螺杆式空气压缩机的变频化控制及应用.docx

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螺杆式空气压缩机的变频化控制及应用

摘要

本文主要介绍了新型变频化螺杆式空气压缩机的发展和特点，以及空气压缩机的变频化控制所带来的行业新变革。

文章在分析和比较了空气压缩机的发展现状和特点的基础上，结合工厂生产需求的实际情况，本着节能、环保、高效的理念，设计了一套以变频调速技术为基础的空压机恒压供气系统。

该系统综合运用变频调速技术以及自动控制技术，实现了空压机恒压供气的自动控制，并且配套热回收装置和组合式干燥机，确保了工艺生产的用气要求，同时也保证了压缩空气系统维持在最佳的运行状态。

关键词：

变频；节能；应用

Abstract

Thispapermainlyintroducesthedevelopmentandcharacteristicsofthenewfrequencyconversionofscrewaircompressorsandthenewchangeinaircompressorfrequencycontrolindustry.Articleintheanalysisandcomparisononthebasisofthedevelopmentstatusandcharacteristicsoftheaircompressor,combinedwiththeactualsituationofthefactoryproductiondemand,inlinewiththeenergy-saving,environmentalprotection,efficientconcept,designasetoffrequencycontroltechnologybasedoncompressedairThemachineconstantpressureairsupplysystem.Thesystemistheintegrateduseoffrequencyconversiontechnology,andautomaticcontroltechnology,automaticcontroloftheaircompressorofconstantpressureairsupply,andsupportingtheheatrecoveryandcombineddryer,ensurethatthegasrequirementsoftheproductionprocess,butalsotoensurethecompressedairsystemismaintainedattheoptimaloperatingstate.

Keywords：

frequencyconversion；energysaving；application

1绪论

随着我国经济的飞快发展，国家越来越关注高效低耗的技术，空压机作为传统耗电大户，尤其受到人们的关注，在空压机供气领域中应用变频调速技术，节省电能的同时也能提高了产出压缩空气的质量。

目前，国外绝大部分在用空压机都实现了变频化控制，而国内在空压机变频化控制领域还处于快速发展阶段，并且我国的设备控制技术与发达国家相比仍有一定的差距。

空压机变频控制技术在过去的三十年里发展迅猛，其在调速质量和节能方面的突出表现，给企业带来了丰厚的效益。

而新型螺杆式空压机的变频化控制在其实用性和综合应用方面，以及如何将变频后的螺杆式空压机与其配套设施有机结合，已经受到了广大企业的重点关注。

此外，一些主要的螺杆空压机的生产厂家，也在探索螺杆空压机变频化的可行性，如变频化的好处、变频化的技术风险、应该采用怎样的最佳控制方案等等。

宝洁公司，简称P&G，是一家美国消费日用品生产商，也是目前全球最大的日用品公司之一。

我在宝洁公司的通用工程部门，主要负责全厂水电气汽的供应，具体从事空压机的日常维护与保养工作。

我们公司使用的是英格索兰品牌的Nirvana90-160KW-OF螺杆式无油空气压缩机，改机组采用新兴VSD变频驱动控制，操控简单方便。

由于工厂处于新建试运行阶段，启动工作繁忙，论文写作时间上比较仓促，对相关技术的理解程度也相对较浅，本文是在参阅了大量文献资料及结合生产实际的情况下完成的，如有不当，敬请指正！

2螺杆式空压机发展综述

2.1螺杆式压缩机的发展历程

20世纪30年代，瑞典工程师AlfLysholm在对燃气轮机进行研究时，希望找到一种作回转运动的压缩机，要求其转速比活塞压缩机高得多，以便由燃气轮机直接驱动，并且不会发生喘振。

