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  • 有关变频压缩机的文章笔者近来看过不下十几篇了,都从不同角度、不同专业用途、不同的理论侧重度叙述、分析变频压缩机的原理及应用,所有关于变频压缩机的内容该写的基本都写得差不多了,但今天我还是想老调重弹,试用一种通俗、尽可能不涉及高深理论的方式来重叙下变频螺杆压缩机这一话题。

      本人工作中经常会有一些非电气专业或者较低学历的销售、维修以及用户的有关人员问及螺杆压缩机变频的一些技术问题。发现回答时理论上的问题往往比较难以沟通,为此经常就要变着法的用简单、通俗、比喻方式来叙述交流,这样提问者也容易理解,效果还不错。例如“变频”这词对非电专业的同仁来说比较抽象,你要从电源频率开始一直说到三相交流异步电动机的工作原理及变频器的工作原理,费很大劲,对方还不一定能理解,有种吃力不讨好的感觉。那你就告诉他将“变频”直接理解成“自动变速”,所谓的“自动变速”就是把它看成压缩机按照用户用气量的需求自动改变电机的转速,也就是说用户需要用气量大时,压缩机就自动转的快点多打点气;当用户用气量降低时,压缩机就自动转的慢点少打点气。总之,就是用户需要用多少气量,压缩机就通过自动改变转速来提供多少气量。上述通俗的说法简单易懂,实际上也将变频压缩机的运行原理及变频压缩机的核心功能表述清楚了,只是没有涉及理论知识。通常许多岗位具体的操作人员并无必要了解专业技术之所以然,只要按照操作规程会操作,知道结果是什么就可以了。

      工频螺杆压缩机

      在未说变频之前先来谈谈工频螺杆压缩机工作原理,待了解了工频螺杆压缩机后再谈变频就更容易理解了。

      1、工频压缩机启动

      工频压缩机一旦按下启动按钮,压缩机主电机开始启动旋转(一般大于7.5kW功率均采用星三角启动方式)。先是星形连接,每项电机绕组承受220V电压,待星角延时到,自动转换为三角形连接,每项电机绕组承受380V电压。通过启动过程中绕组上承受不同的电压,我们就可以知道这是电气控制中最常用的降压启动方式,因电机启动电流与电源电压成正比,为此星三角降压启动电流只占全电压启动电流的1/3。这样避免了大电机启动时大电流对电网的冲击。

      2、工频压缩机的加卸载运行

      主电机启动完成即进入加载延时,待延时到进气阀打开,压缩机开始加载运行,排气压力逐步升高。大家都知道,螺杆压缩机标牌上有一个重要参数,即压缩机的标称工作压力(通常是0.8MPa~1.00MPa之间),也称为卸载压力。一旦压缩机排气压力达到这个压力点时,进气阀立即关闭,压缩机即刻卸载进入空载状态运行,工作压力随后开始逐步降低;当压力降低到小于等于加载压力设定值时(通常设定为低于标称压力0.1~0.15MPa),进气阀打开,压缩机又进入加载运行状态,工频压缩机就这样反反复复如此循环工作。这里我们可以知道,压缩机运行到标称压力这个最高点时仅仅是个暂短时间,它提供的排气压力实际上是波动的,用户得到的用气压力也就是一个波动的范围区间,用户若要想获得一个相对稳定的压力,那么就要借助储气罐来缓解。

      3、工频压缩机特点小结

      通过上述关于工频压缩机的启动与加卸载运行分析,我们可以得出工频压缩机以下几个特点或者说是结论:⑴ 星三角降压启动,使启动电流减小至原来的1/3(与直接启动相比)。⑵ 加载压力至标称压力的升压运行过程,即工频压缩机负载运行。⑶ 标称压力至加载压力下降运行过程,即工频压缩机的空载运行。⑷ 工频压缩机提供给用户的排气压力不是恒定的标称压力值,而是一个波动的区间范围压力值。上述4点在介绍变频压缩机时会非常有用,至于工频压缩机的停机、包括卸载空久停机与变频无关,这里就不介绍了。

