变频器调速技术与应用 课件 项目6变频器在空压机上的应用

1.知识目标（1）掌握空压机的原理和用途（2）掌握变频器在空压机上的应用（3）掌握变频器控制参数的选择与调试2.技能目标（1）掌握变频器在空压机上的正确应用与调试。（2）会调试变频器PID控制系统。（3）掌握变频器空压机传动系统的选型安装与调试3.内容导读本项目主要分析压缩气体与空压机、空压机原理分析、变频器在螺杆式空压机上的应用项目导航知识准备6.1压缩气体与空压机6.1.1气体的压缩特性1.话题引入地球上的物质分固态、液态和气态。空气是由多种物质组成的无色无味透明的混合气体，是人类的“生命气体”，空气又是生产中的重要资源。空气主要成分是氧气和氮气，氧气占21%；氮气占78%。还有氦、氖、氩、氪、氙等气体，占到0.94%。少量的二氧化碳，占到0.03%。2.空气的物理特性①空气的流动性。空气可以从气压高的地方向气压低的地方流动。②空气具有可压缩性。被压缩的气体具有弹性，被压缩时气体体积变小，气体膨胀时可以做功（气体压力源用）。③气体被压缩时放出热量，气体膨胀时吸收热量。气体本身并不消耗能量（空调用）。④气体具有温度临界值/oC和压力临界值/MPa，不同的气体具有不同的临界值。表7-1是气体的温度压力临界值，当温度或压力达到了临界值，气体液化。表6-1气体温度压力临界值3.热力学定律

热力学第一定律为

△U=W+Q（6-1）式中，△U——内能的变化量，单位J（焦耳）。如果△U为负数，研究对象内能减小。Q——研究对象吸收的热量，单位J（焦耳）。如果Q为负数，则说明研究对象向外释放热量。在自然态下，Q传导具有方向性，即只能从高温物体向低温物体传递热量。W——外界对研究对象做的功，单位J（焦耳），如果为负数，则说明研究对象对外界做功。热力学第一定律是热能守恒定律，当气体受压时放出热量，当气体膨胀时吸收热量，气体自身不产生或消耗能量，气体只是能量转换的载体。这为空压机的应用奠定了理论基础。6.1.2.空压机的分类1.空压机分类空压机是空气压缩机的简称，工业上都用简称，该书也用简称。空压机是一个大家族，种类繁多，品种齐全。根据工作需要，压力分为低、中、高3个级别，排气量也分为小、中、大3个级别。表6-2是常用的几种空压机表6-2空压机分类表2.

空压机的用途（1）空压机作为动力源应用运行设备需要动力源驱动，动力源有三种：电能动力源、气压动力源和液压动力源。电能动力源是通用动力源，用途最广，但也不是任何场合都适用。气压动力源和液压动力源有自己的独到优势，在某些场合具有不可替代性。空压机作为气压动力源的产生设备，被广泛应用于机械，治金，电力电子，医药，包装，化工，食品，采矿，纺织，交通等众多工业生产领域。根据统计资料显示，空压机的耗电量，占到风机和泵类总耗电量的15%，可见空压机设备占有率是很高的。下面是气压动力源在气动工具上的应用。气压动力源驱动各种气动机械做功，常见的有气动往复气缸、气动马达、气钻、气锤、风镐、扭力扳手，棘轮扳手；喷涂设备、喷枪系列、吹尘枪；

机器人、气动机械手、气动卡具等。压缩气体因为具有“弹性”，工作中无需过载保护。图6-1是常用气动工具。

（c）气钻

（d）气动马达（a）气锯（b）气动扳手（2）空压机用于制冷/制热空压机用于制冷/制热，用途广泛，只要是对温度有要求的行业，都能用到。图6-2是电冰箱制冷原理图，图中管路中的工质是不含水份的氨气或氟利昂气体，空压机为柱塞式压缩机，工质在密封的回路管路中流动。图6-2电冰箱制冷原理图图中空压机的进气端是管路的低压端，管路中是低压气体；出气端是管路的高压端，是通过空压机压缩后的高压气体。高压气体因为被压缩放出大量的热，通过冷凝器将热量散掉。为了增加冷凝器的散热面积，把管路做成管排，垂直安装，通过上升的气流将热量带走；高压液化的气体通过毛细管节流，喷发到管路的低压制冷端，气体喷发膨胀吸热，使管路温度降低制冷。

