欧瑞变频器在英格索兰空压机上的应用

一、引言：
空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备，主要有吸气、压缩、作功输送和排气四个主要过程。已有几百年的应用历史，在机械结构方面也经过了100年的发展，原理是成熟的，但大容量的空压机在工作过程的带载启动和泄载一直是一个难题。在结构上分常见有活塞式、螺杆式、和离心式等。它的用途广泛，可以用于冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石油化工等各个行业。空压机占大型工业设备（风机、水泵、锅炉、空压机等）耗电量的15%。经考察，大部分空压机自身存在着以下几个缺点:
（1） 当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，属非经济运行，造成严重的能源浪费。
（2） 异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命;
（3） 工作条件恶劣，自动排空放气时噪音极大，造成环境污染。
（4） 自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低;
（5） 空压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大。
（6）上下限压力不易调节。压力调得太小则易造成不断的起停而烧毁电机及电磁开关；调节的太大则易造成管路的高压力、高的传送损失、漏气、管路破裂的危险，而且压力范围太大也无法满足现代化工艺要求。
综上所述：可用VVVF对现用的空压机系统进行改造，以建立恒压供气系统，从而达到节电、减少噪音、降低设备磨损、减少电网冲击、提高功率因数、起到稳定产品质量的效果。

二、空压机变频改造原理介绍（以螺杆机为例）：
2.1　空压机的工作原理

螺杆式空压机的工作原理图如图1所示，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，高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小舒适耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。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　空压机变频节能原理
变频调速技术近年来发展迅速，并在许多领域发挥了重要的作用。空压机变频节能系统原理框图如图2。

由于许多螺杆式空压机运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,那么能源都被白白的浪费了，而电动机转速自身不能改变，只能通过改变电机频率来调节转速。变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力。原理如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，使电动机上得到相应的转速。那么空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。

三、变频改造注意事项以及设计原则
3.1　应明确空压机是大转动惯量的恒转矩负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议采用具有高启动转矩的恒转矩变频，保证既能实现恒压供气的连续性，又可保证 设备可靠稳定的运行;不推荐用变转矩的变频。
3.2　空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于25Hz;
3.3　建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况，也便于日后的系统工况扩展。
3.4　为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性;
3.5　设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常保护时，不至于影响生产的正常进行。
3.6　电机变频运行状态保持储气罐出口压力稳定，压力波动范围不能超过±0.02Mpa。
3.7　一台变频器能控制两台空压机组，可在柜体内用转换开关切换。
3.8　为了防止非正弦波干扰空压机控制器，变频器输入端应有抑制电磁干扰的有效措施。控制线信号线采用屏蔽线缆，布线时要和动力电路分开，防止干扰引入

四、变频器的选型：
据上原则，经过调研、比较，英格索兰压缩机公司（IR）最终选择欧瑞传动公司生产的F1500-G系列315KW通用型变频器，以满足其配套及系统节能工况改造要求。
4.1　F1500-G变频器的频率精度：数字设定为±0.01%；模拟设定为上限频率＊0.4%。可使压力波动范围满足设计要求。
4.2　系统设计了变频和工频两套主回路。（参见产品柜图）
4.3　系统设计了闭环与开环两套控制回路。
4.4　使用转换开关可使变频器任意控制两台空压机组中的一台。
4.5　F1500-G型变频器适用恒转矩特性负载，该变频器还具有转矩补偿和提升的功能。
4.6　在该变频器上端加装输入电抗器，有效的抑制了变频器对电网的干扰。
4.7　在该变频器下端加装输出电抗器，保障了低频运行时电机温度噪音不超过允许范围。
4.8　选用315KW的变频器控制250KW的电动机，在一定程度上满足了将来工况扩展要求。

五、改造及配套方案原理
5.1　由变频器，压力变送器、电机、螺旋转子组成压力闭环控制系统自动调节电机转速，使储气罐内空气压力稳定在设定范围内，进行恒压控制。
反馈压力与设定压力进行比较运算，实时控制变频的输出频率，从而调节电机转速，使储气罐内空气压力稳定在设定压力上。
5.2　充分利用欧瑞传动F1500-G通用恒转矩变频所拥有的闭环转开环功能特点，将控制板端子OP1—OP8（对应功能码F408-F415）任一端子定义为19（闭环切换到开环功能），将运行调整模式从PI调节切换至F204所设定的调整模式，当该功能端子与CM断开时，为闭环控制；与CM短接时，为开环控制。此定义端子接原系统空压机内部控制板的加减载信号。变频随着系统板的控制信号，变换工作在闭环（PI）与开环（F204=1数字频率设定，键盘UP\DOWN调节，掉电保存结果。）状态。加减载信号由原空压机的信号采样控制板控制，保存原释放阀系统，在必要时也参与调节，增强了系统的可靠性！如果生产现场工况用气量极少，那么变频自动进行PI调节使输出频率降低，如此时的压力MPa值还未降至预计值，此时由空压机的压力采样控制板输出减载信号指令输出到变频的闭环转开环端子，使变频运行在固定的数字频率设定值27HZ，运行在此一底限频率值，能比较好地解决加速时间慢的问题，同时也解决了电机长期在低频下运行的温升问题，和空压机齿轮泵供油的润滑问题。此信号同时也去控制释放阀。如果生产现场的用气量正常，则依靠变频自身的PI功能，系统压力会稳定在预设值范围内。则此时来讲，闭环转开环的转换功能也就用不上了，变频持续工作在闭环PI状态下。
5.3　控制板端子配线：
OP7——定义为FWD（RUN/STOP）,接控制板的运行/停机信号；
OP8——定义为闭环转开环信号，由原空压机加减载内部控制板取来。
CM——控制信号的参考地。
GND——压力反馈控制4－20MA信号负输入端。
AN2——压力反馈控制4-20MA信号正输入端。
TB & TC——外接指示仪表，故障表征输出。

六、系统调试：
调试工作分成两部分：
第一，先根据工艺要求、电机参数、负载特性预调变频器参数。（变频控制参数表详见附表1）
第二，系统联动调试。
在完成变频器设定参数调整及空载运行后，进行系统联动调试。调试的主要步骤：
6.1　将变频器接入系统。
6.2　进行工频旁路的运行。注意此时电机的转向，应确保变频与工频回路的电机转向一致。
6.3　进行变频回路的运行，其中包括开环与闭环控制两部分调试：
开环：此时主要观察变频器频率上升的情况，设备的运行声音是否正常，空压机的压力上升是否稳定，压力变送器显示是否正常，设备停机是否正常等。如一切正常，则可进行闭环的调试。
闭环：主要依据变频器频率上升与下降的速度和空压机压力的升降相匹配，不要产生压力振荡，还要注意观察机械共振点，将共振点附近的频率跳过去。