      变频螺杆压缩机

      变频螺杆压缩机与工频螺杆压缩机从外观上观察,电器区别仅仅是压缩机柜中增加了一台与压缩机所匹配的变频器(电动机一般都采用普通的三相交流异步电机,很少采用变频电机)。其它就找不出与工频机不同之处了。实际上硬件还有两处不同,即采用的电脑控制器是为变频压缩机专门设计的产品(或者采用PLC设计),还有具有抗强干扰措施的接线。那么变频是个什么东西呢?VVVF又是什么呢?通常如果不是设计变频压缩机的工程技术人员,本人认为没有必要了解那么多、那么详细,把变频器看成一个自动变送器,例如机床上的齿轮变速箱、汽车变速箱(略有不同的是变速箱是手动的,是有级变速,速度越低扭矩越大)即可,而变频压缩机的变频器变速是无级的、是自动的,扭矩一般不变(恒转矩型)。变频压缩机与工频机相比功能上还有三大显著特点:节能、恒压供气、软启动。

      1、变频压缩机的启动

      按下启动按钮,变频器首先提供给主电机一个低频、低压电源(频率与电压之比为常数),让电机开始慢慢一点一点地转动,随着频率的提高电机速度不断加快一直达到最高的额定转速。这里值得一提的是变频器启动中其频率从0~50Hz所需时间是可以设置的,小电机的启动时间可以设的短一些,大电机启动时间相对需要长一些,通常为10~30秒,也可参照变频器说明书要求设置。启动时间定下后,加载延时时间也就确定了,也就是说压缩机的加载延时时间设置值必须大于变频的启动时间,否则在变频器启动过程中由于加载的重负荷原因会产生大的启动电流,甚至还会造成启动过载故障。变频压缩机启动比较简单(参数设定完成),按下启动按钮即可,不同于工频压缩机需通过3个接触器改变电机的接线来完成启动。

      2、变频压缩机自动变速运行

      变频压缩机第一次启动,当转速达到电机额定转速后电脑控制器执行加载延时,待延时到进气阀开启,压缩机即开始加载运行,随之排气压力逐步升高。当排气压力达到压缩机的标称压力值时,与工频机不同的是变频压缩机不进行卸载操作(即进气阀不关闭)。而是由变频器自动降低电源频率使电机转速降低,从而使产气量减少来保持排气压力稳定在标称压力上(其误差在±0.02MPa左右,条件是用气压力无突变状态),至于电机转速下降多少,下降速度如何,转速下降到哪个数值才能达到稳定,这完全由用户用气系统的工况自动来决定。

      变频压缩机初次启动达到压力标称值,虽然转速开始下降,但排气压力会略超出标称值,通常在0.05MPa以内,原因是达到标称压力时变频器转速为最高转速,压力下降反应稍慢于转速。为此变频压缩机电脑控制器参数设置不同于工频压缩机,标称值那点压力也称为变频压力,在变频压力上面那个压力设置点才是卸载压力,所以只有当压力超过卸载压力时变频压缩机才会卸载,进气阀才会关闭。变频压力与卸载压力设定相差约大于等于0.05MPa,这是变频机调试时特别要注意的问题。有好多人调试会出错,误将变频机的卸载压力当作变频压力(标称压力),其结果造成变频机频繁加卸载,失去自动调速功能,变频机仅作软启动用了。通常变频压缩机运行中是不卸载的,除非是变频机的最低转速时的产气量仍大于用户系统的用气量,这样才会使排气压力慢慢上升至卸载压力形成卸载。事实上这样的运行状态发生几率很低。

      若当用户系统用气量发生变化,稳态运行的变频压缩机也随之通过自动改变电机转速来维持新的平衡,也就是说电机的转速是按系统需要的用气量变化而决定,用气量大就转的快,用气量小就转的慢,而且供气压力始终保持在标称压力值上。

      3、变频压缩机的节能

      绝大多数用户选用变频压缩机首要的一条就是为了节能,那么变频压缩机是如何节能的呢?通过前面所说的工频压缩机特点小结⑵⑶两条我们就可以清楚地知道,压缩机从加载压力上升到卸载压力的运行过程是我们所需要的,也就是负载运行,所消耗的功率也是理所应当的,因为它为我们生产出压缩气体。但压缩机从卸载压力下降至加载压力运行过程是空载运行,它要消耗电机标称功率的1/3能耗,它所消耗的电能并未为我们产生任何压缩空气,是白白浪费掉的能耗。而采用变频压缩机恰恰解决了这个问题。我们刚说过变频压缩机正常运行是不卸载的,不卸载就意味着压缩机一直在生产压缩气体,没有空载就没有电能浪费。工频机当压力上升到标称压力是靠卸载来使排气压力不超过标称值,而变频机是通过降低转速来使排气压力保持稳定在标称压力上。

