变频技术在螺杆压缩机上的应用

1 概况

在全球金融危机的影响下，中国将可能面临一到两年的萧条时期。异常激烈的市场竞争已渗透到各行各业的每个角落中。面对危机形势，生产型企业怎样才能有效地提高生产效率、工艺，在达到节能降耗从而降低生产成本的同时，保住产品优势已成为各厂家发展中的首要问题。我们要积极应对市场变化，加快技术改造、降本增效。全国范围内的节约能源已成为一个刻不容缓的问题，这也是关系到我国经济可持续发展战略的一个重要因素。据不完全统计我国电能的60%是被各行各业中广泛使用的风机、水泵等通用设备所消耗，而螺杆压缩机则占了60%中的20%左右，足见其年消耗能量有多大。

2 螺杆压缩机的节能潜能

由于螺杆压缩机是结构复杂的通用设备，运转时间长，配备电机功率较大，因而降低螺杆压缩机的功耗，提高螺杆压缩机的运行效率，对节能具有一定意义。尽管我们加强日常运行管理，减少泄漏、合理润滑、定期维护和预知维修等，但是其蕴藏的节能潜力仍远未被挖掘出来。

通常使用的螺杆式压缩机的工作原理是，螺杆在气缸内作旋转运行，周期性地改变缸内的体积，从而使气缸内气体体积发生变化，并与气缸内气阀作相应的开闭动作配合，通过吸气、压缩、排气等动作，将无压或低压气体升压，并输出到储压罐内。

2.1 输入电流(功率)与排气压力分析

螺杆压缩机的驱动轴上所需要的轴功率，与排气压力、螺杆压缩机转速有直接的关系，也就是说，在实际运行中，由于压缩空气的使用随时在变化，螺杆压缩机并不经常在额定工况下运行，而螺杆压缩机排气压力的高低则直接影响到实际轴功率的大小。排气压力越高，所需轴功率也越大。试验证明满负载时，螺杆压缩机的输入电流(功率)与排气压力的关系符合图1 曲线与关系式(1)。

2.2 传统运行模式弊端

为满足用气量随时变化的要求，储气罐内气体必须保持一定的压力，某冷饮厂生产线运行压力为0.65~0.80 MPa，目前大多数螺杆压缩机均采用切断进气的调节方式来改变排至储气罐的气量。对于螺杆压缩机气量的供求关系表现为排气压力的变化，螺杆压缩机排气量正好满足生产用气量要求时，储气压力保持不变，若能维持这种状态当然最佳，但实际上用气量是随时变化的，而且设计冗余量较大，所以螺杆压缩机排气量都要大于用气量。如果螺杆压缩机仍恒速运转，则储气罐内的气体越积越多，当罐内压力上升达到设定压力时，一般采用两种办法：一种是螺杆压缩机卸荷运行，不产生压缩气体，电动机处于空载运转，其用电量为满负载的30豫耀60%，这部分电能被白白浪废掉。另外一种办法是停止螺杆压缩机运行，这样似乎螺杆压缩机空转或不断放空所浪费的电能被消除了，但是若无体积较大的储气罐，将会带来电动机的频繁启动，螺杆压缩机的空载启动电流大约是额定电流的5耀7 倍，对电网及其它用电设备冲击较大，同时也会使螺杆压缩机的使用寿命缩短。

2.3 变频运行的优势

由于螺杆压缩机可以在保证生产所需要的最低压力下运行，这样会使电机输入功率大大下降。

如图2 所示，辅以压力闭环控制，就可实现螺杆压缩机的供气压力—转速的动态匹配，从而减少电机的实际输入功率，达到节能目的。也即电机的转速由供气压力来控制，压缩机需要多大的功率，电机就输出多大的功率，而不必做无用功，从而取得良好的节能效果，节能的另一方面是螺杆压缩机停止了空转，所以电机不存在轻载运行，这部分能量也很可观。

