荣信 高压变频器在煤矿非独立油系统螺杆空压机上的应用

一、概述 铁法晓南煤矿压风站，有三台美国寿力TS-32S型螺杆式空压机，两台运行一台备用。为了满足井下风量的需求两台空压机并联运行，根据井下风压的大小调节螺杆式空压机加载阀、卸载阀控制空压机的供气。由于井下用气设备的工作周期不确定、生产工艺差别大，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；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。设备现场示意如图1所示。

图1 现场空压机与变频器图片

二、螺杆空压机原理 螺杆式空压机的气缸呈“∞”型,里面平行的布置着两个按一定传动比例反向旋转、相互啮合的阴阳螺旋转子。螺杆压缩机工作时气体经吸入口分别进入阴阳螺杆的齿间空腔，随着螺杆的不断旋转各自的齿间容积也不断增大，当齿间容积达到最大值时与吸气口断开，吸气过程结束。压缩过程是紧随其后进行的，阴阳螺杆的相互啮合使齿间容积值不断减小，气体的压力不断提高，当齿间容积与排气口相通时，压缩过程结束，进入排气过程；在排气过程中螺杆的不断旋转连续的将压缩空气送至排气管道。螺杆空压机主机内部结构图如图2所示。

图2螺杆空压机主机内部结构图

空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，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。常规起动将引起压力过低，空压机系统报故障，系统无法运行，这也是本项目改造的难点，螺杆空压机系统结构如图3所示。

如果负载用气量小于机组的额定供气量,管线压力会上升到设定值。这个压力能克服压力调节器中弹簧压力阀门打开,将压力信号传到进气调节器,部分关闭进气阀,减少进气量使之与用气量相匹配。系统原理图如图4所示。

如果用气量一直较低,管线压力会超过设定压力电磁阀失电,控制同时进入进气阀和放空阀,使进口阀关闭；同时放空阀门打开,释放储油罐压力。

三、高压变频控制方案

3.1原有控制系统

远程操作台通过硬线接口给空压机一个启动信号。触点闭合启动断开停止。空压机接收到启动信号后，给高开柜一个合闸信号，高开柜内断路器合闸，高压回路接到电机中，主高压电机开始旋转。空压机开始运行。远程操作台停止信号断开，空压机停止工作。发给高开断路器断开信。同时在空压机的面板上也可以直接操作空压机的启动和停止。

3.2变频系统改造方案

为了保证空压机节能运行，其中一台空压机加变频控制。两台空压机并联运转，一台工频运行保证输出最大压力。另一台变频运行，闭环调节变频器的运行频率保证压力满足井下用风的要求。 荣信公司提供的高压变频器串接在原有的系统中。原有高压电源（原有高压直接接在空压机高压输入端）接到高压变频的输入端。高压变频输出接到空压机的高压输入端。改造后一次系统图如图5所示。

系统图中虚框中表示高压变频器。

当变频运行时：KM1、KM2闭合，KM3断开。KM1、KM2、KM3变频系统自动控制动作。在变频器面板上选择工频/变频选择转换。综合考虑空压机的机械系统可靠稳定运行，保证空压机的油压系统正常变频器有最低频率限制。空压机的保护系统还以原有空压机系统保护为准。

当工频运行时KM3 闭合，KM1、KM2断开。 3.3电气逻辑控制方案

当变频系统控制时，以空压机操作为核心。确保空压机和变频器没有故障，手动合上级高压开关。变频器选择为远程控制方式。高压变频器开始充电，变频器到达就绪状态。在空压机的控制面板上点击启动按钮，空压机给变频器发出一个启动信号。变频器启动直接驱动空压机内的高压电机。变频器自动升速到最低频率，根据压力传感器检测的实际压力调节运行频率。变频器运行后会给空压机一个运行反馈信号，相当于原系统的工频运行信号。空压机停止时，空压机给变频器发停止信号，使变频器停止输出。变频控制系统框图如图6所示。