蒸发器为了加大冷量的传导，也是做成管排，将冷量传导到用冷物的降温。图中的干燥过滤器是为了滤除冷冻工质中的水汽，防止结冰堵塞毛细管。为了制冷量可控，现在制冷设备均由变频器控制（变频空调、变频冰柜）。（3）根据气体的液化压力点进行气体提纯

不同的气体具有不同的液化压力点，在混合气体中，可以通过施加不同的压力，把需要的气体分离出来。如制氧机、稀有气体氙、氪、氩、氦的提纯等，都是应用气体的液化点不同将其分离、提取。例如制氧机，氧气在5.043MPa压力下液化，将氧气从大气中分离出来。（4）气体输送加压

天然气、煤制气等气体在远距离输送时，需要加压才能远距离输送。图6-3是用于气体加压用的罗茨空压机。低压气体被进气口吸入，被加压后在出气口排出，达到气体增压目的。。图6-3罗茨空压机6.2空压机原理分析

6.2.1离心空压机原理

离心空压机和离心风机原理相同，也是根据离心力工作的气体设备。但是因为空压机输出的风压远大于风机，因此在结构上和风机区别较大。图6-4是离心空压机

外形图。由图中可见，电动机的输出轴，通过“齿轮加速箱”传到空压机的叶轮，即叶轮的转速远高于电动机的转轴的转速。而一般风机都是采用减速箱，空压机采用加速箱。采用“氢气”为机体散热。图6-4离心空压机外形图

离心空压机和离心风机原理相同，也是根据离心力工作的气体设备。但是因为空压机输出的风压远大于风机，因此在结构上和风机区别较大。图6-4是离心空压机外形图。由图中可见，电动机的输出轴，通过“齿轮加速箱”传到空压机的叶轮，即叶轮的转速远高于电动机的转轴的转速。而一般风机都是采用减速箱，空压机采用加速箱。采用“氢气”为机体散热。1.离心空压机升压原理图7-5是离心空压机的原理图，图（a）是正视图，图中电动机通过增速齿轮，将动力传到叶轮轴，叶轮轴上安装有叶轮，叶轮中心是吸气口。叶轮是一个伞状形锥形体，在叶轮上分布着伞状形叶片。伞状形叶片的最大直径端称为“升压片”，因为直径越大，离心力越大。防漏环是离心空压机的关键部件，制造精度非常高，和叶片之间的间隙很小，保证气体在“升压过程”中不泄漏。

（a）正视图

（b）侧视图气体进入叶轮后，在防漏环的密封下，进入到伞状叶片的最大直径端，受到最大离心力作用，形成高压气体，由蜗壳收集在排气口排出（见图（b））。

图7-5（b）侧视图2.叶轮轴组件

图6-6是实体叶轮轴组件，由图中可见，叶轮轴上装有增速齿轮，目的是提高叶轮转速以提高离心力。在轴的中心是导流区，叶片的弯曲度不同，便于将气体导入叶轮。随着叶轮直径的增加，叶片变窄，强度增加，离心力增加。

图6-6叶轮轴组件3.离心空压机系统分析（1）主机散热图6-7是离心空压机系统图。气体受压时要放出大量的热，空压机必须要有良好的散热才能正常工作。小功率空压机采用风冷，大功率空压机必须用水冷。水冷原理就是在主机的机体铸造时留出水冷腔，水冷腔外接冷却水管。工作时在冷却水管中通入循环水，循环水的另一端接散热器，将机体的热量散掉。图中的“冷却水管”连接到外接散热器上。图6-7离心空压机系统图（2）离心空压机的优缺点离心空压机是靠离心力完成气体压缩，运行平稳无噪声。在运行中叶轮是处于悬空状态，没有摩擦，不用润滑。因为蜗壳中的气压很高，轴承的润换油也进不到蜗壳中，所以离心空压机输出的是不含油的气体，可以直接应用。离心空压机的优点为：

①

排出的气体不含油，不用二次处理。②

排出的气体没有脉动，稳定性高。③叶轮高速旋转，和同等功率的空压机比较，比其它的空压机节能。离心空压机的缺点为：①转子直径大转速高，一般离心式空压机都是大中型，没有小型。②离心空压机工作时不能有大的变动，适用的工作范围比较窄，多为特定场合应用。

（3）离心空压机的应用离心式空压机广泛应用于汽车、化工、制药、采矿和空气分离等行业。现在离心空压机解决了向高压力，宽流量范围发展的一系列问题，使离心空压机的应用范围大为扩展，在很多场合可取代往复空压机，大大扩大了应用范围。6.2.2双螺杆式空压机1.双螺杆式空压机工作原理

