变频器空压机改造(配套)中的应用报告.doc

淼森亚太（北京）科技有限公司MUSIN A-P（BEIJING）SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd变频器空压机改造（配套）中的应用报告一、空压机市场分析： 空气压缩机在1640年由德国试制成功到目前已有几百年历史。压缩机是一种将气体压缩从而提高气体压力或输送气体的机器。常见的空压机有：活塞式空压机、螺杆式空压机、离心式空压机等（见图1）。 目前，市场上普遍存在的空压机就是以上三种机型。其中以活塞式和螺杆式最为常见，离心式市场用量很少。据中国空压机网调查，每年全国有180亿元的空压机市场份额，有超过400万台的空压机在工作，其中功率大于22KW的空压机不少于100万台。 目前，国内中小空压机仍以活塞式为主（市场上有率在80%左右），但随着市场的变化，螺杆式空压机的市场占有率会越来越大。以日本的空压机市场来看日本螺杆压缩机，1976年仅占27%，1985年则上升到85%。 目前，西方发达国家螺杆压缩机市场占有率为80%，并保持上升势头，螺杆压缩机具有结构简单、工作稳定、寿命长、维护简单等优点。螺杆压缩机分双螺杆与单螺杆两种。单螺杆压缩机的发明比双螺杆压缩机晚十几年，设计上更趋合理先进，单螺杆压缩机克服了双螺杆压缩机不平衡、轴承易损的缺点，具有寿命长、噪音低、更加节能等优点，八十年代技术成熟后其应用范围在日渐扩大。工业的进步带动了空压机在制造上对加工精度的提高，也使得压缩效率及控制系统有明显的提升。面对21世纪环保与节能已成为全球一致的共识下，压缩机朝向变频节能的目标发展已是刻不容缓的重要课题。二、空压机的系统介绍：（一）结构与工作原理： 1双螺杆式压缩机： 结构形式：双螺杆压缩机是一种双轴容积式回转型压缩机，其主要是主（阳）副（阴）两根转子配合，组成啮台副，主副转子齿形外部同机壳内壁构成封闭的基元容积。而蜗杯压缩机是一种单轴容积式回转型压缩机，其啮合副是由一根蜗杆和两个对称平面布置的星轮所组成，由其蜗杆螺梁和星轮齿螺杆压缩机的机体均分为两种，一种为皮带传动式，另一种为直接传动式。 其中皮带传动式较适用于22KW左右功率的压缩机，是由2个按速度比例制造的皮带轮将动力经由皮带传动；直接传动式是1个连轴器将电动源与主机结合在一起。蜗杆式压缩机可以直接带动蜗杆旋转，而双螺杆压缩机则须再增加一级增速齿轮以提高主转子的转速。 工作过程：双螺杆压缩机的工作过程：电动机经联轴器、增速齿轮或皮带带动主转子。由于两转子互相啮合，主转子即直接带动副转子一同旋转。在相对负压作用下，空气吸人，在齿峰与齿沟吻合作用下，气体被输送压缩，当转子啮台面转到与机壳排气口相通时，被压缩气体开始排出。 蜗杆压缩机的工作过程：电动机以联轴器或皮带将动力传到蜗杆轴上，由蜗杆带动星轮齿在蜗杆槽内相对移动，封闭的基元容积发应变化，气体被输送压缩，当达到设计压力值时，由主机壳体上左右两侧对称的三角形排气口排至油气分离器内。 螺杆压缩机的主机壳体均开有喷油孔，凭借自身的压力差，在压缩过程中将油喷到压缩腔，以冷却气体、密封各部件间隙，并起到吸振、消声及润滑的作用。 我们以三狮鲍尔SK系统螺杆式空气压缩机为例介绍空压机（见图2到图4）的工作：该系列的空压机属于绝对位移形式的容积式压缩机，它的核心部件是一对相互啮合的螺旋形式的转子。从载面上来看，两个转子呈非对称形式，其中一个转子的节圆外有四个均匀排部的凸型齿，这被称为阳转子，而另一个转子的节圆内有五个均匀排部的凹型齿，这被称为阴转子；SK的转子是一对非对称形式的4:5齿形式，这种形式的转子是目前压缩机领域最新最高效的形式。与其它形式的螺杆压缩机一样，因为它的压缩形式是绝对位移形式的，所以理论上讲，通过速度的改变，容积流量也相应改变，并且它们成正比。 在两个转子连续旋转运动过程中，压缩的四个过程被连续进行： 吸气当阳转子的齿从阴转子的齿槽中脱离出来，齿间的容积就不断扩大，位于吸气口位置的齿间容积连续及入空气。