 调节， 掉电保存结果。 ）状态。加减载信号由原空压机的信号采样控制板控 制