双螺杆式空压机属于旋转容积式空压机。工作中通过两个“对滚”的螺杆将气体挤压出去，形成高压气体。图6-16是双螺杆实体图，由图中可见，螺杆转子具有5条螺纹线，每条螺纹线都有“螺齿”和“螺槽”，转动中螺槽储气，螺齿压气。当两轴按图中转向转动时，右边的两面为吸气，左边的两轴中间为出气。螺纹的长度为1个螺距，旋转一周，完成1次吸气和压气。图6-16双螺杆转子实体图6-17是螺杆空压机实体解剖图。在图中，“主动轴”螺杆为“阳螺杆”，“被动轴”螺杆为“阴螺杆”。动力由阳螺杆输入，在阳螺杆和阴螺杆的轴头上分别安装着一对同步齿轮，阳螺杆通过同步齿轮，将动力传递到阴螺杆。两个螺杆在制造时，“螺槽”的形状和“螺齿”的形状一样，二者是无间隙配合。二者在转动中“螺槽”中的气体无泄漏的被螺齿压向排气口。当阴阳螺杆按图中转向转动，螺纹槽从右向左移动，当螺纹槽的进气口转过箱体的进气腔，螺纹槽中的气体被困住。此时“螺齿”在此螺槽中滚动，将困住的气体压缩，同时螺槽的左端已经和排气口接通，由“螺齿”将气体压出。阴阳螺杆在“对转”的同时，“困气”和排气是连续进行的，没有间断。2.含油式双螺杆空压机图6-18是含油螺杆空压机结构图。阴阳螺杆在“对转”滚动中，螺齿和螺槽之间具有滑动摩擦，要产生很大的摩擦阻力，降低了空压机效率，造成螺杆发热严重，必须通过润滑油润滑才能工作。因此，该空压机为有油空压机。润滑油一方面是起润滑作用，另一方面还具有防漏功能。螺杆空压机自从引进了油润滑之后，才成为空压机中的主力机型。由图中可见，通过专门的油泵为螺杆和整机润滑。图中的“螺杆油泵”也是一个螺杆结构油泵，专门为螺杆空压机做润滑用。整台螺杆空压机的转动轴承润滑、转动螺杆润滑；螺杆在转动中，要承受很大的轴向力，是通过“轴向压力平衡油管”将两端的压力进行平衡，这些用油都是通过“螺杆油泵”提供。因为有油螺杆空压机输出的是油气混合气体，不能直接用于生产，必须要油气分离。这就增加了设备的复杂性。3.螺杆空压机“总成”与油气分离图6-19是含油螺杆空压机“总成”。螺杆空压机由于结构非常精密，对气体清洁程度要求很高，不允许粉尘颗粒进入空压机，在空气进口设置“空气滤清器”和“进气控制阀”，进气控制阀在空压机工作时才打开，不工作时关闭。图6-19含油螺杆空压机总成气体被压缩后由“油气混合出气管”进到“油气罐”。“油气罐”又是“油气分离器”，因油的比重大往下“沉”，气体的比重轻往上“浮”，油气被分离。油气分离后的高压气体由“气管”进入“冷却器”冷却，冷却后由“输出阀门”输出；“油气罐”中分离出来的油由“油管”进到“冷却器”冷却，冷却后再流回空压机。4.螺杆空压机气源配置与控制系统图6-20是螺杆空压机标准气路配置图。高压气体由空压机“总成”机柜输出后，先进入储气罐，因为储气罐容积大，立式安装，气体在储气罐中的停留时间长，油的沉淀时间长，能够进一步进行油气分离。经储气罐二次油气分离，输出的气体可满足动力设备的应用要求和非接触用气要求。图6-20螺杆空压机标准气路配置图。5.含油螺杆空压机的优缺点（1）螺杆式空气压缩机的优点①可靠性高。螺杆压缩机零部件少，没有易损件,运转可靠，寿命长，大修间隔期可达4-8万小时。即连续工作9年内不用大修。②操作维护方便。操作人员不必长时间专业培训,可实现无人值守运转。③动力平衡性好。没有不平衡惯性力,机器可平稳地高速工作。体积小、重量轻、占地面积少。（2）螺杆空压机的缺点①造价高。因为其转子齿面是一空间曲面，需要高精度的设备进行加工。②不能用于高压场合。由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制,所以只能适用于中、低压范围，排气压力一般不能超过4.5MPa。③不能反向运行。螺杆压缩机绝对不能反向运行(除点动判别转向正确以外),否则会造成烧机故障。5.含油螺杆空压机应用范围螺杆空压机是现代企业生产过程中必不可少的气源设备，其应用范围广，主要应用行业为：①设备制造业。喷漆、喷洗机、机械退模、驱动装配工具、钻床、锤子、升降驱动、组合工具、铰刀、运行运行、铆钉螺丝刀旋转驱动、锻造、金属成型压力机运行操作、抛丸、喷涂、传动、驱动等工艺流程。②汽车制造业。喷洗零部件、驱动装配刀具、夹具工具、起吊葫芦行车、气动控制、锻造车间气锤压制、铸造车间鼓风、钣金车间喷漆。③化工行业。通气和搅拌、分离塔用气、清洗设备、气动控制、工艺用气。④钢铁行业。除氧用气、高平转炉用气、料车定位、沉渣室钻孔、卸料包、平炉烟道清洁、驱动风动工具、风镐、砂轮机、起吊葫芦和升降机、喷砂、高炉出炉、真空除气。⑤螺杆空压机是现在的主力设备，市场占有率达到80%以上。任务实施任务

