The Application of High Voltage Inverter in the Toward Multiple Air Compressor

                     山東新風光電子科技發展有限公司   尹彭飛  張向陽  陳敏

                              Yin Pengfei    Zhang Xiangyang    Chen  Min

摘  要：本文結合往復式壓縮機生產的實際工況，介紹了山東新風光電子科技發展有限公司生產的高壓變頻器在齊魯石化塑料廠往復式壓縮機中的應用。通過改造，實現了往復式壓縮機的高效運行，達到了節能降耗的目的。

關鍵詞：高壓變頻器   往復式壓縮機   節能

Abstract: The paper introduces the application of the high voltage inverter produced by Shandong Xin Fengguang Electronic Technology Develops Co.,Ltd, and in the reciprocating compressor of Qi and Lu Petrochemical Plastics Plant. The reconstruction realizes high effect of the reciprocating compressor, achieves the purpose retrenching energy.

Key words: High voltage inverter   Reciprocating compressor    Energy-saving

1 引言

　　隨著高壓變頻器在各行業的成熟應用，化工企業一般都設有空壓站，采用空氣壓縮機組產生壓縮氣體供工藝、儀表等使用。壓縮氣體的壓力需控制在一定范圍內，壓力低及壓力高都需要開停壓縮機( 簡稱空壓機)，某化工企業的空壓機就為手動開停，且由于崗位合并的緣故，操作人員有所減少帶來不便。由于供氣量和壓縮機的排氣量之間很難達到完全平衡，人工調節回流量又難保證所需要的壓力和流量的穩定，使得系統的弊病突出：如果供氣量不大時使氣體反復壓縮，運行效率低，耗費大量電能，使用旁通閥調節供氣量，工作量大，供氣壓力不大好控制，供氣質量變差，系統安全性差。因此，對往復式壓縮機系統進行變頻技術改造還是比較有意義。

2 往復式壓縮機的負載特性

　　齊魯石化塑料廠有一臺KBC-22X型號的往復式壓縮機，適配電機是200KW/6KV的8極電機，額定轉速是735 r/min，采用直接驅動方式控制。用戶通過綜合調研和考慮，選用了我們公司JD-BP37-250F型號的高壓變頻器，通過調試應用，該變頻器有安全性能好，可靠性高，設計合理，易損件壽命長，啟動性能好，降耗效果明顯，安裝、維護和保養都比較方便。

　　但一般往復式壓縮機在工作中，壓縮機利用曲軸將電機的旋轉運動轉化為往復式運動，轉矩隨著曲軸的角度而改變，在這種情況下，電動機的電流隨負載的變化而產生較大的波動。所以，目前對往復式壓縮機存在的這些問題限制了變頻技術在壓縮機的推廣應用其中最嚴重的是低速范圍內的轉矩和轉速波動及由此帶來的低頻噪聲和震動等問題。目前高壓變頻器技術應用在往復式壓縮機上更是寥寥無幾。目前市場上銷售的絕大多數壓縮機都運行在中高速區，能效比普遍較低。

　　我們在剛開始的調試中發現：在工作頻率降低，轉速變低時，轉速出現波動現象，轉速越低，波動就越大，在25Hz時的波動情況如圖1示，波動范圍在40r/min，說明上述情況是確實存在的：

圖1  25Hz轉速波動情況

　　為了可靠運行，必須降低轉速的波動，即必須有效抑制負載轉矩脈動和電機電磁轉矩脈動帶來的轉速波動。針對轉速脈動的抑制，經查閱部分資料已有學者進行了相關研究并取得了一定成果他們提出了采用迭代學習控制和 PI 相結合的方法對轉速的周期性脈動進行抑制，或者利用速度信號對轉矩進行前饋補償有效地抑制了轉速的周期性脈動，但是其中的控制方法都需要碼盤來提供電機當前的準確速度信號，同時控制也比較復雜，故無法應用到一般的壓縮機系統中。

3 風光高壓變頻器的應用情況

　　JD-BP37系列高壓變頻調速系統的結構見圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6KV/250KW變頻器共有15個功率單元，每5個功率單元串聯構成一相。

圖2  系統結構

　　控制器核心由高速32位DSP和HMI協同運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。HMI提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性。

　　每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構見圖3，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為六支二極管實現三相全橋整流，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，每個個功率單元完全一樣，可以互換，這不但調試、維修方便，而且備份也十分經濟，假如某一單元發生故障，該單元的輸出端能自動短路而整機可以暫時降額工作，直到緩慢停止運行。

圖3 單元結構

　　另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統的統一控制器，方便調試、維修、現場培訓，增強了系統的可靠性。控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設備各點的波形與加高壓情況基本相似，給整機可靠性、調試、培訓帶來了很大方便。

　　應用中針對現場存在的問題，系統優化改造主要需解決兩方面的問題：第一，在滿足系統用氣量的基礎上盡可能減少排量損失；第二，在滿足壓力的前提下盡可能減少管壓差，即減少壓力損失。系統優化擬從動能和勢能兩方面同時入手，盡可能降低能耗、提高系統效率。解決改造問題后，需要重點解決由于低速時轉矩脈動影起的轉速脈動，由于在低速時壓縮機入口和出口壓力差值越大負載轉矩脈動越嚴重，速度越低負載轉矩脈動越嚴重。當壓縮機達到給定轉速并穩定下來后，由于負載脈動轉矩的存在，轉速產生與脈動負載轉矩同頻率的振蕩，負載脈動周期為轉子轉動的機械周期。通過適當的措施和參數調整后，使得系統正常工作，同時轉速脈動減小，同在25Hz時，轉速情況如下圖4：

圖4  25Hz轉速波動情況

　　變頻器通過調整后，電機轉速脈動從 40r/min 減小到了 15r/min，電機−壓縮機系統的振動也大大減小了，從電機電流方面也看出電流波動減小，調整前25Hz時電流在19-40A間波動，調整后25Hz時電流在23-25A間波動。同時節能效果就更明顯了，節能在28%左右。

4 結束語

　　通過幾天的調試和總結，在應用變頻技術改造往復式壓縮機時應主要的的問題：

    1）有效地抑制壓縮機周期性轉速脈動，根據負載狀況和壓縮機當前的工作狀態，通過適當補償的負載轉矩，實現壓縮機低速高性能控制；

    2）考慮壓縮機的潤滑問題。壓縮機的轉速降低后，潤滑油的耗量也就減小，潤滑效果就變差，針對這一問題應采用機外加壓潤滑。

    3）系統壓力設定問題。在實際運行中，壓縮機的排氣壓力越高，所需的電機輸出功率越大，電機的耗電量也越大，所以結合節能效應和多種實際生產工藝的要求，通過調整變頻器的運行頻率把系統壓力設定工藝所要求的。

　　在實際運行中，我們比較了改造前后的運行情況:改造前，空氣壓縮機經常是加載卸載，加載運行時電流為29A ，卸載運行時電流為14A，改造后，空氣壓縮機運行頻率常在38Hz左右，運行電流為20-21 A，基本沒有卸載時間。這樣節省大量的電能，提高了產品的質量，延長了設備的使用壽命。

　　所以系統改造后得到了用戶的一致好評，風光牌JD-BP37系列高壓變頻器在往復式壓縮機上的大量推廣具有實際可行的意義。

1）原魁、劉韋強《變頻基礎及應用》1997年.冶金出版社出版

2）王應來《變頻調速技術在往復壓縮機上的應用》2000年11月《煤氣與熱力》

3）王小平《應用變頻器對活塞式空氣壓縮機控制系統的改進》2008年5月《機電產品開發與創新》