相应带来的其它好处是：供气压力稳定。通过压力调节器，可使螺杆压缩机保持在设定的压力值下工作，压力稳定可靠性高，而且压力可以无级设定，随时可调。电机实现软启动，压缩机的使用寿命及检修周期都将得到大大延长。螺杆压缩机排气量由螺杆压缩机的转速来控制，气缸内气阀片不再反复地开启和关闭，阀座、弹簧等工作条件大大改善，避免了高温、高压气体急剧的流动与冲击，使维修工作量减少。

3 实例

以下为某冷饮厂生产线上的螺杆压缩机的变频运行状况。

3.1 螺杆压缩机变频节能实际分析

冷饮厂的每日供气量随季节的变化而不同，一日中每时的供气量也随时间昼夜而有别，冷饮厂的供气量始终处于动态的变化之中，冷饮生产线的运行数量也在不断地改变。该冷饮厂生产线总数为6，进气闸板、排气闸板与出气蝶阀都采用气动控制，以源台螺杆压缩机(两用两备)组成的空压站供给气源。生产线空压站变频调速匹配图如图3所示。以下是节能效果的实际测算，其中螺杆压缩机配用电机参数分别为Pe=11 kW，Ie=22.3 A，Ue=380 V。

1)只运行—条或两条冷饮生产线只开启一台螺杆压缩机，卸荷时运行电流为11 A，电压为400 V，功率因数约为0.85，消耗有功功率为P越3伊400伊11伊0.85越6 477.68 W越6.4 777 kW。

载荷-卸荷时间比为8:6，那么一年一台螺杆压缩机卸荷运行所需电能为：W越P伊24伊365伊6衣14越24 319.06 kW·h

2)3 条冷饮生产线全部投运只开启一台螺杆压缩机，这时螺杆压缩机不再有卸荷运行，储气罐压力为0.65 MPa，输入电流为20 A，没有做无用功。

3)6条冷饮生产线全部运行必须将两台螺杆压缩机全部投入运行，这种状况下的运行情况与2)类似。

3.2 螺杆压缩机变频调速的实现方案

根据现场情况，目前控制生产线气动阀共有4台(两用两备)螺杆压缩机，型号相同。选用1台欧姆龙变频器轮换去驱动两台螺杆压缩机，这样两台螺杆压缩机在运行时，一台调速运行一台定速运行;再辅以适当的控制功能，即可实现整个空压站的恒压自动控制。该系统可以根据储气罐压力的变化，自动调节螺杆压缩机的转速和螺杆压缩机的运转台数。

该系统自动化程度高，运行方式合理，不到一年时间就能收回投资。当然，螺杆压缩机采用了变频调速后，应该注意对螺杆压缩机正常运行有无影响，首先是润滑问题，其实螺杆压缩机转速越低，吸、排气压力差越小，润滑油耗量也就越小，即所谓“低转速，低润滑”。

3.3 变频器性能要求

1)由于螺杆压缩机同时具备了变转矩负载和恒转矩负载的特性。所以我们选用了德国原装的殴姆龙系列变频器，它的过载特性最高可达电机额定电流的200%，IGBT 的极限电流为额定电流的6倍。全面的电机保护功能保证螺杆压缩机的长期无故障运行。且由于其唯一的出厂24个月保质期，最大限度地保护了用户利益。

2)变频器采用多种控制模式，包括磁场定向矢量控制、直接转矩控制等，可以保证变频器足够的转矩输出。

3)变频器内置PID 功能，可以直接输入压力信号便于压力闭环控制。

4)变频器可以在-20益耀65益的环境温度中无障碍运行(一般螺杆压缩机安装场合温度较高);甚至可以在海拔4 000 m 的高原地区正常使用;可在320 V到528 V之间，宽电压运行。

4 结语

变频器在各行各业中，特别是在节能降耗方面已逐渐得到广泛的应用，以上案例仅为抛砖引玉。这次全球金融危机不同以往，其影响深度、广度和持续时间难以预料，对此我们企业一定要练好内功，精细管理，作好节能降耗工作。