（见图5） 压缩当转子继续转动，转子的啮合使容积开始封闭并逐渐减小，被封闭在齿间容积内的空气体积也不断减小，同时压力得以提高。 输送和排气被压缩的空气在啮合的转子齿间容积内随转子转动被输送，当地时间被压缩至排气口的位置，压缩空气被排出。 2单螺杆压缩机：又称蜗杆压缩机，蜗杆压缩机的啮合副由一个6头螺杆和2个11齿的星轮构成，蜗杆同时与两个星轮啮合，既使蜗杆受力平衡，又使排气时增加一倍。压缩机的体积小，9立方/min蜗杆压缩机的重量仅为活塞式的1/6。蜗杆受力平衡使蜗杆压缩机具有一系统优点： 运转平稳、振动小、噪声比双螺杆低10%以上。 蜗杆没有弯曲变形，可以在高压下工作。例如：美国德莱赛兰德公司生产的蜗杆工艺压缩机，即使在一级压缩的条件下也能达到6.61Mpa。 啮合副可以在很小的间隙下工作以减少泄漏，因而容积效率高、能耗低，比双螺杆节能。近年来，双螺杆由于加工技术的提高和在研究新齿形、挖掘各种参数（包括材料强度）的潜力方面已接近极限，使双螺杆比过去节能约20%。而喷油蜗杆压缩机减少因粘性而引起的剪切损失而不能采用小间隙，目前单、双螺杆压缩机在喷油机方面的能耗数相当。但是在无油压缩机中，因粘性剪切的损失大幅度降低，蜗杆压缩机的节能优势仍然明显。90年代的大型无油冷冻（空调）机的各项性能已全面达到或超过最节能的透平限式，美国格里迈尔施密特公司声称他们的无油蜗杆压缩机即使在一级压缩机的条件下也比两级压缩的双螺杆节能20%。此外，蜗杆压缩机由于轴承受力小，且星轮轴与蜗杆轴垂直交错，轴承尺寸不像双螺杆那样受限制，采用标准轴承时，轴承寿命为5万小时（球轴承）至10万小时（圆锥滚子轴承）。整机的“免维修”时间相应地在5-10万小时之间，压缩机的可靠性高、寿命长。潜水艇对压缩机的各项性能均有严格的要求，然而美国海军为了淘汰活塞式压缩机、对现有的各种压缩机进行了大量的试验与论证认为：蜗杆压缩机是潜水艇用最佳压缩机，对于高压无油压缩机来说是唯一的选择。 蜗杆式比双螺杆式问世较晚，但因性能优异而上升势头强劲，目前国际市场上单、双螺杆大体上平分秋色。主要用作空气压缩机、冷冻（空调）机、热泵和在化式生产的工艺流程中压缩各种气体或输送天然气、煤气等，只有美、日等五国在引进技术的基础上生产，以日本水平最高。从1975年开始国内先后有几个科研单位石研制蜗杆压缩机，其中国以上海浪潮机器有限公司研制的OG-30A蜗杆压缩机比较典型。 3活塞式空压机：活塞工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，完成吸及、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气体的压缩。 活塞式空压机常见图6、图7、两种形式：微型空压机（15KW以下，风冷），一般空压机（22KW以上，有风冷和水冷两种形式）。 三、空压机变频改造的可行性分析（一）空压机采用变频控制的优点：1变频式空压机比软起动式空压机更平稳。 2完全避免了电流峰值。让你在减少电力系统资金投入的同时还避免了被电力公司罚款的后顾之忧，老式空压机采用变频控制改造后，能达到以下的要求： 利用变频器回有的软启动特性，避免了电流的峰值。启动更平稳，空压机的精确压力精度可以达到0.1KG/CM2，节能效果更好，性能更加稳定。 低负载，可靠性高。利用降低压缩机组转速比例降低负载，节能效果100%。减少机械损失并降低成本，增加机体的可靠度，部分负载时可以降低转速，并延长机组的使用寿命。有效降低运转噪音。 易操作，人性化设计管理：LED面板可以显示运转压力，排气温度以及设定压力，显示内容可以由内部参数设定。设定压力可以根据实际要求在面板上调整。 3达到的效果：能在稳定排气量的情况下，精确的根据用气量的变化改变主电机的转速，使空压机只输出必要的气量，同时也只消耗输出必要气量所必须的能量，无能量损失，由于空压机的使用成本远远大于购买成本，所以所节约的能源消耗费用远远大于配套或改造空压机变频器所增加的费用。 