基比系列通用型低压变频器在螺杆式空气压缩机变频改造上的应用

冯东生 张时东 崔天龙
（成都佳灵电气制造有限公司 成都佳灵变频器厂）

摘 要 本文介绍了螺杆式空气压缩机的工作原理和电气控制原理，对变频节能改造进行了可行性分析，介绍了主电路和控制电路的改造方法，也指出了改造中的注意事项。事实证明，基比系列通用型变频器应用于螺杆式空气压缩机运行稳定、性能良好，具有较高的推广和应用价值。


Application of Frequency Converter Rebuild in Screw Air Compressor Machine
Fong Dongsheng Zhang Shidong Cui Tianlong
Jaling Electric Manufacture Ltd., Co. Jaling frequency inverter Manufacture Plant

Abstract: This study is introduces the screw air compressor machine’s theory of operation and electrical control principle. It is not only analyst feasibility of energy saving after frequency rebuild, but also describes the rebuild method of main circuit and control circuit. The practice has proved that the JP6C frequency converter applied in screw air compressor machines has run efficiently and steadily, which is worth popularizing its applications.
Keywords: Screw Air Compressor Machine Energy Saving and Frequency Rebuild General Frequency Converter


0 前言
螺杆式空压机广泛地用于工业生产中，在其控制中采用加载-卸载阀来控制空压机的供气。由于用气设备的工作周期或是生产工艺的差别，使得用气量发生波动，有时会造成空压机频繁加载、卸载。空压机卸载后电机仍然工频运转，不仅浪费电能而且增加设备的机械磨损；空压机加载过程是突然加载，也会对设备和电网造成较大的冲击。因此对空压机进行变频改造具有改善电机的启动和运行方式、减少设备的机械磨损、在一定范围内节约电能等效果。


1 螺杆式空压机的工作原理

以单螺杆空压机为例说明空气压缩机工作原理，如图1所示为单螺杆空气压缩机的结构原理图。螺杆式空气压缩机的工作过程分为吸气、密封及输送、压缩、排气四个过程。当螺杆在壳体内转动时，螺杆与壳体的齿沟相互啮合，空气由进气口吸入，同时也吸入机油，由于齿沟啮合面转动将吸入的油气密封并向排气口输送；在输送过程中齿沟啮合间隙逐渐变小，油气受到压缩；当齿沟啮合面旋转至壳体排气口时，较高压力的油气混合气体排出机体。


2 压缩气供气系统组成及空压机控制原理
1 压缩气供气系统组成
工厂空气压缩气供气系统一般由空气压缩机、冷干机、过滤器、储气罐、管路、阀门和用气设备组成。如图2所示为压缩气供气系统组成示意图。



2 空气压缩机的控制原理
在工厂的空气压缩机控制系统中，普遍采用后端管道上安装的压力继电器来控制空气压缩机的运行。空压机启动时，加载阀处于不工作态，加载气缸不动作，空压机头进气口关闭，电机空载启动。当空气压缩机启动运行后，如果后端设备用气量较大，储气罐和后端管路中压缩气压力未达到压力上限值，则控制器动作加载阀，打开进气口，电机负载运行，不断地向后端管路产生压缩气。如果后端用气设备停止用气，后端管路和储气罐中压缩气压力渐渐升高，当达到压力上限设定值时，压力控制器发出卸载信号，加载阀停止工作，进气口关闭，电机空载运行。图3为某品牌空气压缩机的系统原理图。


3 螺杆式空气压缩机变频改造
1 空压机工频运行和变频运行的比较
空压机电机功率一般较大，启动方式多采用空载（卸载）星-三角启动，加载和卸载方式都为瞬时。这使得空压机在启动时会有较大的启动电流，加载和卸载时对设备机械冲击较大；不光引起电源电压波动，也会使压缩气源产生较大的波动；同时这种运行方式还会加速设备的磨损，降低设备的使用年限。
对空压机进行变频改造，能够使电机实现软起软停，减小启动冲击，延长设备使用年限；同时由于电机运行频率可变，实现了空压机根据用气量的大小自动调节电机转速，减少了电机频繁的加载和卸载，使得供气系统气压维持恒定，在一定程度上节约了电能。



2 空压机主电路和控制电路的变频改造
以某品牌空压机为例，图4是其电路原理图。可以看出该品牌型号的空压机采用星-三角启动方式，在其控制电路上有加载继电器（注意该机的控制PLC为日系产品，PLC的数字量输出端为低电平）。在主电路改造时，将变频器串接进原有的电源进线中；控制电路中增加一个时间继电器JS，时间继电器的线圈一端与220V控制电路零线接通，另一端通过电机主电路上的交流接触器KM1的一对常开触点与220V控制电路火线接通。同时将加载阀中间继电器与PLC的连线松开，将加载阀中间继电器的一端直接和220V控制电路零线接通，另一端通过时间继电器JS的一对常开触点与220V控制电路火线接通。变频器的正转信号端子FWD，通过电机主电路上的交流接触器KM1的一对常开触点，与变频器公共控制端CM接通。变频器的模拟量反馈信号C1和GND端子，与压缩气输送管路上的压力传感器相连接。图5是变频改造后的电路原理图。



