摘要：隨著電力電子技術(shù)與變流技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻調(diào)速技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文著重對(duì)合康高壓變頻器在廣州豐力橡膠輪胎有限公司往復(fù)式壓縮機(jī)上的應(yīng)用。通過改造，實(shí)現(xiàn)了往復(fù)式壓縮機(jī)的高效運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：高壓變頻調(diào)速；往復(fù)式壓縮機(jī)，節(jié)能降耗

一、引言

廣州豐力橡膠輪胎有限公司（以下簡(jiǎn)稱“廣州豐力”）是廣州萬力集團(tuán)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(guó)有企業(yè)，位于從化市明珠工業(yè)園。2005年7月29日奠基，2006年9月15日生產(chǎn)出第一條高性能輪胎。廣州豐力制氣車間中的往復(fù)式壓縮機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)的電流會(huì)比額定高5-6倍的，不但會(huì)影響電機(jī)的使用壽命而且消耗較多的電量。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)在電機(jī)選型上會(huì)留有一定的余量，電機(jī)的速度是固定不變，但在實(shí)際使用過程中，有時(shí)要以較低或者較高的速度運(yùn)行，耗能嚴(yán)重，直接影響到企業(yè)生產(chǎn)效益。

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，廣州豐力與北京合康億盛變頻科技股份有限公司達(dá)成合作，使用合康HIVERT-Y10/031高壓變頻器應(yīng)用在制氣車間的往復(fù)式壓縮機(jī)上。合康高壓變頻器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)、通過改變?cè)O(shè)備輸入電壓頻率達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的，而且能給設(shè)備提供過流、過壓、過載等保護(hù)功能，滿足原料氣加壓的生產(chǎn)壓力要求。因此，對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行變頻技術(shù)改造還是比較有意義。

二、往復(fù)式壓縮機(jī)工藝簡(jiǎn)介

1、往復(fù)式壓縮機(jī)工作原理

往復(fù)式壓縮機(jī)又稱活塞式壓縮機(jī)。屬于容積式壓縮機(jī)，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(jī)。往復(fù)式壓縮機(jī)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(gè)過程。壓縮機(jī)的工作腔是汽缸。曲軸帶動(dòng)連桿，連桿帶動(dòng)活塞，活塞做上下運(yùn)動(dòng)。通過活塞在汽缸內(nèi)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成了壓縮、排汽、膨脹、吸汽等過程。

圖1往復(fù)式壓縮機(jī)原理模擬圖

1)壓縮過程：到最低位置(稱活塞的下止點(diǎn))時(shí)，汽缸吸滿蒸氣。而活塞轉(zhuǎn)而向上，這時(shí)吸、排汽門都關(guān)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(dāng)壓力達(dá)到一定值(大于排汽管內(nèi)壓力)時(shí)，排汽閥開啟，活塞繼續(xù)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(diǎn))時(shí)，排汽結(jié)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(diǎn)時(shí)，活塞與汽缸頂部之間留有一定間隙，稱余隙。當(dāng)活塞轉(zhuǎn)而向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，排汽結(jié)束時(shí)留在余隙內(nèi)的高壓蒸氣阻止吸汽閥開啟，吸汽不能開始。這時(shí)余隙內(nèi)的蒸氣隨著活塞下移而進(jìn)行膨脹，一直膨脹到吸汽壓力以下時(shí)才結(jié)束。

4)吸汽過程：吸汽閥開啟，隨著活塞往下運(yùn)動(dòng)而吸汽，一直進(jìn)行到活塞下移到活塞下止點(diǎn)為止。

2、優(yōu)缺點(diǎn)

往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)用范圍比較廣泛，制造技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)加工材料和加工工藝要求較低，造價(jià)比較低，適應(yīng)性強(qiáng)，能適應(yīng)廣闊的壓力范圍和制冷量要求，可維修性強(qiáng)。但由于設(shè)計(jì)原理的關(guān)系，往復(fù)式壓縮機(jī)無法實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速，機(jī)器大而重，不容易實(shí)現(xiàn)輕量化，排氣不連續(xù)，氣流容易出現(xiàn)波動(dòng)，而且工作時(shí)有較大的振動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)往復(fù)式壓縮機(jī)與三相異步電動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如下：