为了达到上述目标，他发明了螺杆压缩机。

在理论上，螺杆压缩机具有他所需要的特点，但由于必须具有非常大的排气量，才能满足燃气轮机工作的要求，螺杆压缩机并没有在此领域获得应用。

尽管如此，Alf Lysholm及其所在的瑞典SRM公司，对螺杆压缩机在其它领域的应用，继续进行了深入的研究。

1937年，AlfLysholm 在SRM公司研制成功了两类螺杆压缩机试验样机，并取得了令人满意的测试结果。

1946年，位于苏格兰的英国JamesHowden公司，第一个从瑞典SRM公司获得了生产螺杆压缩机的许可证。

随后，欧洲、美国和日本的多家公司也陆续从瑞典SRM公司获得了这种许可证，从事螺杆压缩机的生产和销售。

最先发展起来的螺杆压缩机是无油螺杆压缩机。

1957年喷油螺杆空气压缩机投入了市场应用。

1961年又研制成功了喷油螺杆制冷压缩机和螺杆工艺压缩机。

过随后持续的基础理论研究和产品开发试验，通过对转子型线的不断改进和专用转子加工设备的开发成功，螺杆压缩机的优越性能得到了不断的发挥。

2.2螺杆式空气压缩机简介

空气压缩机，简称空压机。

目前，市场应用最为广泛的是螺杆式空气压缩机，螺杆式空气压缩机是在螺杆式压缩机的基础上发展起来的，只不过压缩的介质变成了空气。

而按螺杆的数目区分，螺杆式空气压缩机又分为双螺杆空压机和单螺杆空压机。

2.2.1双螺杆空压机

双螺杆空压机诞生于20世纪30年代。

它由一对平行布置、相互啮合的转子组成。

工作时，一个转子按顺时针转动，一个转子按逆时针转动，在相互啮合的过程中，空气被压缩到所需要的压力。

双螺杆压缩机具有极高的机械可靠性和优良的动力平衡性，操作及维修亦十分方便，自问世之日起即引起工业界极大的关注。

经过众多的科研机构和制造企业的大量理论研究工作和生产实践，双螺杆压缩机于20世纪70年代已趋于成熟和完善，并获得了极大的市场成功，是目前市场中的主导产品。

目前，国内外知名的压缩机生产企业生产的螺杆空压机均为双螺杆空气压缩机，而在市场中销售的螺杆空压机中，99％以上均为双螺杆空气压缩机。

2.2.2单螺杆空压机

单螺杆空压机起源于20世纪60年代，从名字上看，该种压缩机的特征是只有一个螺杆转子。

但实际上，单螺杆空压机却有三根旋转轴，即由一个螺杆转子和两个与螺杆转子垂直的行星齿轮组成。

作为螺杆空压机家族的一员，单螺杆空压机具有和双螺杆空压机相似的优点。

但由于其运动部件较多且行星齿轮的材料有待进一步的改善，螺杆型线有待进一步的优化，这几个在工业上难以解决的难题使得其一直没有得到大规模的推广，从而限制了单螺杆空压机的推广。

所以科研机构和各大型空压机制造企业在单螺杆型线的研究上的投入不大，也一直没有取得较大的进展。

如何找到最佳的螺杆型线是大规模推广前的又一项重大工作。

但由于市场前景较差，各主要厂家的投入也不大，所以短期内也难以有根本性的提高。

2.3螺杆式空压机的特点

螺杆空气压缩机具有结构简单、工作可靠及操作方便等一系列独特的优点，因而自诞生之日起就受到工业界的广泛重视。

经过多年的发展，螺杆空压机在1~60M3/MIN的流量和小于等于20Barg的压力范围内得到广泛应用，在欧、美、日等西方经济发达地区的占有率已经接近100％，几乎完全取代活塞式空气压缩机，而其中的99％以上是双螺杆空气压缩机。

2.4螺杆式空气压缩机的发展趋势

就目前的技术发展看，双螺杆空压机不但在技术上是先进的，而且在实际应用中已经完全成熟，得到了广泛的应用。

单螺杆空压机虽然在原理上有独特之处，但由于在一些决定性的因素上存在不足之处，因而仍处于实验过程中，其产品仍有待进一步完善，无法作为成熟产品在市场上大规模的推广应用。

我国的螺杆式空气压缩机曾经经历了起步、成长两个阶段，目前已进入稳定发展阶段。

随着空气压缩机行业的迅速发展，空气压缩机市场集中度逐渐提高，逐渐形成了一批领先企业，这些企业将通过行业整合不断提高竞争力。

３螺杆式空压机的结构原理

3.1空压机螺杆的基本结构

图3-1-1空压机螺杆的基本结构

通常我们所说的螺杆压缩机即指双螺杆压缩机，它的螺杆基本结构如图3-1-1所示。

在压缩机的主机中平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子，从横截面上看通常把节圆外具有凸齿的转子，称为阳转子或阳螺杆；把节圆内具有凹齿的转子，称为阴转子或阴螺杆。

