螺杆空压机的一体化变频驱动方案

螺杆空压机的一体化变频驱动方案

摘要：四方TS系列空压机变频电控驱动系统，采用一体化设计，将传统变频驱动系统的操作面板、控制器、变压器，空开、接触器及端子等集成于一体（图1），优化了控制方案，包含多种控制算法适用于空压机领域内不同类型主电机的驱动。

关键字：TS2100系列 TS3000系列 螺杆空压机 多段PID

1.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%的余量。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，全国各类电动机耗电量约占全国发电量的70%，其中80%为异步电动机，而且大多数电动机长时间处于轻载运行状态，特别是风机、泵类负载的电机。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%=Δn↓%，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）①。

    因此，如何设计出节能、稳定和自动化程度高的控制方案，是空压机使用及制造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，通过大量的应用案例及实测印证该方案具有运行压力稳定、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、降低成本的需求也日益迫切，所以变频式的空气压缩机得到了迅速的发展。

2.内嵌优异控制算法的空压机一体化变频驱动系统

    目前，有很多空压机设备制造厂家都在生产变频驱动式的空压机。传统的空压机变频驱动系统一般由变频器、控制器、操作面板、变压器、空开、接触器、端子、铜排等构成，由于元器件繁杂，且需要人工配线，故在安装及维护时普遍存在着以下的弊端：控制回路接线复杂，安装费时费力，出现故障也不方便查找原因，而且控制柜的整体美观性不足。

    深圳市四方电气技术有限公司是一家在自动化技术领域的国家级高新技术企业，专业从事电气传动及工控产品开发、生产与销售，是国内领先的变频器供应商，始终着力于为客户提供高品质的产品、服务以及完整的控制系统解决方案。针对空压机的变频驱动领域，四方公司创新性的提出并设计了TS系列空压机变频电控驱动系统，采用一体化设计，将传统变频驱动系统的操作面板、控制器、变压器，空开、接触器及端子等集成于一体（图1），优化了控制方案，包含多种控制算法适用于空压机领域内不同类型主电机的驱动，同时油冷风机也采用变频控制，精准控制油温，发挥润滑油的最佳润滑特性。目前该系统已经升级发展至第二代。

    江浙地区某空压机设备制造企业在使用四方的TS系列变频驱动系统后，其负责人做出了如下的评价：

   （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）通过在客户处的实际测试，其每天节约的电量大约为25%左右；

   （4）故障的排除变得方便了。

    TS这种综合一体化系统的应用，大幅减少了外设元件的数量，从而避免了安装时费时费力的元器件配线，降低了错误配线发生的几率，所以不仅安装工序简单，而且设备的稳定度也得到了改善，同时在设备出现故障时，控制线路的查找也变得更加容易，降低了查找故障原因时的难度。

    借助于可插拔式的适配模块化设计，并通过不同的参数配置，使得TS系统能够灵活的适应各种不同的空压机要求。这同样是非常重要的，因为针对不同的主机电机，其控制方式是不同的。

    另外TS系统的多级PID 控制功能，使得气压的控制更为精准，在一些对气压要求较为严格的生产领域亦可使用，拓展了客户产品的应用领域。

图1

3. 利用TS系统灵活、智能而又可靠的实现空压机变频驱动

    四方的TS变频驱动系统主要由一体化控制柜、中文液晶操作面板、空压机专用适配卡，以及其他可扩展功能的适配卡等构成，全功率段内置直流电抗器，控制柜内部集成了气压、温度信号处理单元、PID运算单元以及空滤、油滤、油分、润滑油、润滑脂等保养周期提示（图2）。

 图2

    其工作原理是：管路中的气体压力由压力传感器转变为电信号送给系统内部的PID运算调节器，与压力设定值进行比较，并根据差值的大小按既定的控制算法进行计算，产生控制信号去控制系统中主机部分的输出电压和频率，调整主电机的转速，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。

    TS系统的专用液晶操作面板可设置、监控变频器及空压机所有与运行相关的参数，操作方便快捷。

    由于TS系统采用了多级PID控制，通过合理设置运行过程中的多段过程压力和时间后，系统在避免气压超调的同时，也兼顾了气压变化时的快速响应调整，使气压控制更为精准。在用气量较少时，系统会降低主机运行频率，在用气空闲时段则会自动进入休眠模式，有利于节能，并降低设备的磨损。

    针对空压机行业的主机有使用各种普通异步电动机、变频电机、异步伺服、永磁同步电机等情况，TS系统通过灵活搭配不同类型的适配卡，可以实现对不同电机的稳定控制。针对空压机主电机1.15～1.2倍的电机服务系数，配置重载型变频控制单元，其长期过载能力为电机额定电流的120%，更加适合主电机的实际工况。

    TS系统包含了双变频工作模式，不仅可实现对主机的变频驱动，亦可同时对油冷风机采用变频驱动，这样可保证系统运行过程中冷却油温度的恒定，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。另外由于风机采用了变频驱动，所以其节能效果比传统的变频驱动更加显著。

    由于TS系统已将空开、接触器、继电器等空压机行业所应用的电气控制元器件集成于系统内部，故安装时无须另外布线及增加电气元件，降低了设备安装及维护时的技术难度，提高了工效，大大的减少材料、人工等成本（图3）。

    TS系统不仅可以记录变频单元的各种缺相故障记录，还可记录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。

       此外，TS系统提供了多级密码权限，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障，保证各级权限用户的安全使用。

普通变频电气柜                               TS电控驱动系统

图3

参考文献

① 李方圆. 变频器行业应用实践，2006（1）

② A510系列重载型闭环矢量变频器使用手册  四方电气技术有限公司，2012（V1.0）

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,2012（V1.1）