高压变频器在往复式空压机上的应用

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摘  要：本文结合往复式压缩机生产的实际工况，介绍了山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压变频器在齐鲁石化塑料厂往复式压缩机中的应用。通过改造，实现了往复式压缩机的高效运行，达到了节能降耗的目的。

关键词：高压变频器   往复式压缩机   节能

1 引言

       随着高压变频器在各行业的成熟应用，化工企业一般都设有空压站，采用空气压缩机组产生压缩气体供工艺、仪表等使用。压缩气体的压力需控制在一定范围内，压力低及压力高都需要开停压缩机（ 简称空压机），某化工企业的空压机就为手动开停，且由于岗位合并的缘故，操作人员有所减少带来不便。由于供气量和压缩机的排气量之间很难达到完全平衡，人工调节回流量又难保证所需要的压力和流量的稳定，使得系统的弊病突出：如果供气量不大时使气体反复压缩，运行效率低，耗费大量电能，使用旁通阀调节供气量，工作量大，供气压力不大好控制，供气质量变差，系统安全性差。因此，对往复式压缩机系统进行变频技术改造还是比较有意义。

2 往复式压缩机的负载特性

      齐鲁石化塑料厂有一台KBC-22X型号的往复式压缩机，适配电机是200KW/6KV的8极电机，额定转速是735 r/min，采用直接驱动方式控制。用户通过综合调研和考虑，选用了我们公司JD-BP37-250F型号的高压变频器，通过调试应用，该变频器有安全性能好，可靠性高，设计合理，易损件寿命长，启动性能好，降耗效果明显，安装、维护和保养都比较方便。

      但一般往复式压缩机在工作中，压缩机利用曲轴将电机的旋转运动转化为往复式运动，转矩随着曲轴的角度而改变，在这种情况下，电动机的电流随负载的变化而产生较大的波动。所以，目前对往复式压缩机存在的这些问题限制了变频技术在压缩机的推广应用其中最严重的是低速范围内的转矩和转速波动及由此带来的低频噪声和震动等问题。目前高压变频器技术应用在往复式压缩机上更是寥寥无几。目前市场上销售的绝大多数压缩机都运行在中高速区，能效比普遍较低。

       我们在刚开始的调试中发现：在工作频率降低，转速变低时，转速出现波动现象，转速越低，波动就越大，在25Hz时的波动情况如图1示，波动范围在40r/min，说明上述情况是确实存在的：

图1  25Hz转速波动情况

      为了可靠运行，必须降低转速的波动，即必须有效抑制负载转矩脉动和电机电磁转矩脉动带来的转速波动。针对转速脉动的抑制，经查阅部分资料已有学者进行了相关研究并取得了一定成果他们提出了采用迭代学习控制和 PI 相结合的方法对转速的周期性脉动进行抑制，或者利用速度信号对转矩进行前馈补偿有效地抑制了转速的周期性脉动，但是其中的控制方法都需要码盘来提供电机当前的准确速度信号，同时控制也比较复杂，故无法应用到一般的压缩机系统中。

3 风光高压变频器的应用情况

      JD-BP37系列高压变频调速系统的结构见图2，由移相变压器、功率单元和控制器组成。6KV/250KW变频器共有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。

图2  系统结构

      控制器核心由高速32位DSP和HMI协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。HMI提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。

      每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构见图3，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为六支二极管实现三相全桥整流，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，每个个功率单元完全一样，可以互换，这不但调试、维修方便，而且备份也十分经济，假如某一单元发生故障，该单元的输出端能自动短路而整机可以暂时降额工作，直到缓慢停止运行。

+ N0 V) ?9 G/ r7 P& i8 K图3 单元结构

      另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，并且各个功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的统一控制器，方便调试、维修、现场培训，增强了系统的可靠性。控制器有一套独立于高压电源的供电体系，在不加高压的情况下，设备各点的波形与加高压情况基本相似，给整机可靠性、调试、培训带来了很大方便。

       应用中针对现场存在的问题，系统优化改造主要需解决两方面的问题：第一，在满足系统用气量的基础上尽可能减少排量损失；第二，在满足压力的前提下尽可能减少管压差，即减少压力损失。系统优化拟从动能和势能两方面同时入手，尽可能降低能耗、提高系统效率。解决改造问题后，需要重点解决由于低速时转矩脉动影起的转速脉动，由于在低速时压缩机入口和出口压力差值越大负载转矩脉动越严重，速度越低负载转矩脉动越严重。当压缩机达到给定转速并稳定下来后，由于负载脉动转矩的存在，转速产生与脉动负载转矩同频率的振荡，负载脉动周期为转子转动的机械周期。通过适当的措施和参数调整后，使得系统正常工作，同时转速脉动减小，同在25Hz时，转速情况如下图4：

图4  25Hz转速波动情况

      变频器通过调整后，电机转速脉动从 40r/min 减小到了 15r/min，电机−压缩机系统的振动也大大减小了，从电机电流方面也看出电流波动减小，调整前25Hz时电流在19-40A间波动，调整后25Hz时电流在23-25A间波动。同时节能效果就更明显了，节能在28%左右。

4 结束语

      通过几天的调试和总结，在应用变频技术改造往复式压缩机时应主要的的问题：

    1）有效地抑制压缩机周期性转速脉动，根据负载状况和压缩机当前的工作状态，通过适当补偿的负载转矩，实现压缩机低速高性能控制；

    2）考虑压缩机的润滑问题。压缩机的转速降低后，润滑油的耗量也就减小，润滑效果就变差，针对这一问题应采用机外加压润滑。

    3）系统压力设定问题。在实际运行中，压缩机的排气压力越高，所需的电机输出功率越大，电机的耗电量也越大，所以结合节能效应和多种实际生产工艺的要求，通过调整变频器的运行频率把系统压力设定工艺所要求的。

      在实际运行中，我们比较了改造前后的运行情况:改造前，空气压缩机经常是加载卸载，加载运行时电流为29A ，卸载运行时电流为14A，改造后，空气压缩机运行频率常在38Hz左右，运行电流为20-21 A，基本没有卸载时间。这样节省大量的电能，提高了产品的质量，延长了设备的使用寿命。

      所以系统改造后得到了用户的一致好评，风光牌JD-BP37系列高压变频器在往复式压缩机上的大量推广具有实际可行的意义。