3 空压机变频改造后的启动和运行方式
空压机变频改造后，电机启动时原有的交流接触器仍然由其控制PLC按星-三角方式动作，但在交流接触器连接为星型时，交流接触器KM1的常开触点没有闭合，变频器FWD端子与CM端子没有接通，变频器不启动、无输出；当PLC控制交流接触器转换为三角形接法后，KM1的常开触点闭合，变频器FWD端子与CM端子接通，时间继电器JS处于延时状态，加载阀不动作，变频器开始空载变频启动电机。当变频器启动电机完成后，时间继电器JS动作加载阀，变频器自动变频运行。


4 螺杆式空气压缩机变频改造注意事项
1在进行变频改造时应该注意，尽量保持原有设备主电路和控制电路的完整性，对其电路的改动越少越好；这有利于在变频器发生故障或是检修时，空压机可以很方便地改动回到原有的控制方式上去，这保证了空压机在变频和工频状态下都可以运行，也使得改造时可以不用重新编写PLC程序。
2变频器的启动信号由角形接法交流接触器KM1控制，既在星形时变频器不启动无输出。
3时间继电器JS的整定时间要大于等于变频器的启动时间，这保证变频器空载变频启动。
4变频器的下限运行频率一般要设在35赫兹或以上，如果赫兹数太低，可能会造成油气分离器无法有效分离油气，造成空压机漏油现象。但要根据实际情况具体来考虑设定下限频率值，因为不同的空压机其机械配合磨损和效率不尽相同，其不漏油的下限频率也不一定相同。
5管路上的压力传感器的安装位置要尽量靠近空压机，不要安装在过滤器或是阀门以后，同时切记压力传感器和空压机之间的管路上不能安装任何阀门元件，防止过滤器堵塞或是阀门关闭后，空压机不停机并发生爆炸危险。还应该保留空压机原来的压力停机保护开关。
6使用变频器下限频率延时停机功能。
7按生产工艺要求，变频改造后，适当降低压缩气供气系统的供气压力，将原来的高压变流量供气改变为变频恒压变流量供气方式。


5 螺杆式空气压缩机变频改造节能分析

如图6所示拉力F与摩擦力F’大小相等、方向相反，拉力F在时间T内拉动物体做直线运动，移动位移S。拉力F在时间T内作的功率P为 （式1）



由数学知识可知线速度v和旋转角速度ω之间的关系如式2所示,式中f为旋转体的旋转频率。
(式2)
将式2代入式1可以求得旋转物体摩擦阻力功率如式3所示
(式3)
由式3可以知道,克服旋转体的摩擦阻力使旋转体匀速转动,需要向旋转体提供的功率按式3公式计算（忽略机械效率损失，认为η为1）。式3中F’为旋转体的旋转摩擦阻力，r为旋转体的旋转半径，f为旋转体的旋转频率。所以我们可以在忽略空气压缩机机械效率损失，同时忽略空压机机械效率因为电机转速变化而变化的情况下，即始终认为空压机机械效率η为1，可以近似地认为变频器的输出功率与空压机电机的转速成正比，即成一次方正比例关系。
如图7所示是螺杆式空压机工频运行时的转速/功率-周期示意图。t1是空压机加栽运行时间，t2是空压机卸栽运行时间，加栽/卸栽时的转速和功率分别为P1/n1和P2/n2。忽略空压机机械效率η的变化，W1和W2分别为空压机加栽运行时间t1和卸栽运行时间t2中由电源输送给空压机电机的能量。其中W1转换为压缩空气势能、动能和热能等形式的能量，供设备使用。而W2则转换为机械的摩擦热能和声音、震动等形式的能量损失掉。
所以螺杆式空压机经过变频改造后，由于电机处于变速运行情况下，而通过式3的推导知道电机的平均功率与电机的平均转速成一次方正比例关系。空压机变频改造后，是根据用气系统的用气量恒压变流供气；所以变频改造后，空压机在周期T（t1+ t2）内所作的功W，等于同等工况下，空压机工频运行时，加载运行时间t1内所作的功W1。如图8所示。
通过以上分析，可知只要知道螺杆式空压机工频改造前卸载运行时间和卸载电流，就可以大致计算出，相同工况下变频改造后的节能功率和节能电量（忽略机械效率η的变化）。