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說說變頻螺桿壓縮機
作者:wxnazhi    發布于:2015-05-25 20:04:03    文字:【】【】【

 有關變頻壓縮機的文章筆者近來看過不下十幾篇了,都從不同角度、不同專業用途、不同的理論側重度敘述、分析變頻壓縮機的原理及應用,所有關于變頻壓縮機的內容該寫的基本都寫得差不多了,但今天我還是想老調重彈,試用一種通俗、盡可能不涉及高深理論的方式來重敘下變頻螺桿壓縮機這一話題。

  本人工作中經常會有一些非電氣專業或者較低學歷的銷售、維修以及用戶的有關人員問及螺桿壓縮機變頻的一些技術問題。發現回答時理論上的問題往往比較難以溝通,為此經常就要變著法的用簡單、通俗、比喻方式來敘述交流,這樣提問者也容易理解,效果還不錯。例如“變頻”這詞對非電專業的同仁來說比較抽象,你要從電源頻率開始一直說到三相交流異步電動機的工作原理及變頻器的工作原理,費很大勁,對方還不一定能理解,有種吃力不討好的感覺。那你就告訴他將“變頻”直接理解成“自動變速”,所謂的“自動變速”就是把它看成壓縮機按照用戶用氣量的需求自動改變電機的轉速,也就是說用戶需要用氣量大時,壓縮機就自動轉的快點多打點氣;當用戶用氣量降低時,壓縮機就自動轉的慢點少打點氣??傊?,就是用戶需要用多少氣量,壓縮機就通過自動改變轉速來提供多少氣量。上述通俗的說法簡單易懂,實際上也將變頻壓縮機的運行原理及變頻壓縮機的核心功能表述清楚了,只是沒有涉及理論知識。通常許多崗位具體的操作人員并無必要了解專業技術之所以然,只要按照操作規程會操作,知道結果是什么就可以了。

  工頻螺桿壓縮機

  在未說變頻之前先來談談工頻螺桿壓縮機工作原理,待了解了工頻螺桿壓縮機后再談變頻就更容易理解了。

  1、工頻壓縮機啟動

  工頻壓縮機一旦按下啟動按鈕,壓縮機主電機開始啟動旋轉(一般大于7.5kW功率均采用星三角啟動方式)。先是星形連接,每項電機繞組承受220V電壓,待星角延時到,自動轉換為三角形連接,每項電機繞組承受380V電壓。通過啟動過程中繞組上承受不同的電壓,我們就可以知道這是電氣控制中最常用的降壓啟動方式,因電機啟動電流與電源電壓成正比,為此星三角降壓啟動電流只占全電壓啟動電流的1/3。這樣避免了大電機啟動時大電流對電網的沖擊。

  2、工頻壓縮機的加卸載運行

  主電機啟動完成即進入加載延時,待延時到進氣閥打開,壓縮機開始加載運行,排氣壓力逐步升高。大家都知道,螺桿壓縮機標牌上有一個重要參數,即壓縮機的標稱工作壓力(通常是0.8MPa~1.00MPa之間),也稱為卸載壓力。一旦壓縮機排氣壓力達到這個壓力點時,進氣閥立即關閉,壓縮機即刻卸載進入空載狀態運行,工作壓力隨后開始逐步降低;當壓力降低到小于等于加載壓力設定值時(通常設定為低于標稱壓力0.1~0.15MPa),進氣閥打開,壓縮機又進入加載運行狀態,工頻壓縮機就這樣反反復復如此循環工作。這里我們可以知道,壓縮機運行到標稱壓力這個最高點時僅僅是個暫短時間,它提供的排氣壓力實際上是波動的,用戶得到的用氣壓力也就是一個波動的范圍區間,用戶若要想獲得一個相對穩定的壓力,那么就要借助儲氣罐來緩解。

  3、工頻壓縮機特點小結

  通過上述關于工頻壓縮機的啟動與加卸載運行分析,我們可以得出工頻壓縮機以下幾個特點或者說是結論:⑴ 星三角降壓啟動,使啟動電流減小至原來的1/3(與直接啟動相比)。⑵ 加載壓力至標稱壓力的升壓運行過程,即工頻壓縮機負載運行。⑶ 標稱壓力至加載壓力下降運行過程,即工頻壓縮機的空載運行。⑷ 工頻壓縮機提供給用戶的排氣壓力不是恒定的標稱壓力值,而是一個波動的區間范圍壓力值。上述4點在介紹變頻壓縮機時會非常有用,至于工頻壓縮機的停機、包括卸載空久停機與變頻無關,這里就不介紹了。