      转速降低使变频器提供给电机的频率、电压都降低了,电机消耗的电能也就随着降低了,所以节能的目的也就达到了。下面举个变频压缩机节能的例子:一台90kW电机、每天空载3小时、空载功率为30kW、一年按300天算、效率系数0.95、每度电按1元算。则:30×3×300×0.95=25650千瓦小时,每年可节约25650元人民币,目前一台110kW变频器(ABB-510)售价约为26800元人民币,这样12个月多点就可收回变频器的投资成本。从上面例子可以看出节能效果取决于工频压缩机运行时的空载时间,空载时间越大,那么节能空间就越大;如果空载时间很少,那么变频投入就没什么意义了,也许还不如将一台大的变频压缩机换成两台小的工频压缩机节能效果好呢!

      4、变频压缩机的恒压供气

      流量是供气系统的基本控制对象,供气流量需要随时满足用气流量。为此在供气系统中,储气罐中的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系:

      ⑴ 供气流量>用气流量→储气管气压上升

      ⑵ 供气流量<用气流量→储气管气压下降

      ⑶ 供气流量=用气流量→储气管气压不变

      综上所述,要保持排气压力的恒定,就要保证供气能力恰好满足用气需求,这就是恒压供气系统所要达到的目的。通过前面介绍工频压缩机的特点小结⑷,我们知道工频压缩机提供给用户的排气压力不是恒定的标称压力值,而是一个波动的区间范围压力值,只能满足供气能力与用气需求关系中的⑴ ⑵两个条件,所以提供给用户的只能是压力在一定范围内波动的压缩气体。然而变频压缩机就能轻松的满足供气能力与用气需求关系中的⑶条件。

      其过程是:(其中↑是上升,↓是下降)

      用气需求↑管路气压↓变频器频率↑电机转速↑供气流量↑管路气压达到稳定。

      用气需求↓管路气压↑变频器频率↓电机转速↓供气流量↓管路气压达到稳定。

      5、变频压缩机的软启动

      先了解一下什么是软启动器。软启动器是一种集电机软启动、软停机和多种保护功能于一体的电子控制装置,实际上就相当于一个调压器,在电机启动、停机时提供一个低电压的电源(不改变频率),来实现降压启动、停机的目的。其实软启动就是降压启动,只不过降压值可以连续平滑调节,不同于星三角启动只是简单转换220V与380V的两个电压。然而变频器是通过改变频率与电压来启动的,U/F之比是常数,为此磁通基本恒定,启动力矩较大,所以启动电流小(重载情况例外),在空载状态下变频启动电流通常不会超过或者等于电机的额定值,因此不会产生对电网的冲击电流,

      星三角启动电流大约是电机额定电流的3~3.5倍,软启动器的启动电流大约是电机额定电流的2~2.5倍,变频器的启动电流大约是电机额定电流的1~1.2倍。通过上面三个数据我们知道,变频器的软启动效果是最为理想的,也就是常说的真正意义上的软启动。上述给出的数据为何还有个范围呢?因为压缩机启动时不是真正的空载状态,进气阀上有个微孔,它是要建立一个低的初压力,至少要提供给加载时进气阀的气缸能量,所以要比空载电流大一些,各种型号螺杆机有所不同,所以启动电流略有差别。软启动器在压缩机上的应用本人认为效果不是很理想,理论上将电压调低,启动电流可以降低很多,但实际上当电压调的过于低,启动扭矩就不够了,会造成电机启动时堵转,通常都要调到2倍以上才行。所以还是变频器的软启效果最好,问题是价格比软启动器贵了许多。

      笔者曾接到一家用户订购变频压缩机的案例,一不是为了节能,二不是需要恒压供气,而仅仅是为了软启动,什么道理呢?原来是那家公司配电变压器容量有限,经计算若要购买工频压缩机启动电流太大,会造成对本公司电网的冲击,影响其它设备正常运行。变压器增容吧,那不是买个大变压器就可以解决的(大家都知道供电局提供增容服务的费用不是个小数),所以他们最后决定购买变频压缩机,使用后效果相当不错,解决了这个棘手的问题。 

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