关键词：高压变频调速；往复式压缩机，节能降耗

一、引言

广州丰力橡胶轮胎有限公司（以下简称“广州丰力”）是广州万力集团有限公司和广州市华南橡胶轮胎有限公司共同合资组建的全资大型国有企业，位于从化市明珠工业园。2005年7月29日奠基，2006年9月15日生产出第一条高性能轮胎。广州丰力制气车间中的往复式压缩机在启动时，电机的电流会比额定高5-6倍的，不但会影响电机的使用寿命而且消耗较多的电量。系统在设计时在电机选型上会留有一定的余量，电机的速度是固定不变，但在实际使用过程中，有时要以较低或者较高的速度运行，耗能严重，直接影响到企业生产效益。

为响应国家节能减排的号召，广州丰力与北京合康亿盛变频科技股份有限公司达成合作，使用合康HIVERT-Y10/031高压变频器应用在制气车间的往复式压缩机上。合康高压变频器可实现电机软启动、通过改变设备输入电压频率达到节能调速的目的，而且能给设备提供过流、过压、过载等保护功能，满足原料气加压的生产压力要求。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。

二、往复式压缩机工艺简介

1、往复式压缩机工作原理

往复式压缩机又称活塞式压缩机。属于容积式压缩机，是使一定容积的气体顺序地吸入和排出封闭空间提高静压力的压缩机。往复式压缩机都有气缸、活塞和气阀。压缩气体的工作过程可分成膨胀、吸入、压缩和排气四个过程。压缩机的工作腔是汽缸。曲轴带动连杆，连杆带动活塞，活塞做上下运动。通过活塞在汽缸内作上下往复运动，从而完成了压缩、排汽、膨胀、吸汽等过程。

图1 往复式压缩机原理模拟图

1)压缩过程：到最低位置(称活塞的下止点)时，汽缸吸满蒸气。而活塞转而向上，这时吸、排汽门都关闭，汽缸容积缩小，蒸气被压缩，一直压缩到排汽压力为止。

2)排汽过程：当压力达到一定值(大于排汽管内压力)时，排汽阀开启，活塞继续上移，蒸气排出，一直到活塞上移到最高位置(这位置称活塞的上止点)时，排汽结束。

3)余隙膨胀过程：为了防止活塞与吸排汽阀碰撞，活塞上移到上止点时，活塞与汽缸顶部之间留有一定间隙，称余隙。当活塞转而向下运动时，排汽结束时留在余隙内的高压蒸气阻止吸汽阀开启，吸汽不能开始。这时余隙内的蒸气随着活塞下移而进行膨胀，一直膨胀到吸汽压力以下时才结束。

4)吸汽过程：吸汽阀开启，随着活塞往下运动而吸汽，一直进行到活塞下移到活塞下止点为止。

2、优缺点

往复式压缩机应用范围比较广泛，制造技术成熟，结构简单，而且对加工材料和加工工艺要求较低，造价比较低，适应性强，能适应广阔的压力范围和制冷量要求，可维修性强。但由于设计原理的关系，往复式压缩机无法实现较高转速，机器大而重，不容易实现轻量化，排气不连续，气流容易出现波动，而且工作时有较大的振动。

现场往复式压缩机与三相异步电动机具体参数如下：

三、变频器技术方案

依据现场三相异步电动机的额定参数，选择合康HIVERT—Y10/031（容量500kVA，额定功率400kW）高压变频器作为往复式压缩机的驱动装置。高压变频器采用8单元串联拓扑结构，冗余设计实现往复式压缩机的软启动及平滑调速。这种结构是利用低压功率器件实现高压，巧妙的避开了电力电子功率器件耐压不足的问题。同时通过前端的移相变压器，实现了多脉冲整流，具有对电网谐波污染小的优点。在变频器的内部控制上，利用功率单元输出波形的移相叠加，形成多电平输出电压波形，可以直接适配普通国产异步电机，对电机的绝缘没有特殊要求，并且具有脉动转矩小的优点。

1、高压变频器的主要技术性能指标

现场高压变频调速装置规范表如下：

2、一次回路方案

现场原启动方式为高压晶闸管软启动器启动电机，因此考虑到当高压变频器出现故障或需要检修时，手动切换到原工频软启动回路运行，保证系统正常安全运行，其手动旁路柜原理见下：

图2  手动旁路一次回路图

旁路柜中有四个隔离开关QS11、QS12、QS21和QS22，其中QS11和QS12,QS21和QS22为两组双刀双投的隔离开关。双刀双投隔离开关的特点是两个方向只能合其一，实现机械互锁，防止误操作将工频电源反送到变频器输出侧而导致变频器损坏。

1)变频运行：QS11、QS21闭合，QS12、QS22断开，由合闸断路器QF为变频器供电，再通过变频器本地或远程启动电机变频运行；

2)工频定速运行：QS11、QS21断开，QS12、QS22闭合，由合闸断路器QF经高压晶闸管软启动器启动后电机定速运行；

3)变频器维护、修理：QS11、QS21断开，变频器与高压电源完全隔离。

4)启动柜维护：QS12、QS22断开，启动柜与高压电源完全隔离。

3、设备改造后的实际效果

1. 启动平稳，启动电流远小于额定电流，减小对电网冲击，延长了启动时间，

2. 改造前压力控制困难，对工艺控制不利。改造后，变频器能够精确的控制转速，能够及时响应工艺的要求，提高了生产工艺的精确度，因此可以根据工艺要求严格控制生产工艺需要的压力和流量，

3. 降低了发生喘振的风险。改造前通过回流阀调节流量，当流量下降时，压力变化不大造成工作点向左平移，就有碰触防喘振曲线的风险，而改造后通过降低转速的方式调节流量，流量下降的同时，压力成平方关系下降，因此工作点向左下方移动，远离防喘振线，降低了发生喘振的几率。

4. 设备啸叫减轻，降低了起动机械转矩对电机机械的损伤，降低了噪音，有效延长了电机的使用寿命，同时极大的减轻了对管道的冲击，有效延长了管道的检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。

5. 节能效果良好。在满足生产需求的情况下，供气压力越低，耗电量越少就越节能，对于离心式空压机，传统的节能调节方式基本上都是通过压力上限和电流上限来进行调节。改造后将回流阀尽量关小，减小回流量，这样就可以在保证产量的同时，降低电机转速，来达到节能的目的。从目前运行情况看，变频相比较工频输入电流降低5A左右，功率因数达到0.9，降低了工频时的无功损耗，综合节电率达到12%。

三、结论

节能技术的研究和发展是今后社会发展和建设节约型社会的主题。通过对往复式压缩机的电机变频调速改造，提高自动化程度和生产效率，节省了大量的电能，改善了生产工艺，提高了产品的质量，延长了设备使用寿命，取得的经济效益显著。