  變頻螺桿壓縮機

  變頻螺桿壓縮機與工頻螺桿壓縮機從外觀上觀察,電器區別僅僅是壓縮機柜中增加了一臺與壓縮機所匹配的變頻器(電動機一般都采用普通的三相交流異步電機,很少采用變頻電機)。其它就找不出與工頻機不同之處了。實際上硬件還有兩處不同,即采用的電腦控制器是為變頻壓縮機專門設計的產品(或者采用PLC設計),還有具有抗強干擾措施的接線。那么變頻是個什么東西呢?VVVF又是什么呢?通常如果不是設計變頻壓縮機的工程技術人員,本人認為沒有必要了解那么多、那么詳細,把變頻器看成一個自動變送器,例如機床上的齒輪變速箱、汽車變速箱(略有不同的是變速箱是手動的,是有級變速,速度越低扭矩越大)即可,而變頻壓縮機的變頻器變速是無級的、是自動的,扭矩一般不變(恒轉矩型)。變頻壓縮機與工頻機相比功能上還有三大顯著特點:節能、恒壓供氣、軟啟動。

  1、變頻壓縮機的啟動

  按下啟動按鈕,變頻器首先提供給主電機一個低頻、低壓電源(頻率與電壓之比為常數),讓電機開始慢慢一點一點地轉動,隨著頻率的提高電機速度不斷加快一直達到最高的額定轉速。這里值得一提的是變頻器啟動中其頻率從0~50Hz所需時間是可以設置的,小電機的啟動時間可以設的短一些,大電機啟動時間相對需要長一些,通常為10~30秒,也可參照變頻器說明書要求設置。啟動時間定下后,加載延時時間也就確定了,也就是說壓縮機的加載延時時間設置值必須大于變頻的啟動時間,否則在變頻器啟動過程中由于加載的重負荷原因會產生大的啟動電流,甚至還會造成啟動過載故障。變頻壓縮機啟動比較簡單(參數設定完成),按下啟動按鈕即可,不同于工頻壓縮機需通過3個接觸器改變電機的接線來完成啟動。

  2、變頻壓縮機自動變速運行

  變頻壓縮機第一次啟動,當轉速達到電機額定轉速后電腦控制器執行加載延時,待延時到進氣閥開啟,壓縮機即開始加載運行,隨之排氣壓力逐步升高。當排氣壓力達到壓縮機的標稱壓力值時,與工頻機不同的是變頻壓縮機不進行卸載操作(即進氣閥不關閉)。而是由變頻器自動降低電源頻率使電機轉速降低,從而使產氣量減少來保持排氣壓力穩定在標稱壓力上(其誤差在±0.02MPa左右,條件是用氣壓力無突變狀態),至于電機轉速下降多少,下降速度如何,轉速下降到哪個數值才能達到穩定,這完全由用戶用氣系統的工況自動來決定。

  變頻壓縮機初次啟動達到壓力標稱值,雖然轉速開始下降,但排氣壓力會略超出標稱值,通常在0.05MPa以內,原因是達到標稱壓力時變頻器轉速為最高轉速,壓力下降反應稍慢于轉速。為此變頻壓縮機電腦控制器參數設置不同于工頻壓縮機,標稱值那點壓力也稱為變頻壓力,在變頻壓力上面那個壓力設置點才是卸載壓力,所以只有當壓力超過卸載壓力時變頻壓縮機才會卸載,進氣閥才會關閉。變頻壓力與卸載壓力設定相差約大于等于0.05MPa,這是變頻機調試時特別要注意的問題。有好多人調試會出錯,誤將變頻機的卸載壓力當作變頻壓力(標稱壓力),其結果造成變頻機頻繁加卸載,失去自動調速功能,變頻機僅作軟啟動用了。通常變頻壓縮機運行中是不卸載的,除非是變頻機的最低轉速時的產氣量仍大于用戶系統的用氣量,這樣才會使排氣壓力慢慢上升至卸載壓力形成卸載。事實上這樣的運行狀態發生幾率很低。

  若當用戶系統用氣量發生變化,穩態運行的變頻壓縮機也隨之通過自動改變電機轉速來維持新的平衡,也就是說電機的轉速是按系統需要的用氣量變化而決定,用氣量大就轉的快,用氣量小就轉的慢,而且供氣壓力始終保持在標稱壓力值上。

  3、變頻壓縮機的節能

  絕大多數用戶選用變頻壓縮機首要的一條就是為了節能,那么變頻壓縮機是如何節能的呢?通過前面所說的工頻壓縮機特點小結⑵⑶兩條我們就可以清楚地知道,壓縮機從加載壓力上升到卸載壓力的運行過程是我們所需要的,也就是負載運行,所消耗的功率也是理所應當的,因為它為我們生產出壓縮氣體。但壓縮機從卸載壓力下降至加載壓力運行過程是空載運行,它要消耗電機標稱功率的1/3能耗,它所消耗的電能并未為我們產生任何壓縮空氣,是白白浪費掉的能耗。而采用變頻壓縮機恰恰解決了這個問題。我們剛說過變頻壓縮機正常運行是不卸載的,不卸載就意味著壓縮機一直在生產壓縮氣體,沒有空載就沒有電能浪費。工頻機當壓力上升到標稱壓力是靠卸載來使排氣壓力不超過標稱值,而變頻機是通過降低轉速來使排氣壓力保持穩定在標稱壓力上。