变频器在螺杆式空压机上的应用一、

设备选型1.1空压机与变频器选择1.螺杆空压机选型（1）选型参数

有一企业，车间气动设备需要低压气动动力源驱动，对动力源要求为：工作压力0.8MPa，空压机流量16m3/min，选择螺杆空压机，和电动机捆绑应用，空压机和电动机参数见表6-3。表6-3螺杆空压机铭牌参数（2）选择电动机根据表中要求，选择电动机：功率110kW；工作电压380V；4极交流笼形电动机。电动机总成见下图所示。图6-21是电动机和螺杆空压机总成，电动机通过联轴器和空压机连接。空气通过“滤清器”过滤，由“进气管”进到空压机。空压机压缩后的高压气体压入“油气罐”，通过油气分离，气体由“高压气管”流进“冷却器”由“冷却风扇”冷却后输出。图6-21螺杆空压机总成2.选择变频器根据螺杆空压机配备的电动机选择变频器的容量。空压机属于特种设备，有专为空压机控制的专用变频器。选择“英威腾”空压机专用变频器，型号GD300-01A-075G-4，功率按电动机功率选择即可，也为110kW。变频器和“螺杆空压机总成”安装在同一个控制柜中，如图6-22所示。由图中可见，变频器安装在控制柜的前面，空压机和电动机安装在后面。人机界面安装在柜门上。图6-22气体压力源控制柜3.选配储气罐储气罐是储存气体压力能的容器。工作中起缓冲作用。应用时进气口连接空压机的出气口。出气口连接负载。储气罐容量越大压力稳定性越好，气油分离越好。但储气罐越大占地面积大，成本高。经过计算，选择参数如下的储气罐。图6-23储气罐1.2选择传感器1.压力传感器选择

变频器为恒压PID控制，根据气源的稳定压力值选择压力传感器。本系统工作压力为0.8MPa，选择量程为1.2MPa的压力传感器。传感器为2线输出，输出电流4~20mA。图6-24是压力传感器连接图。图6-24传感器连接图2.电动机过热保护电动机驱动空压机工作，空压机工作中会产生大量的热，造成环境温度过高；电动机工作中本身也会发热，两个热量叠加，会造成电动机工作中热量超标。当外壳温度达到80°C，轴承就不能工作，必须进行过热保护。采用PT100铂金属传感器进行温度检测，检测信号连接在变频器的PTA1端口（见图6-24）。3.空压机过热保护空压机工作时压缩空气放出大量的热，正常运行温度一般在35°C至45°C之间。极限温度为80℃~120℃之间。空压机温度过高，会降低润滑油的润滑效果，加速设备磨损，降低设备使用寿命。温度过高还会造成抱轴事故，因此，对空压机和油气要进行热保护。采用PT100铂金传感器进行采样，检测信号加在变频器的PTA2端口上（见图6-24）。1.3双变频器空压机电路分析变频器选用“英威腾”空压机专用变频器，该变频器专为“螺杆空压机”进行设计，并且控制系统主变频器和冷却风机变频器同步应用，变频器的参数都已经选好，节省了变频器的调试时间。图6-25变频器电气控制图1.主从控制原理图6-25是空压机双变频器控制电路。该电路主机是驱动空压机的变频器，从机变频器是驱动冷却风扇的。主机变频器和风扇变频器采用主从控制模式，主机的RO2端子设置为“风机启停控制”，主机一运行，该端子输出闭合信号，风机变频器起动；主机的AO1端子设置为指示输出频率，用于风机的调速信号。2.HMI人机界面图中HMI为控制界面，用于变频器的控制，安装在控制柜的面板上（见图6-22）。HMI是采用通信的方法和变频器进行数据交换。HMI因为是和变频器配套使用，工作中的各种界面已经做好，用户只要按照导航进行应用即可。图6-26是英威腾“TC070A”触摸屏外形图。