空压机采用变频后和其他方式控制的电机负载电流的对比：（见图8至图11） 出气口释放阀全部关闭，取消用出气口释放阀调节供气量方式，以避免由此导致的电能浪费。代之以变频器调整电机的转速来调整气体流量，使电机输出的功率与流量需求基本上成正比关系，始终使电机高效率工作，以达到明显的节电效果。例如当气量是额定供气量的50%时，节电率可达40%。 可使电机起动、加载时的电流平缓上升，没有任何冲击， 可使电机实现软停，避免反生电流造成的危害，有利于延长设备的使用寿命，可避免因电流峰值带来的电力公司的罚款。 采用变频控制系统后，可以实时监测供气管路中气体的压力，使供气管路中的气体的压力保持恒定，提高生产效率和产品质量。 由于电机在高效率状态下运行，功率因数较高，降低了无功损耗，节约了大量电能。 保存原释放阀系统，在必要时可参加调节，增强系统的可靠性。 总之，采用恒压供气智能控制系统后，不但可节约3040%的电力费用，延长压缩机的使用寿命，并可实现“恒压供气”目的，提高生产效率和产品质量。（二）空压机变频节能的原理： 由变频器、压力传感器（压力变送器或远传压力表）、电机、螺旋转子组成压力闭环控制系统，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PID比较运算，实时控制变频器的输出，使储气罐内空气压力稳定在设定压力上。 一般传统空压机的控制为空、重载控制或进气节流模式控制，当在空、重载运转模式的空压机运转在50%的空气消耗量时，空压机会经常在重车（提供最大输出风量及使用最大电流）与空车（没有输出风量，但消耗约45%的电流）之间切换，如此虽然消耗了72.5%的全载电力，但仅提供50%的输出风量，结论是损失22.5%的运转效率。 进气节流模式（压缩机的进气节流）是限制自然空气进入压缩机的量，减少压缩空气的输出量。当压缩机持续运转在此一模式下，在固定的流量下，节能效果是一个固定比值，而其能源消耗比值在低风量时将无法成等比例。 当空气采用进气节流模式的压缩机运转在50%的空气消耗量时，空压机会限制50%的空气量进入空压机，如此虽然消耗85%的全载电力，但仅提供50%的输出风量，运转效率损失达35%。 变频式空压机是经由改变空压机转速，来反应系统压力的变化，并保持稳定的系统压力，当系统消耗风量降低时，此时空压机提供的压缩空气量会大于系统消耗量，变频式空压机会减低转速，同时输出压缩空气量，来保持稳定的系统压力值。若当系统消耗风量增加时，空压机提供的压缩空气量会小于系统消耗量，变频式空压机转速会相对增加，同时输出压缩空气量，来保持稳定的系统压力值。这样的运转方式，可让变频式空压机直接且快速的反应系统压力变化，并且提供系统消耗所需的风量变化，经由此种运转模式，变频式空压可在输出风量与能源消耗之是维持最佳的运转效率。变频空压机的优点除了省电的明确效益外，也能提供稳定的排气压力，提高马达功率因素，有效降低启动电源，消除星三角切换之高电源，并延长空压机的使用寿命。空压机已广泛应用在各种行业中，也因为各行业之不同应用特性，导致其在控制上必须之不同应用特性，导致其在控制上必须有相当大的调整范围，所以选购变频式空压机或对老式空压机进行变频改造时应详细了解计划采用的变频器的功能，性能及控制逻辑和方法（如PID），规划空压机可能遇到的应用状况，从而调整相关参数。（三）变频改造或配套应注意的几个系统工况： 1空压机或空压站的现场工况： 针对空压机，需了解以下内容：空压机的种类：螺杆或活塞式。空压机的润滑和冷却模式：无油或微油，润滑采用何种供油模式，以及采用何种冷却方式（风冷或水冷）。电机的标牌功率：电机极数，额定功率和电流的大小。原系统的电机一个工作周期的工况：加载和卸载的时间长短和实际工作电流的大小。原设备的工作压力设定：如加载的压力大小卸载的压力大小。原空压机主电机的起动模式：是星-起动还是软起动。 针对空压站，需了解以下内容：空压站的组成模式：多少台空压机组成该站。组成该站的每台空压机的单独工况。