螺杆式空气压缩机的变频化控制资料.docx

1、螺杆式空气压缩机的变频化控制资料毕 业 设 计（论文）螺杆式空气压缩机的变频化控制 姓 名： 学 号： 性 别： 专 业: 螺杆式空气压缩机的变频化控制 批 次： 螺杆式空气压缩机的变频化控制摘 要随着电力电子技术的发展，变频器在调速领域中的应用越来越广泛。它具有性能稳定，操作方便，节能效果明显等优点。它是一种较为成熟的高科技产品，越来越受到国内外工程技术人员和管理人员的关注和重视。传统的螺杆空压机存在的问题主要表现在：气压控制精度不高，油温控制精度差，控制系统安装费时费力且配线出错率较高，设备运行稳定性较差，维护也不够便利。本文介绍一种螺杆空压机的一体化变频电控驱动系统解决方案，采用高集成度

2、的一体化设计，变频的解决方案，优化了控制算法，提高了气压、油温的控制精度及设备的稳定性，使维护也变得更加方便。该空压机的节能改造，是对国家节能减排政策的积极响应。关键词： 螺杆式空压机；变频调速；节能改造第一章 螺杆空压机简介1.1 压缩展机发历程20世纪30年代，瑞典工程师发明了(双)螺杆压缩机。1937年，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。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。经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

3、能得到了不断的发挥。1.2 螺杆式空气压缩机简介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160M3/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。按螺杆的数目分为双螺杆空压机和单螺杆空压机。按压缩过程中是否有润滑油参与分为无油螺杆空压机和喷油螺杆空压机。下图（1-1）为螺杆式空气压机构造图。图1-1 螺杆式空气压机构造图1.3 螺杆式空气压缩机特点就气体压力提高的原理

4、而言，螺杆压缩机与活塞压缩机相同，都属容积式压缩机。就主要部件的运动形式而言，又与离心压缩机相似。所以，螺杆压缩机同时具有上述两类压缩机的特点。螺杆压缩机的优点：1可靠性高：螺杆压缩机零部件少，没有易损件，因而它运转可靠，寿命长，大修间隔期可达4-8万小时。2操作维护方便：操作人员不必经过专业培训，可实现无人值守运转。3动力平衡性好：螺杆压缩机没有不平衡惯性力，机器可平稳地高速工作，可实现无基础运转。4适应性强：螺杆压缩机具有强制输气的特点，排气量几乎不受排气压力的影响，在宽广范围内能保证较高的效率。5多相混输：螺杆压缩机的转子齿面实际上留有间隙，因而能耐液体冲击，可压送含液气体，含粉尘气体，

5、易聚合气体等。螺杆压缩机的缺点：1造价高：螺杆压缩机的转子齿面是一空间曲面，需利用特制的刀具，在价格昂贵的专用设备上进行加工。另外，对螺杆压缩机气缸的加工精度也有较高的要求。2不适合高压场合：由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制，螺杆压缩机只能适用于中，低压范围，排气压力一般不能超过3.0Mpa。 3不能制成微型：螺杆压缩机依靠间隙密封气体，目前一般只有容积流量大于0.2m3/min，螺杆压缩机才具有优越的性能。第二章 螺杆空压机的基本结构、工作原理及构成2.1螺杆空压机的基本结构通常所称的螺杆压缩机指的是双螺杆压缩机。双螺杆压缩机的发展历程较短，是一种比较新颖的压缩机。双螺杆压缩机是一种容

6、积式的回转机械。由一对阴、阳螺杆，一个壳体与一对端盖组成。在倒“8”形的气缸中，平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子，分别称为阴、阳转子。它们和机体之间构成一个“V”字形的一对密封的齿槽空间随着转子的回转而逐渐变小，并且其位置在空间也不断从吸气口向排气口移动，从而完成吸气-压缩-排气的全部过程。一般阳转子与原动机连接，由阳转子带动阴转子转动。在压缩机机体的两端，分别开设一定形状和大小的孔口。一个供吸气用，称作吸气孔口；另一个供排气用，称作排气孔口。下图为（2-1）压缩机结构图。1同步齿轮 2阴螺杆 3推力轴承 4挡油环5阳螺杆 6缸体图2-1 压缩机结构图2.2螺杆空压机的工作原理螺杆式制冷压