空压机系统故障时，空压机给上级高开柜发出分闸指令，直接分上级高压开关。变频器有故障时，停止对空压机的驱动。可以根据实际情况改为工频模式。变频器选择为工频控制时，可以直接在空压机的面板上启动，变频系统旁路运行。远程监控系统分别与空压机和变频器进行MODBUS通讯，可以实现远程操作和数据监控。在远程上位机可以监视到变频器运行、停止、就绪、故障、报警、运行频率、运行电流、输出电压、变压器温度等信息。

三、改造中遇到问题 在变频带载调试时，启动过程中空压机报压力过低故障，询问空压机厂家故障原因是，变频器的速度过低导致空压机油压系统压力过低的原因。更改升速时间还是报压力过低故障。变频器的运行频率到3.5Hz，启动时间为7S，空压机的油压没有建立起来。连续试2次空压机都报压力过低故障。

螺杆式空压机的结构与离心式空压机结构不同，油压系统不是独立的，系统的油压靠系统行程机构带动起来，电机的速度过低，润滑系统的油压没有建立起来，空压机为了保证主机构不磨损，油压过低系统就会报保护停机。空压机检查油压过低在启动后计时7S，检测油压不到1.5Pa时，系统就会报故障。至少这时转速大概是额定转速的80%，对应变频的运行频率为40Hz左右。

为了解决系统启动时空压机报压力过低故障，把变频器的加速时间缩短。0-40Hz的升速时间控制在7S中内。保证在这么短的加速时间变频器的功率器件不被损坏，把功率单元器件参数进行了核算调整，对控制算法进行了优化。并在启动时的控制逻辑加以修改，变频就绪前就把输出接触器合闸。通过快速升速的方法解决了空压机变频运行时压力过低的问题。

四、定压分段闭环自动控制方式运行

由于井下的开采工作时间和开采量不同，在不同时间段内需要的压力是一直在变化的。用单点给定压力闭环控制方式满足不了现场工艺的要求。为了实现系统节能效果最佳状态，并能满足工艺的要求系统增加定压分断闭环自动控制功能。

变频器根据压力传感器检测的管网压力进行分段控制。根据所需压力大小设置上下限判断点，控制变频器的运行频率。空压机启动及系统压力达上限值时为空压机空载状态，电磁阀状态为关断，对应变频器下限频率运行；系统压力达下限值时空压机加载状态，电机满载运行，电磁阀状态为打开，对应变频器上限频率运行。

实为段速调节，调节范围宽，系统响应慢。在控制面板上可以设置压力给定上限、下限压力值，对应的最高频率、最低频率同时可以在线修改。控制参数画面如图7所示。采用变频恒压供气是较为适合的控制模式。变频改造后，变频空压机系统通过压力闭环，可实现跟踪供气系统负载变化，调整空气压缩机电机的转速，保证排气口压力恒定，使空压机工作在最佳运行状态下。

五、空压机变频改造后的优点 变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据负载需求来控制压缩机工况是经济的运行状态。

行成本降低，传统压缩机的运行成本由三项组成：初始采购成本、维护成本和能源消耗成本。其中能源成本大约占压缩机运行成本的77%。通过变频改造后，能源成本降低44.3%，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。

延长压缩机的使用寿命，变频器从0Hz平滑起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。

降低了空压机的噪音。根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显降低，因此有效地降了空压机运行时的噪音。现场测定表明，噪音与原系统比较下降约3至7dB。

六、结束语

螺杆式空压机变频改造后，取得了良好的运行效果。但要注意几个问题：原则上保留空压机原有控制逻辑，不要更改空压机的保护逻辑；变频器的启动时间一定要满足空压机的要求。通过加速时间分段控制和适当的功率器件的参数来满足空压机短时间启动的要求；螺杆式空压机属于恒转矩负载，有些空压机不允许低频长期运行。速度过低会使空压机缸体润滑降低会增加磨损；空压机变频运行时要保证在工作在安全区域内，避免空压机喘振或受损。 参考文献： 杨兴瑶：《电动机调速的原理及系统》 北京水利电力出版社  1995 李华德等．交流调速控制系统[M]．北京：电子工业出版社，2003：23～35，93～97 刘建民、陈建军《螺杆式空压机运行及维护技术问答》中国电力出版社 2011-05 徐建英 《螺杆式空气压缩机》中国铁道出版社, 2004