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1、仅供个人参考螺杆空压机的一体化变频驱动方案Screw air compressor in tegrated variable freque ncy drive scheme深圳市四方电气技术有限公司蔡洋摘要：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，采用高集成度的一体化设计，融入了主机和风机双变频的解决方案，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。关键字：一体化；变频驱动；螺杆空压机；气压控
2、制精度；双变频Key Words: In tegratio n; Freque ncy drive; Screw air compressor; Pressure con trol precisi on; Dual- freque ncy1. 引言螺杆空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等行业有广泛的应用，是许多工艺流程中的核心设备，其装机容量一般取决于生产所需的最大气量并另外增加10%20%的裕量。由于生产中用气量的不均衡，当气体压力达到一定值时，空压机一般采用卸荷空载运行或者停止空气压缩机这两种方 式，其中卸荷空载运行时的用电量为满负载的30%60%，这部分电能被白白的浪费
3、掉，而停止空气压缩机运行会带来电动机的频繁启停，对电网及其他设备的冲击较大，同时空气压缩机的寿命也会缩短。另调查统计，全国各类电动机用电量约占全国发电量的60%70%，而风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3，它们一般都是以交流异步电动机驱动，且大部分都工作在额定功率之下，通常只有额 定功率的50%70%，甚至更低。若在此类负载上使用变频调速装置，其耗电量将大幅降低。以空压机 为例，其负载特性属恒转矩，其节电率N%= nJ %，即节电率等于转速下降的百分数（一般在 20%左右,转速也不能过低，过低会加速机械的磨损）2。因此，如何设计出节能、稳定和高自动化程度的控制方案，是空压机使用及制造
4、企业所面临的首要问题。随着电力电子技术的发展，变频驱动技术逐步引入了空压机领域。大量的应用案例验证变频驱动具有 运行压力稳定、对电网冲击小、运行安全、在一定范围内节能的优点。随着近几年来国家对节能设备的大 力支持，同时企业对节能降耗的日益重视，变频式的空气压缩机得到了广泛应用和迅速发展。2. 螺杆空压机简介2.1螺杆空压机的工作原理螺杆式空气压缩机工作原理如图1所示：图1螺杆式空气压缩机的工作原理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
5、；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。空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该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，注油 系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑。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。22螺杆空压机的控制流程在空气压缩机控制系统中，采用空压机后端出气管道上安装的压力变送器来
6、控制空气压缩机的压力。 空压机启动时，加载电磁阀处于关闭状态，加载气缸不动作，空压机主电机空载运行，一段时间（到达加 载压力，其值可由控制器设定）后，加载电磁阀打开，空压机带载运行。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。如果后端用气设备用气量较小或停止用气，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，压力传感器发出卸载信号，加载电磁阀停 止工作，进气口滤清器关闭，电机空载运行。2.3传统螺杆空压机工作方式的弊端由上述空压机的工作原理和控制流程
7、可以看出，传统空压机必然存在如下弊端：（1 ）虽然采用 Y- 降压启动，但由于是工频启动，启动电流必然很大，对电网及其它用电设备的冲击较大，影响用电安全及其他设备的运行稳定性；（2）采用加载和卸载的工作方式必然会使供气压力处于加载压力和卸载压力之间变化，不能够提供 恒定的供气压力，在一些对供气压力稳定度要求比较严格的生产领域会影响其产品质量；（3）在用气量较小或停止用气时，系统虽达到设定压力，但并未到达卸载压力，电机仍然负载运行 以及达到卸载压力后电机的空载运行，会造成严重的电能浪费。3. 螺杆空压机一体化的变频驱动解决方案3.1 一体化变频驱动方案的主要构成及系统接线图3如本方案基于四方 T