7、缩机具有一对互相瞄合、相反旋向的螺旋形齿的转子。其齿面凸起的转子称为阳转子，齿面凹下的转子称为阴转子。转子的齿相当于活塞，转子的齿槽、机体的内壁面和两端端盖等共同构成的工作容积，相当于汽缸。机体的两端设有成对角线布置的吸、排气孔口。随着转子在机体内的旋转运动，使工作容积由于齿的侵入或脱开而不断发生变化，从而周期性地改变转子每对齿槽间的容积，来达到吸气、压缩和排气的目的。2.2.1 吸气过程吸气过程即将开始时的转子的一对齿前端完全啮合，且即将与吸气孔口连通。随着转子开始运动，由于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，而此齿间容积又仅与吸气口连通，因此

8、气体便在压差作用下流入其中。在随后的转子旋转的过程中，阳转子齿不断从阴转子的齿槽中脱离出来，齿间容积不断扩大，并与吸气孔口保持连通。从某种意义上讲，也可以把这个过程看成是活塞（阳转子齿）在气缸（阴转子齿槽）中滑动。吸气结束时候，最显著的特征是齿间容积达到最大值，并且齿间容积在此位置与吸气孔口断开。2.2.2 压缩过程转子继续旋转，在阴、阳转子齿间容积连通之前，阳转子齿间容积中的气体，受阴转子齿的侵入先行压缩:经某一转角后，阴、阳转子齿间容积连通，形成V字形的齿间容和、对(称基元容积)，随两转子齿的互相挤入，基元容积被逐渐推移，容积也逐渐缩小，实现气体的压缩过程，压缩过程直到基元容积与排气孔口相

9、连通时为止，此刻排气过程开始。2.2.3 排气过程齿间容积与排气孔口连通后，即开始排气过程。随着齿间容积的不断缩小，具有排气压力的气体逐渐通过排气孔口被排出。这个过程一直持续到齿末端的型线完全啮合。此时，齿间容积内的气体通过排气孔口被完全排出，封闭的齿间容积的体积将变成零。随着转子的连续旋转，上述吸气、压缩、排气过程循环进行，各基元容积依次陆续工作，构成了螺杆式制冷压缩机的工作循环。从以上过程的分析可知，两转子转向互相迎合的一侧，即凸齿与凹齿彼此迎合嵌入的一侧，气体受压缩井形成较高压力，称为高压力区:相反，螺杆转向彼此相背离的一侧，即凸齿与凹齿彼此脱开的一侧，齿间容积在扩大形成较低压力，称为低

10、压力区。此两区域借助于机壳、转子相互晴合的接触线而隔开，可以粗略地认为两转子的轴线平面是高、低压力区的分界面。另外，由于吸气基元容积内的气体随转子旋转，由吸气端向排气端作螺旋运动，因此吸气、排气孔口要成对角线布置，吸气孔口位于低压力区的端部，排气孔口位于高压力区的端部。 下图（2-2）螺杆式空气压缩机工作过程 吸气过程 压缩过程 排气过程图2-2 螺杆式空气压工作过程2.3螺杆空压机的构成螺杆式空气压缩机主要由主机和辅机两大部分组成，主机包括螺杆空压机主机和主电机，辅机包括进排气系统、喷油及油气分离系统、冷却系统、控制系统和电气系统等。 在进排气系统中，自由空气经过进气过滤器滤去尘埃、杂质之后