  轉速降低使變頻器提供給電機的頻率、電壓都降低了,電機消耗的電能也就隨著降低了,所以節能的目的也就達到了。下面舉個變頻壓縮機節能的例子:一臺90kW電機、每天空載3小時、空載功率為30kW、一年按300天算、效率系數0.95、每度電按1元算。則:30×3×300×0.95=25650千瓦小時,每年可節約25650元人民幣,目前一臺110kW變頻器(ABB-510)售價約為26800元人民幣,這樣12個月多點就可收回變頻器的投資成本。從上面例子可以看出節能效果取決于工頻壓縮機運行時的空載時間,空載時間越大,那么節能空間就越大;如果空載時間很少,那么變頻投入就沒什么意義了,也許還不如將一臺大的變頻壓縮機換成兩臺小的工頻壓縮機節能效果好呢!

  4、變頻壓縮機的恒壓供氣

  流量是供氣系統的基本控制對象,供氣流量需要隨時滿足用氣流量。為此在供氣系統中,儲氣罐中的氣壓能夠充分反映供氣能力與用氣需求之間的關系:

 ?、?供氣流量>用氣流量→儲氣管氣壓上升

 ?、?供氣流量<用氣流量→儲氣管氣壓下降

 ?、?供氣流量=用氣流量→儲氣管氣壓不變

  綜上所述,要保持排氣壓力的恒定,就要保證供氣能力恰好滿足用氣需求,這就是恒壓供氣系統所要達到的目的。通過前面介紹工頻壓縮機的特點小結⑷,我們知道工頻壓縮機提供給用戶的排氣壓力不是恒定的標稱壓力值,而是一個波動的區間范圍壓力值,只能滿足供氣能力與用氣需求關系中的⑴ ⑵兩個條件,所以提供給用戶的只能是壓力在一定范圍內波動的壓縮氣體。然而變頻壓縮機就能輕松的滿足供氣能力與用氣需求關系中的⑶條件。

  其過程是:(其中↑是上升,↓是下降)

  用氣需求↑管路氣壓↓變頻器頻率↑電機轉速↑供氣流量↑管路氣壓達到穩定。

  用氣需求↓管路氣壓↑變頻器頻率↓電機轉速↓供氣流量↓管路氣壓達到穩定。

  5、變頻壓縮機的軟啟動

  先了解一下什么是軟啟動器。軟啟動器是一種集電機軟啟動、軟停機和多種保護功能于一體的電子控制裝置,實際上就相當于一個調壓器,在電機啟動、停機時提供一個低電壓的電源(不改變頻率),來實現降壓啟動、停機的目的。其實軟啟動就是降壓啟動,只不過降壓值可以連續平滑調節,不同于星三角啟動只是簡單轉換220V與380V的兩個電壓。然而變頻器是通過改變頻率與電壓來啟動的,U/F之比是常數,為此磁通基本恒定,啟動力矩較大,所以啟動電流小(重載情況例外),在空載狀態下變頻啟動電流通常不會超過或者等于電機的額定值,因此不會產生對電網的沖擊電流,

  星三角啟動電流大約是電機額定電流的3~3.5倍,軟啟動器的啟動電流大約是電機額定電流的2~2.5倍,變頻器的啟動電流大約是電機額定電流的1~1.2倍。通過上面三個數據我們知道,變頻器的軟啟動效果是最為理想的,也就是常說的真正意義上的軟啟動。上述給出的數據為何還有個范圍呢?因為壓縮機啟動時不是真正的空載狀態,進氣閥上有個微孔,它是要建立一個低的初壓力,至少要提供給加載時進氣閥的氣缸能量,所以要比空載電流大一些,各種型號螺桿機有所不同,所以啟動電流略有差別。軟啟動器在壓縮機上的應用本人認為效果不是很理想,理論上將電壓調低,啟動電流可以降低很多,但實際上當電壓調的過于低,啟動扭矩就不夠了,會造成電機啟動時堵轉,通常都要調到2倍以上才行。所以還是變頻器的軟啟效果最好,問題是價格比軟啟動器貴了許多。

  筆者曾接到一家用戶訂購變頻壓縮機的案例,一不是為了節能,二不是需要恒壓供氣,而僅僅是為了軟啟動,什么道理呢?原來是那家公司配電變壓器容量有限,經計算若要購買工頻壓縮機啟動電流太大,會造成對本公司電網的沖擊,影響其它設備正常運行。變壓器增容吧,那不是買個大變壓器就可以解決的(大家都知道供電局提供增容服務的費用不是個小數),所以他們最后決定購買變頻壓縮機,使用后效果相當不錯,解決了這個棘手的問題。

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