四方电气-螺杆空压机的一体化变频驱动方案

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；气压控制精度；双变频

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[1]。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）[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；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。

2.2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可以看出，传统空压机必然存在如下弊端：

（1）虽然采用Y-Δ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

本方案基于四方TS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[3]如图2所示：

图2 系统接线图

3.2一体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：

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：

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±1℃。

3.3一体化变频驱动方案的特点及优势

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；

（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,2012（V1.1）