合康高壓變頻器在廣州豐力橡膠輪胎有限公司往復式壓縮機上的應用

摘  要：隨著電力電子技術與變流技術的發展，高壓變頻調速技術在國內外得到了長足的發展。本文著重對合康高壓變頻器在廣州豐力橡膠輪胎有限公司往復式壓縮機上的應用。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：高壓變頻調速；往復式壓縮機，節能降耗

一、引言

廣州豐力橡膠輪胎有限公司（以下簡稱“廣州豐力”）是廣州萬力集團有限公司和廣州市華南橡膠輪胎有限公司共同合資組建的全資大型國有企業，位于從化市明珠工業園。2005年7月29日奠基，2006年9月15日生產出第一條高性能輪胎。廣州豐力制氣車間中的往復式壓縮機在啟動時，電機的電流會比額定高5-6倍的，不但會影響電機的使用壽命而且消耗較多的電量。系統在設計時在電機選型上會留有一定的余量，電機的速度是固定不變，但在實際使用過程中，有時要以較低或者較高的速度運行，耗能嚴重，直接影響到企業生產效益。

為響應國家節能減排的號召，廣州豐力與北京合康億盛變頻科技股份有限公司達成合作，使用合康HIVERT-Y10/031高壓變頻器應用在制氣車間的往復式壓縮機上。合康高壓變頻器可實現電機軟啟動、通過改變設備輸入電壓頻率達到節能調速的目的，而且能給設備提供過流、過壓、過載等保護功能，滿足原料氣加壓的生產壓力要求。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。

二、往復式壓縮機工藝簡介

1、往復式壓縮機工作原理

往復式壓縮機又稱活塞式壓縮機。屬于容積式壓縮機，是使一定容積的氣體順序地吸入和排出封閉空間提高靜壓力的壓縮機。往復式壓縮機都有氣缸、活塞和氣閥。壓縮氣體的工作過程可分成膨脹、吸入、壓縮和排氣四個過程。壓縮機的工作腔是汽缸。曲軸帶動連桿，連桿帶動活塞，活塞做上下運動。通過活塞在汽缸內作上下往復運動，從而完成了壓縮、排汽、膨脹、吸汽等過程。

圖1 往復式壓縮機原理模擬圖

1)壓縮過程：到最低位置(稱活塞的下止點)時，汽缸吸滿蒸氣。而活塞轉而向上，這時吸、排汽門都關閉，汽缸容積縮小，蒸氣被壓縮，一直壓縮到排汽壓力為止。

2)排汽過程：當壓力達到一定值(大于排汽管內壓力)時，排汽閥開啟，活塞繼續上移，蒸氣排出，一直到活塞上移到最高位置(這位置稱活塞的上止點)時，排汽結束。

3)余隙膨脹過程：為了防止活塞與吸排汽閥碰撞，活塞上移到上止點時，活塞與汽缸頂部之間留有一定間隙，稱余隙。當活塞轉而向下運動時，排汽結束時留在余隙內的高壓蒸氣阻止吸汽閥開啟，吸汽不能開始。這時余隙內的蒸氣隨著活塞下移而進行膨脹，一直膨脹到吸汽壓力以下時才結束。

4)吸汽過程：吸汽閥開啟，隨著活塞往下運動而吸汽，一直進行到活塞下移到活塞下止點為止。

2、優缺點

往復式壓縮機應用范圍比較廣泛，制造技術成熟，結構簡單，而且對加工材料和加工工藝要求較低，造價比較低，適應性強，能適應廣闊的壓力范圍和制冷量要求，可維修性強。但由于設計原理的關系，往復式壓縮機無法實現較高轉速，機器大而重，不容易實現輕量化，排氣不連續，氣流容易出現波動，而且工作時有較大的振動。

現場往復式壓縮機與三相異步電動機具體參數如下：

三、變頻器技術方案

依據現場三相異步電動機的額定參數，選擇合康HIVERT—Y10/031（容量500kVA，額定功率400kW）高壓變頻器作為往復式壓縮機的驅動裝置。高壓變頻器采用8單元串聯拓撲結構，冗余設計實現往復式壓縮機的軟啟動及平滑調速。這種結構是利用低壓功率器件實現高壓，巧妙的避開了電力電子功率器件耐壓不足的問題。同時通過前端的移相變壓器，實現了多脈沖整流，具有對電網諧波污染小的優點。在變頻器的內部控制上，利用功率單元輸出波形的移相疊加，形成多電平輸出電壓波形，可以直接適配普通國產異步電機，對電機的絕緣沒有特殊要求，并且具有脈動轉矩小的優點。

1、高壓變頻器的主要技術性能指標

現場高壓變頻調速裝置規范表如下：

2、一次回路方案

現場原啟動方式為高壓晶閘管軟啟動器啟動電機，因此考慮到當高壓變頻器出現故障或需要檢修時，手動切換到原工頻軟啟動回路運行，保證系統正常安全運行，其手動旁路柜原理見下：

圖2  手動旁路一次回路圖

旁路柜中有四個隔離開關QS11、QS12、QS21和QS22，其中QS11和QS12,QS21和QS22為兩組雙刀雙投的隔離開關。雙刀雙投隔離開關的特點是兩個方向只能合其一，實現機械互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到變頻器輸出側而導致變頻器損壞。

1)變頻運行：QS11、QS21閉合，QS12、QS22斷開，由合閘斷路器QF為變頻器供電，再通過變頻器本地或遠程啟動電機變頻運行；

2)工頻定速運行：QS11、QS21斷開，QS12、QS22閉合，由合閘斷路器QF經高壓晶閘管軟啟動器啟動后電機定速運行；

3)變頻器維護、修理：QS11、QS21斷開，變頻器與高壓電源完全隔離。

4)啟動柜維護：QS12、QS22斷開，啟動柜與高壓電源完全隔離。

3、設備改造后的實際效果

1. 啟動平穩，啟動電流遠小于額定電流，減小對電網沖擊，延長了啟動時間，

2. 改造前壓力控制困難，對工藝控制不利。改造后，變頻器能夠精確的控制轉速，能夠及時響應工藝的要求，提高了生產工藝的精確度，因此可以根據工藝要求嚴格控制生產工藝需要的壓力和流量，

3. 降低了發生喘振的風險。改造前通過回流閥調節流量，當流量下降時，壓力變化不大造成工作點向左平移，就有碰觸防喘振曲線的風險，而改造后通過降低轉速的方式調節流量，流量下降的同時，壓力成平方關系下降，因此工作點向左下方移動，遠離防喘振線，降低了發生喘振的幾率。

4. 設備嘯叫減輕，降低了起動機械轉矩對電機機械的損傷，降低了噪音，有效延長了電機的使用壽命，同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護開支，節約大量維護費用。

5. 節能效果良好。在滿足生產需求的情況下，供氣壓力越低，耗電量越少就越節能，對于離心式空壓機，傳統的節能調節方式基本上都是通過壓力上限和電流上限來進行調節。改造后將回流閥盡量關小，減小回流量，這樣就可以在保證產量的同時，降低電機轉速，來達到節能的目的。從目前運行情況看，變頻相比較工頻輸入電流降低5A左右，功率因數達到0.9，降低了工頻時的無功損耗，綜合節電率達到12%。

三、結論

節能技術的研究和發展是今后社會發展和建設節約型社會的主題。通過對往復式壓縮機的電機變頻調速改造，提高自動化程度和生產效率，節省了大量的電能，改善了生產工藝，提高了產品的質量，延長了設備使用壽命，取得的經濟效益顯著。