2变频器、传感器选型的原则： 明确空压机负载为恒转矩负载，一般选用恒转矩型变频器，如果工频时工作电流在额定电流以下，可以采用同功率匹配（针对4极电机），如果为更多级数的电机需要将变频器功率适当放大。不推荐使用风机泵类变频器，如果要使用将变频器功率适当放大。 根据工况的要求选取适当的压力传感器：远传压力表一般为电阻式（精度低，抗干扰能力差，不适合远距离传送信号），压力变送器（精度高，一般以0-20mA的形式对外输出，适合远距离传送）。 根据现场工况，可以考虑在变频器输入输出端加装电抗器和磁环等滤波装置，能有效抑制变频器对电网和其他设备的干扰以及电机的温升和噪声污染。 控制线、信号线要采用屏蔽线缆，布线时要和动力电路分开，防止干扰。3变频器改造安装应注意问题 动力线路的改造：在变频器的输出端最好不要有接触器等辅助电器。对原系统采用的是-起动方式进行线路改造时应正确接线，针对原控制线路，如果有干扰存在，可以考虑在控制部分的电源线上加装电源滤波器或磁环等抗干扰滤波装置。电机应可靠接地。对部分空压机有要求温度控制的（排气温度），为防止温度过高，可以外加温度控制器控制变频器的紧急停车。变频器采用端子控制方式，使用原系统的星起动接触器的辅助常开触点做为变频器的方向信号开关，控制变频器的运行。 变频器调试时应注意的问题：系统采用PID控制模式，如果变频器有压力PID控制功能，按照说明书的要求调试即可。 如果变频器没有PID功能，则可以采用外围PID控制器的模式来实行控制，注意P、I、D三个参数量的设置，避免超调和振荡发生。 针对原系统采用星-起动模式，一般采用星型起动2-10秒后再投入三角形运行。在这个过程中，进气阀的开度经历了20%-30%开度到45%-100%开度的过程，也就是在起动过程中负载是逐渐加入的。针对此种情况，我们在采用变频控制时，采用星型接触器的常开触点控制变频器的方向运行信号，主要是为防止在变频器起动时全载起动负载过重跳保护。针对空压机紧急停机的情况，可以利用三角型接触器的辅助触点控制变频器的紧急停机信号，自由停机。 空压机的相关调整：原空压机在加载时其进气阀基本全开，卸载时进气阀关闭。采用变频控制后，如果当气罐压力超过空压机的卸载压力，会出现进气阀关闭，变频器带动压缩机空载（低频）运行的的情况，空压机有时会出现听起来异常的声音，这主要是电机在低频下带动空螺杆运行所致。出现这种情况，可以将卸载的压力设定在原有的数值上调大，基本可以有效解决该问题。变频器在运行时可设定一个底限频率（一般为20Hz以上），能比较好的解决加速时间慢的问题。 电机温升问题：变频器在低频下长时间运行，电机温度会适当上升5-8度，针对温升较大的，须给电机进行简易变频电机改造，加装单独供电的风扇。（风扇的选取参数：针对不同功率的电机，需要不同的供风量，可以参照四极普通电机在1500rpm的风叶直径来选取风扇。） 空压机的润滑问题：需要针对原空压机的润滑方式分开来讨论，针对无油空压机，可以不考虑该问题。 针对微油空压机，分为齿轮泵供油，单独的电动机带油泵供油和靠压力差供油。齿轮泵供油需要考虑转速降低后供油能力下降，单独电机供油只须考虑接线问题（不要接到变频器），压力差问题基本不考虑。根据我们改造的空压机在5年内还没有发生润滑不好的客户反馈。关键是采用了下限频率设定功能（不要低于20Hz）。 空压机变频改造的节能分析： 空压机节能改造一般节电率都可以达到20-45%左右，主要是客户在当初选型时都基本加大了需要用气量的20%左右，因此变频式空压机不是新闻，节能范围在20%-45%（实际用气必须在70%左右），满负荷工作的空压机节能效果相当明显，目前很多的空压机厂已完成变频式空压机的试制，只是需要选择时机在市场推广。据我们了解以下公司目前就有配套变频的空压机销售：日本日立、日本三井、IR、ATLAS、MUSHENG。 空压机变频改造后的情况： 节约能源：变频器改造后，能源节约是最有实际意义的，根据生产需要的空气量来控制的压缩机实际运行，达到经济的运行状况。（见表1）（见表