三、變頻器技術(shù)方案

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)三相異步電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)，選擇合康HIVERT—Y10/031（容量500kVA，額定功率400kW）高壓變頻器作為往復(fù)式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。高壓變頻器采用8單元串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)的軟啟動(dòng)及平滑調(diào)速。這種結(jié)構(gòu)是利用低壓功率器件實(shí)現(xiàn)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(shí)通過前端的移相變壓器，實(shí)現(xiàn)了多脈沖整流，具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染小的優(yōu)點(diǎn)。在變頻器的內(nèi)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(guó)產(chǎn)異步電機(jī)，對(duì)電機(jī)的絕緣沒有特殊要求，并且具有脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的優(yōu)點(diǎn)。

1、高壓變頻器的主要技術(shù)性能指標(biāo)

現(xiàn)場(chǎng)高壓變頻調(diào)速裝置規(guī)范表如下：

2、一次回路方案

現(xiàn)場(chǎng)原啟動(dòng)方式為高壓晶閘管軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電機(jī)，因此考慮到當(dāng)高壓變頻器出現(xiàn)故障或需要檢修時(shí)，手動(dòng)切換到原工頻軟啟動(dòng)回路運(yùn)行，保證系統(tǒng)正常安全運(yùn)行，其手動(dòng)旁路柜原理見下：

圖2手動(dòng)旁路一次回路圖

旁路柜中有四個(gè)隔離開關(guān)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(guān)。雙刀雙投隔離開關(guān)的特點(diǎn)是兩個(gè)方向只能合其一，實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到變頻器輸出側(cè)而導(dǎo)致變頻器損壞。

1)變頻運(yùn)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(yuǎn)程啟動(dòng)電機(jī)變頻運(yùn)行；

2)工頻定速運(yùn)行：QS11、QS21斷開，QS12、QS22閉合，由合閘斷路器QF經(jīng)高壓晶閘管軟啟動(dòng)器啟動(dòng)后電機(jī)定速運(yùn)行；

3)變頻器維護(hù)、修理：QS11、QS21斷開，變頻器與高壓電源完全隔離。

4)啟動(dòng)柜維護(hù)：QS12、QS22斷開，啟動(dòng)柜與高壓電源完全隔離。

3、設(shè)備改造后的實(shí)際效果

1.啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流遠(yuǎn)小于額定電流，減小對(duì)電網(wǎng)沖擊，延長(zhǎng)了啟動(dòng)時(shí)間，

2.改造前壓力控制困難，對(duì)工藝控制不利。改造后，變頻器能夠精確的控制轉(zhuǎn)速，能夠及時(shí)響應(yīng)工藝的要求，提高了生產(chǎn)工藝的精確度，因此可以根據(jù)工藝要求嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝需要的壓力和流量，

3.降低了發(fā)生喘振的風(fēng)險(xiǎn)。改造前通過回流閥調(diào)節(jié)流量，當(dāng)流量下降時(shí)，壓力變化不大造成工作點(diǎn)向左平移，就有碰觸防喘振曲線的風(fēng)險(xiǎn)，而改造后通過降低轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)流量，流量下降的同時(shí)，壓力成平方關(guān)系下降，因此工作點(diǎn)向左下方移動(dòng)，遠(yuǎn)離防喘振線，降低了發(fā)生喘振的幾率。

4.設(shè)備嘯叫減輕，降低了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)機(jī)械的損傷，降低了噪音，有效延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命，同時(shí)極大的減輕了對(duì)管道的沖擊，有效延長(zhǎng)了管道的檢修周期，減少了檢修維護(hù)開支，節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。

5.節(jié)能效果良好。在滿足生產(chǎn)需求的情況下，供氣壓力越低，耗電量越少就越節(jié)能，對(duì)于離心式空壓機(jī)，傳統(tǒng)的節(jié)能調(diào)節(jié)方式基本上都是通過壓力上限和電流上限來進(jìn)行調(diào)節(jié)。改造后將回流閥盡量關(guān)小，減小回流量，這樣就可以在保證產(chǎn)量的同時(shí)，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，來達(dá)到節(jié)能的目的。從目前運(yùn)行情況看，變頻相比較工頻輸入電流降低5A左右，功率因數(shù)達(dá)到0.9，降低了工頻時(shí)的無功損耗，綜合節(jié)電率達(dá)到12%。

三、結(jié)論

節(jié)能技術(shù)的研究和發(fā)展是今后社會(huì)發(fā)展和建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的主題。通過對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的電機(jī)變頻調(diào)速改造，提高自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，節(jié)省了大量的電能，改善了生產(chǎn)工藝，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，取得的經(jīng)濟(jì)效益顯著。