11、，进入空压机的吸气口，并在压缩过程中与喷入的润滑油混合。经压缩后的油气混合物被排入油气分离桶中，经一、二次油气分离，再经过最小压力阀、后部冷却器和气水分离器被送入使用系统。在喷油及油气分离系统中，当空压机正常运转时，油气分离桶中的润滑油依靠空压机的排气压力和喷油口处的压差，来维持在回路中流动。润滑油在此压差的作用下，经过温控阀进入油冷却器，再经过油过滤器除去杂质微粒后，大多数的润滑油被喷入空压机的压缩腔，起到润滑、密封、冷却和降噪的作用；其余润滑油分别喷入轴承室和增速齿轮箱。喷入压缩腔中的那一部分油随着压缩空气一起被排入油气分离桶中，经过离心分离绝大多数的润滑油被分离出来，还有少量的润滑油经过

12、滤芯进行二次分离，被二次分离出来的润滑油经过回油管返回到空压机的吸气口等低压端。1、润滑油的作用：(1)、冷却作用：作为冷却剂，它可有效控制压缩放热引起的温升。(2)、润滑作用：作为润滑剂，它可在转子间形成润滑油膜。(3)、密封作用：作为密封剂，它可填补转子与壳体以及转子与转子之间的泄漏间隙。(4)、降噪作用：喷入的油是粘性流体，对声能和声波有吸收和阻尼作用，一般喷油后噪声可降低1020dB(A)。2、最小压力阀的作用：(1)、保证最低的润滑油循环压力。(2)、作为止回阀，以避免在空压机停机或无负荷情况下，供气管线内的压缩空气回流到机组内。(3)、保证油气分离器滤芯前后有一定的压差，以免刚开机

13、时滤芯前后压差过大造成挤破的现象。3、温控阀的作用：维持润滑油温高于压力露点温度以上，以免空气中的水份析出。4、油气分离桶的作用(1)、作为初级油气分离的装置，它可将直径大于1m的油滴采用机械碰撞法被有效地分离出来。(2)、作为空压机润滑油的储油器。(3)、作为油气分离器滤芯的支撑体，该滤芯可将直径1m以下的油滴先聚结为直径更大的油滴，然后再分离出来。 第三章 变频器的简介变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱

14、动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。3.2变频器工能作用一、变频器的直接作用：通过改变电动机的电压和频率，使电机的速度可以无极调节。1、软启动节能：电机硬启动对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时对挡板和阀门的损害极大，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

15、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。2、功率因数补偿节能：无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。二、变频器的间接作用： 1.节能（节电）。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风

16、机的转速即可满足要求。降低电耗。 2.提高生产设备自动化程度.当前有很多品牌的变频器，如：杭州奥圣电气有限公司代理的日业变频器CM530系列在满足客户通用需求的前提下，通过扩展设计可以灵活地满足客户个性化要求、行业性要求满足各种复杂高精度传动的要求，同时为设备制造业客户提供高集成度的一体化解决方案。3.3 变频器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。整流单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容：存储转换后的电能。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。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

17、近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。下图（3-1）为变频器结构图1本地控制面板（LCP） 2盖板 3RS-485串行总线连接器 4数字 I/O和24V电源 5模拟 I/O连接器 6电缆屏蔽层连接器 7USB连接器 8串行总线端子开关 9模拟开关 10继电器 111继电器 2 12吊环 13安装环 14接地线夹 15电缆屏蔽层连接器 16制动端子 17负载共享端子 18电机输出端子19主电源输入端子图3-1变频器结构图3.4 变频器选型指导可提供三种控制方式：普通V/F、SVC、VC。选用变频器时首先必须明确系统对变频调速的技术要求、变频器的应用场合及负载特性的具体情况，并从适配电机、输出电压、

18、额定输出电流等方面因素进行综合考虑，进而选择满足要求的机型及确定运行方式。基本原则为：电机额定负载电流不能超过变频器的额定电流。一般情况下按说明书所规定的配用电机容量进行选择，注意比较电机和变频器的额定电流。变频器的过载能力对于起动和制动过程才有意义。凡是在运行过程中有短时过载的情况，会引起负载速度的变化。如果对速度精度要求比较高时，请考虑放大一个档次。风机和水泵类型：在过载能力方面要求较低，由于负载转矩与速度的平方成正比，所以低速运行时负载较轻（罗茨风机除外）又因为这类负载对转速精度没有特殊要求，故选择平方转矩V/F。恒转矩负载：多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不