一般阳转子作为主动转子，由阳转子带动阴转子转动。

转子上的球轴承使转子实现轴向定位，并承受压缩机中的轴向力。

转子两端的圆锥滚子推力轴承使转子实现径向定位，并承受压缩机中的径向力和轴向力。

在压缩机主机两端分别开设一定形状和大小的孔口，一个供吸气用的叫吸气口，另一个供排气用的叫排气口。

3.2螺杆式压缩的工作循环过程

螺杆式压缩的工作循环可分为吸气过程，压缩过程和排气过程。

随着转子旋转每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环，为简单起见我们只对其中的一对螺杆进行研究。

3.2.1吸气过程

图3-2-1-1吸气过程图3-2-1-2封闭过程

如图3-2-1-1，随着转子的运动，齿的一端逐渐脱离啮合而形成了齿间容积，这个齿间容积的扩大在其内部形成了一定的真空，而此时该齿间容积仅仅与吸气口连通，因此气体便在压差作用下流入其中。

在随后的转子旋转过程中，阳转子的齿不断地从阴转子的齿槽中脱离出来，此时齿间容积也不断地扩大，并与吸气口保持连通。

随着转子的旋转齿间容积达到了最大值，并在此位置齿间容积与吸气口断开，吸气过程结束。

吸气过程结束的同时阴阳转子的齿峰与机壳密封，齿槽内的气体被转子齿和机壳包围在一个封闭的空间中，即封闭过程，如图3-2-1-2。

3.2.2压缩过程

图3-2-2-1压缩过程

随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减少，被密封在齿间容积中的气体所占据的体积也随之减少，导致气体压力升高，从而实现气体的压缩过程，如图3-2-2-1。

压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气口连通之前。

3.2.3排气过程

图3-2-3-1排气过程

如图3-2-3-1排气过程齿间容积与排气口连通后即开始排气过程，随着齿间容积的不断缩小，具有内压缩终了压力的气体逐渐通过排气口被排出，这一过程一直持续到齿末端的型线完全啮合为止，此时齿间容积内的气体通过排气口被完全排出，封闭的齿间容积的体积将变为零。

从上述工作原理可以看出，螺杆压缩机是通过一对转子在机壳内作回转运动来改变工作容积，使气体体积缩小、密度增加，从而提高气体的压力。

3.3螺杆式空压机的工作原理

图3-3-1螺杆式空压机工作原理图

如图3-3-1，空气通过进气过滤器进入一级空气端，压缩到1.8~2.1Bar，然后空气从空气端经文丘里管排出。

再从文丘里管经一级膨胀节，进入中间冷却器，冷却到大约比环境温度高11℃左右。

空气离开中间冷却器后，通过不锈钢管线进入水分分离器。

空气进入二级空气端之前排出凝液。

空气离开二级空气端，进入消音瓶，然后经膨胀节进入后冷却器。

止回阀防止空气返回二级空气端，它安装在后冷却器出口。

空气经不锈钢管线进入水分分离器钱，温度降低到环境温度的11℃以内。

空气中的水分因温度降低形成的凝液，经分离器排出。

空气进入客户系统，空载运行期间，排污消音器降低噪音水平。

4螺杆式空压机的变频化控制

4．1变频器工作原理简介

4.1.1什么是变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

4.1.2变频器的组成

变频器通常分为4部分：

整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。

（1）整流单元：

将工作频率固定的交流电转换为直流电。

（2）高容量电容：

存储转换后的电能。

（3）逆变器：

由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。

（4）控制器：

按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。

4.1.3变频器的工作原理

图4-1-3-1变频器控制器

如图4-1-3-1，主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流器，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的平波回路，以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。

整流器，最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。

也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。

为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。

装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的运算电路，主电路的电压、电流检测电路，电动机的速度检测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路组成。

4.2变频式空压机的概念

变频式空压机，简单地说变频空压机是在常规空压机的结构上增加了一个变频器。

压缩机是空压机的心脏，其转速直接影响到空压机的使用效率，变频器就是用来控制和调整压缩机转速的控制系统，使之始终处于最佳的转速状态，从而提高能效比。

所谓的变频空压机是与传统的定频空压机相比较而产生的概念，变频空压机的核心是它的变频器，变频器是20世纪80年代问世的一种高新技术，它通过对电流的转换来实现电动机运转频率的自动调节，把50Hz的固定电网频率改为可调节的频率，使空压机完成了一次新革命。