8、S系列空压机变频驱动系统，主要由一体化控制柜、中文液晶操作面板、空压机适 配卡，以及功能扩展卡等构成。系统内置直流电抗器，控制柜内部集成了气压、温度、空滤、油滤、油分 等信号处理单元，PID运算单元，主机、油冷风机变频驱动单元以及进气阀等控制单元。其系统接线 图2所示：三相电源二 IsT空滤/JDI1油滤nDI2油分1 DI3pGNDET1T2T3主电机接大地主机风机L1接大地N1L2N2AI2TS2100+24V/TS3000AI4L3N3U1V1W1AI1进气阀油冷M风机丫三接大地旋变卡（选配）排气温度PT100GNDAI3液晶显示屏显示屏连接线电机温度PT100图2系统接线图3.2 一体
9、化变频驱动方案的工作原理该一体化变频驱动方案的控制原理框图如图3所示:电刈主机ffiPt单元油?*連变油冷風机播山卯电宦主机戟速押制型11誨押时出嬢率阳定黙堪押制辰也亂艸制JL-釆样利永护单元空诞图3系统控制原理框图对于主电机，变频驱动的目的为恒压供气。系统以管路中的气体压力作为控制对象，其值由压力传感器转变为电信号传送给系统，与压力设定值进行比较，内部PID调节器根据差值的大小进行计算，产生控制信号去调节主机变频驱动单元的输出电压和频率，以调整主电机的转速。当压力偏大时降低转速，当压 力偏小时提高转速，从而使实际压力始终维持在设定压力，保证了供气压力的稳定性。在用气空闲时段则 会自动进入休眠
10、模式，有利于节能，并降低设备的磨损。空压机采用变频驱动与工频驱动的压力控制效果对比如图4所示：不得用于商业用途变频控制与工协控制对比图图4变频控制与工频控制对比图对于油冷风机，变频驱动的目的即为冷却油温的恒定。系统以冷却油温度作为控制对象，其值由温度传感器转变为电信号传送给系统，与温度设定值进行比较，内部PID调节器根据差值的大小进行计算，产生控制信号去调节油冷风机变频驱动单元的输出电压和频率，以调整油冷风机的转速。当温度偏高时提高 转速，当温度偏低时降低转速，从而使实际温度始终维持在设定温度，保证了冷却油温度的恒定。通过实 际测试发现，其温度的控制精度可达土1C。3.3 体化变频驱动方案的特
11、点及优势序号特点优势1主机及油冷风机均可采用变频驱动(1) 实现了软启动，避免了电机工频启动对设备本 身、电网及其他用电设备的冲击。采用变频控制与工频控制的电流特性对比如图 5所示：(2) 油冷风机的变频控制可以保证冷却油温度的恒 定，防止冷却油在工作过程中出现乳化或变质，使 系统冷却及润滑效果更佳的同时还有效延长了冷却 油的使用寿命。2针对空压机主电机 1.151.2倍的电机服务系数，系统配置了重载型驱动单元，其长期过载能力为电机额疋电流的120%过载能力强，更加适合螺杆空压机行业中主电机的实际工况。3基于PID算法的变频控制，且系统具有多级PID设定避免了空压机的实际使用过程中频繁加卸载情
12、况的 出现，大大提高供气压力的控制精度，最优可达土 1%4系统高度集成化，将普通的变频空压机系统系统控制部分的安装及配线变得方便，降低了配线中的变频器、控制器、操作面板、变压器、空开、接触器、端子、铜排等融合为一体错误率。5系统扩展采用了可插拔式的模块化设计通过不冋的参数设置及功能扩展卡配置，可灵活驱 动空压机行业中各种不冋类型的主机，例如：普通 异步电动机、变频电机、异步伺服、永磁同步电机 等。6可记录变频单元以及空压机运行过程中出现的超温、超压等故障记录，以及最后一次故障时各项输出参数方便设备管理人员查询及维护7提供多级密码权限使用动态密码+参考密码的组合密码功能，防止非法操作导致的系统故
13、障，保证各级权限用户的安全使用。表1一体化变频驱动方案的特点及优势图5变频控制与工频控制电流特性对比图3.4空压机采用一体化变频驱动方案后的情况反馈江浙地区某空压机设备制造企业在采用该一体化的变频驱动方案后，其反馈信息如下：（1） 提高了工效，原来的电控系统一个工人装配需要1至2天，现在最多只需要半天就可以完成；（2） 以前的设备压力误差最好也只能控制在0.05Mpa左右，但是现在可以保持在0.02Mpa的范围内;（3） 通过在其客户处的实际测试，平均每天节约的电量大约为25%左右；仅供个人参考（ 4）故障易于排除。结论本文介绍了基于四方 TS 一体化变频驱动系统在螺杆空压机行业的应用方案。其
14、将空压机行业中所有的 外设都集成于一体机柜内， 大大简化了设备安装及配线的工序， 提高了工效， 降低了配线出错率。 基于 PID 算法的变频控制，不仅避免了电机工频启动对设备本身、电网及其他用电设备的冲击，而且提高了系统的 气压、油温控制精度。重载型驱动单元的加入使其过载能力更强。灵活的模块化设计，拓宽了系统的应用 场合。 经过大量的实际应用， 证明该方案是一种高精度、 高稳定性的螺杆空压机一体化变频驱动解决方案。参考文献1 变频器世界， 2011年 9 月2 李方圆 . 变频器行业应用实践， 2006（1）3 TS2100/TS3000 空压机电控驱动系统使用手册 四方电气技术有限公司 ,2
15、012（V1.1 ）仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pasa des fins commerciales.to员bko gA.nrogeHKO TOpMeno