19、高。例如挤压机、搅拌机、传送带、厂内运输电车吊车的平移机构等。选型时可选多段V/F运行方式。被控对象有一定的动、静态指标要求：这类负载一般要求低速时有较硬的机械特性，才能满足生产工艺对控制系统的动、静态指标要求。选型时可选择SVC控制方式。被控对象有较高的动、静态指标要求：对于调速精度和动态性能指标都有较高要求及高精度同步控制的场合，可采用VC控制方式。例如，电梯、造纸，塑料薄膜加工生产线。7第四章 变频器在空压机改造应用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）。一、 螺杆空压机采用变频调速的好处1、气压稳定：由于变频化的螺杆

20、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

21、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。二、 螺杆空压机变频化的风险从系统可靠性的角度考虑，变频化后必须考虑两个风险：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、系统的润滑系统，目前空压机的润滑系统有采用压力式和离心式的。目前螺杆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必须考虑这个风险；4.2 变频调速节能原理变频调速技术近年来发展迅速，并在许多领域发挥了重要的作用。空压机变

22、频节能系统原理框图如图（4-1）。图4-1 空压机变频节能系统原理框图由于许多螺杆式空压机运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,那么能源都被白白的浪费了，而电动机转速自身不能改变，只能通过改变电机频率来调节转速。变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力。原理如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，使电动机上得到相应的转速。那么空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。54.3 空压机的变频控制方案

23、一、变频改造注意事项以及设计原则：1、应明确空压机是大转动惯量的恒转矩负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议采用具有高启动转矩的恒转矩变频，保证既能实现恒压供气的连续性，又可保证 设备可靠稳定的运行;不推荐用变转矩的变频。 2、空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于25Hz; 3、建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况，也便于日后的系统工况扩展。 4、为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用

24、输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性; 5、电机变频运行状态保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不能超过0.02Mpa。 6、为了防止非正弦波干扰空压机控制器，变频器输入端应有抑制电磁干扰的有效措施。控制线信号线采用屏蔽线缆，布线时要和动力电路分开，防止干扰引入。二、变频螺杆空压机的控制方案变频螺杆空压机目前的控制方案方案一：如图（4-2）所示：1、采用V/F控制方式的变频器；2、变频器有一个最低运行频率，以保证电机的散热效果；3、机器一直在工作，即使用气量减少，如果气压升高，最后只能通过安全阀泄放掉；4、也曾经采用最低频率运行一段时间后停机的方案，但当压力低于下限压力时

25、要再启动时很容易导致变频器的跳闸。这是V/F变频器固有的缺点，即低频启动力矩不够大。方案二：1、采用真正电流矢量控制变频器；其特点是低频启动力矩大，运行电流小（同样负载时与V/F控制的变频器比）；2、当用气量小时，可以休眠，完全停机；没有长时间下限频率运行的过程；既达到最大限度的节能，电机也根本没有发热。3、当气压低于下限值后，可以直接带载启动不跳闸，这是利用了矢量变频器低频启动特性好的优势；这两个方案相比，方案二有如下优势：1、更节能，没有长时间最低频率运行过程；2、有自动休眠和休眠唤醒功能；3、噪音和机械磨损大幅度减少，电机寿命延长；4、矢量变频器还有输出力矩限制功能，当螺杆遇到外力堵转时

26、，变频器会自动报警并停止输出，以免造成事故扩大引起更大损失。V/F的变频器则容易引起事故扩大。基于以上原因，目前方案二是螺杆空压机变频化的最佳方案。另外，变频螺杆压缩机的风机也使用变频，双变频带来的好处有：1、风机噪音明显减少；2、实现恒温控制；3、省却一个温控阀。图4-2 控制方案比较图4.4 变频螺杆空压机的变频器安装调试已知：空压机为螺杆式空压机，型号为AG55A-H，排气量1O.1m3m i n，额定最大排气压力为0.80.85MPa， 电机功率为55Kw，电机转速为2960rm i n。一、系统组成1. PLC主控制器主要完成系统的一系列逻辑控制、时间控制，以及对压缩机组的排气温度和