同时，通过变频器还稳定了电源电压，彻底解决了由于电网电压的不稳定而造成空压机器不能正常工作的难题。

当空压机高功率运转，迅速接近所设定的温度后，压缩机便在低转速、低能耗状态运转，仅以所需的功率维持设定的压力。

这样不但压力稳定，还避免了压缩机频繁地开开停停所造成的对寿命的衰减，而且耗电量大大下降，实现了高效节能。

由于供电频率不能改变，传统定频空压机的压缩机转速基本不变，依靠不断地开、停压缩机来调整储罐压力，其一开一关之间容易造成压力忽高忽低，并消耗较多电能。

而与之相比的变频空压机变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，依靠压缩机转速的快慢达到控制压力的目的，压力波动小、电能消耗少，其稳定性得到较大提高。

运用变频控制技术的变频空压机，可根据储罐压力自动选择运转方式，使储罐压力始终稳定在设定值，并在低转速、低能消耗状态下以较小的压力波动，实现了快速、节能和稳定供应的效果。

4.3变频技术在空压机中的应用

4.3.1变频技术在空压机应用的背景

据统计，在工业上空压机的用电量占全部用电设备的9%，传统的空压机主要采用三相异步电动机Y-△启动方式，工频恒速运行，压力和流量的调节靠阀门和旁通完成，由于工业设计时，压缩空气供应系统必须按工厂负荷最大时设计，并且留10-20%设计余量，事实上很多空压机是不会运行在满负载状态下的，并且随着工厂实际生产的需求的波动，存在较大的浮动，所以节能的空间很大！

4.3.2变频调速节能原理

装在空压机上的电机一般是标准的三相鼠笼式交流电动机，当接到工频电源时电机的转速是改变不了的。

空压机只能工作在电机的全速状态，加载如此，卸载也是如此。

用户的用气量是波动的，为用户配置的空压机是按最大用气量配置的，当用气量不是最大时，空压机依然是按额定的排气量排气，系统压力就会升高，这样空压机就会卸载，持续空载运行一段时间后停机。

如果改变电机的转速，就不同了。

速度降低，排气量就降低，在变频调速系统中，电机的速度是和电源的频率成正比的，改变电源的频率就可改变电机的转速，从而改变空压机系统的排气量，耗能降低，这样就相当于可以控制排气量，用多少的气量就生产多少的压缩气体，不像工频控制，用不了就放空，卸载，增加了噪音，浪费了能源。

变频空压机系统通过压力闭环，根据供气系统负载变化，调整空气压缩机电机的转速保证系统压力恒定，压缩机电机的转速下降，从电网吸收的电能就会大大下降。

由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）*H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果机组的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。

即机组电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。

由于电机为直接启动或Y-△启动，启动电流等于5-7倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动对设备、管路的使用寿命极为不利。

而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。

4.3.3空压机的变频控制

、

图4-3-3-1空压机的变频控制

空压机的变频控制如图4-3-3-1：

一旦VSD启动，压力传感器读数会不断地和设定的设定值比较，如果管网压力大于设定值，转速降低；如果管网压力小于设定值，转速增加。

4.3.4变频控制中名词解释

（1）最大转速

只要管网压力低于设定值，压缩机已经在最大转速运转：

压缩机将会继续以最大转速运转，且最大的转速取决于压力设定值，设定不同最大转速不同。

（2）Indirectstoplevel间接停机压力点

图4-3-4-1间接停机压力点

如图4-3-4-1，如果管网的压力不断增加即使压缩机已经在最低转速运行，管网压力一旦到达特定压力，压缩机会停机，这称作间接停机压力水平。

如果压力在压缩机到达最低转速之前到达间接停机压力点，压缩机将会先降低转速，然后停机。

（3）Directstoplevel直接停机压力点

图4-3-4-2直接停机压力点

当压力增加的太快，在压缩机到达最低转速之前已经突破间接停机压力点，这里会有第二个停机压力设定以避免压力太高，这称作直接停机压力点。

当管网压力到达直接停机压力点，压缩机会停机无论转速是多少，都会立即停机，实现对机组的保护。

4.3.5变频空压机的特点

空气压缩机实现变频控制后可以完成对产气压力的平稳调节，并且机组启动时没有峰值电流不会对机组或电网造成影响。

其较低的管网压力波动能有效地满足生产需求，所用较小的储气罐也间接的节约了车间用地及成本。

空压机使用场合一般有如下特点：

配置容量比实际气量大、气量消耗不稳定、气压要求稳定、噪音要尽可能低，尤其夜间。

变频空压机有如下几个好处：

（1）气压稳定：

由于变频化的螺杆空压机利用了变频器的无级调速特点，通过控制器或变频器内部的PID调节器，能对压力实现快速调节控制；比工频运行的上下限开关控制相比，气压稳定性成指数级的提高。