图6-26TC070A触摸屏二、

双变频空压机调试步骤2.1系统配置调试“GD300-01A”空压机变频器推荐使用“TC070A”触摸屏进行显示和调试，因为厂家已经做好了“指令”连接，调试时只需按照导航的指引，填写相应的数据即可。下面分析具体调试步骤。1.调试准备按照图6-25进行接线；仔细检查接线是否正确，确保空压机变频器接地和空压机外壳接地连接良好，变频器通电。2.进入HMI调试界面触摸屏显示登录界面（见图6-27）。点击“请点击进入”按键后进入工作环境界面，显示如图6-28工作环境界面。图6-27登录界面

图6-28工作环境界面3.进入“菜单”选项点击界面中的“菜单”选项，进入图6-29菜单界面。点击菜单中“系统配置”，进入系统配置页面，界面显示如图6-30系统配置界面。点击风机变频“启用”，然后按照“出厂调试引导”的步骤进行调试。图6-29菜单界面

图6-30系统配置界面（1）第1步在系统配置界面，点击“电机参数设置”，出现“同步电机”界面，点“下一页”出现“异步电机”界面，如图6-31所示。在此界面中按要求填写电动机参数值。需要填写的电动机参数值见表6-4。参数填写完成之后，点击“参数辨识”，辨识结束后，点击“下一页”，设置风机电机参数。需要填写的电动机参数值见表6-4。图6-31主机参数设置界面表6-4电动机额定参数表（2）第2步回到系统配置界面，点击“一键设定参数”按钮，系统自动完成相关参数配置。参数配置详情参考表6-5。S端子与RO输出端子功能可根据系统接线情况进行修改。由表中生成参数可见，控制参数、保护参数，只要另行输入具体值就可以了。表6-5自动生成的参数表6-5自动生成的参数（3）第3步点击“下一页”进入“系统参数配置”，在系统配置界面，点击“系统参数设置”。见图6-32所示。图中所示参数均为默认值，如果和实际不同的要进行修改。如压力上限、频率上、下限、S数字端子端子的“状态”都可以根据实际情况进行修改。S1作为急停开关，根据急停开关的极性选择常闭常开；当S2选电机过温时，极性选择常闭。图6-32系统参数设置

图6-33调试模式界面（4）第4步返回“系统配置”界面，点击“调试模式”，进入“调试界面”，见图6-33所示。点击“点动运行”，确定电机转向；点击“加载”或“卸载”，测试电磁阀动作；点击“返回”进入系统配置。之后，点击“菜单”，返回菜单界面。2.2用户配置调试1.用户参数配置

点击菜单中“用户参数”，出现用户参数界面，见图6-34所示。填写温度、压力的额定值和加减速时间。图6-34用户参数设置2.维护参数配置点击菜单中“维护参数”，界面显示如图6-35所示。填写空滤、油滤、油气分离器的更换时间。图6-35维护参数设置3.保护参数点击菜单中“保护参数”，界面显示如图6-36所示，填写该设备的压力、温度的预警值和报警值。图6-36保护参数设置4.运行信息

点击菜单中“运行信息”，界面显示如图6-37所示。填写主机和风机的相关参数。图6-37保护参数设置5.结束调试按照手册，调整用户参数、厂家参数、维护参数后，返回“工作环境”界面，点击“启动”即可运行。2.3总结1.专用变频器的特点专用变频器就是为某种控制专门制造的变频器，具有很大的专用性，其专用功能齐全，不需要的功能弱化。如果将专用变频器改做它用不能正常工作。空压机专用变频器将空压机的很多功能作为默认设置，方便了变频器调试。如闭环PID控制，只需要将现场反馈信号连接到输入端子，在HMI上输入目标压力“恒定压力”就可以了。2.HMI配合专用变频器优点突出HMI在应用之前，首先根据负载的工作特点制作动画、表格、功能开关等界面，并且和变频器进行了矢量连接，通电后HMI界面上的动画、图表就都随着变频器的工作动起来。变频器参数选择不再需要指令“码”，只把参数“值”写进HMI就可以了。大大方便了用户。3.PID控制简化为压力选择PID控制参数选择比较麻烦，但在