27、排气压力等参数进行采集、传送、运算处理与判断等功能。2. LCD显示器作为PLC的小型人机界面，其屏幕上的液晶显示窗以文字或指示灯等形式监视、修改PLC内部寄存器或继电器的数值及状态；屏幕最下面的7个功能按键，被设定成特殊功能按键，直接完成画面跳转、压缩机组的起、停控制等。3. 传感器用于对排气压力进行监控的压力传感器以及对排气温度进行监控的Pt100铂电阻温度传感器。4. 执行器件本控制系统的执行器件主要是变频器和电磁阀，变频器用来驱动主电机。电磁阀主要用于调节气量。5. 紧急停机按钮当遇到紧急情况时，可按下该按钮，则机组立即停车。二、 主要参数及使用条件(见表4-1)表4-1 主要参数及使

28、用条件环境条件环境温度：055；环境湿度：85%RH电机三相交流异步电机电源动力电源：380VAC；控制电源：220VAC；液晶显示屏电源：24V DC控制方式PLC组件，程序控制，液晶显示屏操作与显示控制功能状态指示；气量调节；变频器运行参数显示故障指示、报警、记忆与停机；易损件运行时间累计保护参数短路；主电机过载；风扇过载；排气压力超高；排气温度超高监测参数排气温度；排气压力；变频器运行数据;累计运行时间续表4-1通讯接口RS485三、安装1.开机接通电源，首先进入“欢迎界面”,一分钟后将显示各项运行参数画面；按返回键或到显示器的“主控画面”；输入准确密码后，按主画面中的“用户参数”键，完

29、成调节压力上下限值的设定，再按键，完成温度上下限值及停机卸荷时间设定，具体见第3条。按主画面中的“监控显示”键，进入监控画面；按监控画面中的“”键，则机组进入启动运行。2.停机正常停机：按监控画面中的红色“停车”键，先关闭吸气阀，延时8秒后机组停止运行。紧急停机：当出现异常紧急情况时，按下紧急停车按钮，机组立即停止运行。3.气量调节压力值设置接通电源，首先进入欢迎画面,按返回键到显示器的主控画面；输入准确密码后，按主画面中的“用户参数”键，进入用户参数画面；进入画面后的“SET”键，压力设定值闪烁显示，表示可以设定压力值。按“”键和“”键修改数值，按“”和“”键改变设定数字位，数值变化范围：0

30、-9；当设定值为0.8MPa时，在相应的位置输入0.8；当设定值为0.65MPa时，在相应的位置输入0.65；依此类推；如果确认输入数值，按“ENT”键，修改后数值写入PLC寄存器，并且压力设定值停止闪烁，表示设定结束。依此设定风机温度及停机卸荷时间设定。三、 PLC部分指导说明 PLC侧接线说明（见表4-2）：表4-2 PLC侧接线说明PLC端子号端子功能说明对应控制功能与其它侧连接线端L/NPLC输入电源给PLC供电接220V电源，有条件加装输入滤波器X0PLC控制信号输入紧急停车信号(常闭)急停按钮常闭端子X1缺水信号(常闭)X2内压过高(常闭)X3变频器故障(常闭)接变频器报警输出端X4排风扇故障(常闭)接控制风扇的热继电器X5空滤器堵塞(常开)X6油滤器堵塞(常开)COMPLC控制信号公共端输入信号公共端V+供气压力信号线压力模拟信号正接变频器AI1V-压力模拟信号负接变频器GNDT1温度信号线分别接温度传感器一端接温度传感器T1/接温度传感器续表（4-2）A与变频器通讯线RS485+接变频器通讯卡RS485+BRS485-接变频器通讯卡RS485-24V24V电源给显示屏供直流24V电源接文本电源端子正0V接文本电源端子负Y0变频器运行闭合则变频器运行变频器DI1COM0变频器COMY3控制风机风机运行冷却风扇接触器