（2）更节能：

尽管各个厂家的螺杆空压机采取了不同的节能运行模式，但由于变频器是根据实际用气量实时调整电机转速的，用气量低的时候还可以让空压机自动休眠，这样就大大减少能源的损失。

需要注意的是，系统控制方式的不同对节能效果有很大影响。

（3）启动无冲击：

由于变频器本身是一个软启动装置，启动电流最大在额定电流的两倍左右，与工频启动一般在额定电流的6倍以上相比，启动冲击很小。

这种冲击不仅是对电网的，也有对真个机械系统的冲击，也大大减少。

（4）噪音低，由于稳定运行时运行频率小于工频，机械噪音下降，机械磨损小。

（5）对储气罐容量要求小。

4.3.6空压机变频化的风险

变频空压机具有诸多优点，然而，从系统可靠性的角度考虑，实现变频化以后的空压机必须考虑两个风险：

（1）电机散热的风险

由于采用普通电机，转速下降后电机散热效果变差，因此，变频器必须限制一定的最低运行频率以保证足够的散热效果。

因此，节能效果好与电机的散热成了一个矛盾。

（2）系统的润滑风险

目前，螺杆式空压机采用的压力式的润滑方式跟电机转速没有关系，因此，变频化的风险不存在；而活塞式空压机的变频化则必须考虑这个风险。

螺杆式空气压缩机具有结构简单、工作可靠及操作方便等一系列的优点，而变频空压机又具有输出压力稳定、节能、抗冲击电流等特点，上述二者有效地结合起来，就构成了变频化螺杆式空压机。

4.3.7传统空压机与变频化螺杆式空压机的比较

传统空压机采用的是Y-△起动方式，电机的起动电流是其额定电流的5～7倍，一台90KW的电动机的起动电流将达到600A。

在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降。

同时，起动时的机械冲击，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修量和备品、备件费用。

传统空压机靠储气罐对系统压力进行缓冲，在用气少时机组自动停机，待用气量增加时机组自动启动，因此为了避免机组频繁启动只能增加储气罐的容量。

变频化螺杆式空压机由于采用变频器拖动电机，变频器具有软启动的作用，替代原Y-△起动方式，平稳起动，电流冲击大大减少，并且简化了系统接线。

变频空压机的起动过程是一个斜坡加速过程，故减小了起动时的冷油粘滞阻力，对整个系统，特别是对螺杆压缩机的冲击大大减小。

传统空压机为卸载压力到时卸载，上载压力到时上载，压力波动范围大。

变频化螺杆式空压机系统通过PID调节器实现压力闭环，系统在设定的压力点工作时，保持压缩空气系统的压力恒定。

当用户用气量增加时，压力的轻微降低通过PID调节器的作用使变频器的输出频率升高，从而使压力上升；当系统用气量减小时压力的轻微上升同样通过PID调节器的调节作用使变频器的输出频率降低，从而使实际压力降低，由此实现系统压力保持恒定，稳定的压力对压力敏感的工艺过程是非常重要的，对后处理设备也是有影响的。

为了获得稳定的压力，要有一个大的储气罐。

用了变频控制系统的话，就不需要大的储气罐了。

如果空压机输出的压力稳定的话，能更经济的配置干燥机。

当空压机的压力输出波动大，空压机的压力低的话，而干燥机的容量是按照额定的压力配置的话，干燥机就会过载，就有水分通过干燥机，或者干燥机高压保护开关动作。

过滤器也是一样，在额定的流量的情况下，过滤效果最好。

5变频化螺杆式空压机在实际生产中的应用

5.1空压机应用背景

空气压缩机，顾名思义，是生产压缩空气的。

空气具有可压缩性，经空气压缩机做机械功使本身体积缩小，压力提高后的空气叫压缩空气。

压缩空气是一种重要的动力源。

与其它能源比，它具有清晰透明，输送方便，没有特殊的有害性能，不存在起火危险，不怕超负荷，能在许多不利环境下工作的特点，并且空气在地面上到处都有，取之不尽，用之不竭。

压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，其应用很广。

比如驱动气缸，产生直线运动；驱动气动马达，产生旋转运动；驱动射流元件