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变频控制的大功率压缩机防喘振研究

[打印] [关闭] 发布时间:[2010-01-11 00:00]

前言

大功率压缩机属于耗能大设备,采用变频器进行压力控制,可以极大提高运行效率,实现节能的目的。由于其自身存在峰形特性,运行过程中会出现喘振现象,严重时将造成设备损坏。本文分析了喘振现象产生的原因,提出了利用运行线的概念,消除喘振现象的措施。在压缩机变频控制系统中,采用以单片机为核心的补偿控制器,组成调速 - 旁路回流的控制系统,输出最佳转速,达到了稳定出口压力的目的。

1 控制原理

传统的压缩机类设备为达到控制流量或压力工艺目的,可以采用阀门节流、旁通回流、排空等负荷控制手段,这些调节方式虽然简单易行,但却是以增加管网损耗,浪费能源为代价的。变频调速控制通过改变压缩机转速来实现工艺要求的流量或压力控制目的,没有阀门节流损失,可以有效地节省能源。

 

 

图 1 H-Q 特性和 P-Q 特性

 

图 l 表示了阀门调节和变频调速不同控制方式下的 H-Q 及 P-Q 特性。图中( l )额定转速下的 H-Q 曲线;( 2 )低速度 n 1 下的 H-Q 曲线;( 3 )阀门开度最大时的 H-Q 曲线;( 4 )小阀门开度 θ 1 时的 H-Q 曲线;( 5 )变频控制方式下泵的 P-Q 曲线;( 6 )阀门调节方式下的 P-Q 曲线。可以看出,当实际工况流量由 Q 1 下降到 Q 2 时,如果于额定转速 n 0 条件下调节阀门开度,工作点将沿曲线( l )由 a 移动到 b ;如果于阀门开度最大的条件下再由变频器调节转速,则工作点将沿曲线( 3 )由 a 点移动到 c 点。显然, b 点与 c 点的流量相同,但 c 点的压头要比 b 点的压头小得多,在相同的流量下,变频控制方式比阀门调节方式能耗更小,说明压缩机在变频调速运行时有明显节能效果。

2 喘振现象

 

 

图 2 峰形运行特性

 

具有峰形特性的压缩机在运行过程中,当负载减小,负载流量下降到某—定值时,出现工作不稳定现象。表现为流量忽多忽少,设备上压力表、流量表等大幅度摆动,伴随着强烈振动,设备发出类似喘气的噪声,严重时将引起设备产生周期性的响声,造成对设备的损坏。

研究表明,喘振现象根源来自压缩机自身所具有的峰形运行特性。图 2(a) 中, (l) 是压缩机在转速 n 0 时的特性; (2) 是管路特性。曲线 (l) 代表出口压力和入口压力之比 P 2 /P l 与风机流量 Q 之间的关系,是一个峰形曲线,峰点 P 处的流量为 Q p ,正常工作点在 a 点。在 P 点右侧,由于任何干扰造成的工作点移动对于曲线 (l) 而言,压力趋向减小,而对于管路特性曲线 (2) 而言,压力趋向增加,相互对立的作用最终使工作点又重新回到起始位置,设备稳定运行。在峰点 P 的左侧,工作点波动将使沿曲线 (l) 上的压力变化与沿曲线 (2) 上的压力变化趋于一致,导致工作点的偏移,压缩机出现不稳定运行。因而,定义 P 右侧为稳定工作区,左侧为不稳定工作区。可知,当负荷下降时,处于 P 点右侧的工作点向 P 点靠近,工作点越靠近 P ,则越容易出现运行不稳定。

从图 2(b) 给出的压缩机在不同转速下的特性曲线可以看出,在不同的转速 n 下,有不同的峰点和其峰流量。 n 越低,峰点越向左移,峰流量越小。将不同 n i 下的峰点连接成一条曲线 L ,称之为喘振临界线,则 L 右侧为稳定工作区, L 左侧则为喘振区。如果在任意转速 n ,都能控制流量为 Q > Q p ,压缩机就避免了产生喘振现象。以上是防喘振控制的基本思路。

3 控制方案

 

 

图 3 理想运行控制线

 

压缩机设备变频调速运行时,运行速度越低,压力和流量越小,其节能效果越明显。但是流量越小越易进入喘振区,引发喘振事故。因此,应在节能和防喘振两个方面找到最佳兼顾点,有效解决变频节能与防喘振的控制问题。根据上述分析,设计出理想运行线,由图 3 所示,其中运行线 A 为一垂直线,其流量固定,在低速运行时,空气流量大于极限流量,造成大量气体由旁路回流,效率不高,可以在简单的控制器中采用。运行线 B 为一条与喘振临界线平行的曲线,按不同的工作要求,可设定运行流量为极限流量的 1.15~1.20 倍左右,实际证明有效果较好的控制裕量。

为达到以上控制效果,采用了调速 - 旁路回流的控制模式。设计了由 8096 单片机为核心的补偿控制器,图 4 给出了压缩机控制系统原理图。根据工艺要求,在负载流量受干扰时应保持出口压力稳定,系统通过硬件设备对入口压力 P i 、入口流量 Q i 以及出口压力 P o 的采样,由汇编程序进行运行线方程的补偿运算,补偿运算中运行线 B 的表达式为:

Po/Pi=k0十k1Qi十k2Qi2

 

 

 

图 4 控制系统原理图

 

其中, k 0 、 k 1 、 k 2 是常数 ,由实验给出。其结果输入变频器得出最佳转速 n ,这样由压力传感器、补偿控制器、变频器、压缩机构成闭环控制系统,通过不断地自动调整转速,来达到稳定出口压力的目的。在压力闭环控制的同时,自动检测压缩机流量,按照运行线规定的流量值自动调整旁路回流阀,保证在任何速度下压缩机的流量均大于等于极限流量,避免产生喘振现象。

4 变频器对压缩机的影响

压缩机的电动机通常设计由普通电动机驱动,采用变频器供电时,由于共模电压中含有与开关频率相对应的高频分量,高频的电压分量会通过输出电缆和电动机的分布电容产生对地高频漏电流,影响逆变器功率电路的安全。电动机通过地产生的高频漏电流,一部分通过定于绕组经定子绕组和机壳间的分布电容,再经机壳流入地,另一部分通过绕组和转于间的分布电容,经过轴承再到机壳,然后到地。后者的作用相当于轴电流,会引起电动机轴承的“电蚀”,影响轴承的寿命。变频器输出由于采用 PWM调制.电压变化率dv/dt很高,电压峰值也大大高于额定电压,若不采取措施进行抑制,将会大大降低电动机的绝缘寿命,甚至会损坏电动机。而且输出波形中含有高次的谐波,可能引起电动机的过热,使电动机不能满出力运行。因此,当采用两电平的通用变频器时,应安装谐波滤波器和功率因数补偿装置。如果采用多重式、多级串联高压变频装置,输出谐波小,可以认为是正弦波输出,可直接输出向普通电动机供电。

5 结论

应用证明,利用单片机为核心构成的补偿控制器,采用调速 - 旁路回流的控制模式,既达到了节能效果,又解决了喘振现象。这种方法对具有峰形特性的风机、泵类设备的控制同样是适用的。系统的有效运行,取决于运行线参数的选取和单片机的运算速度。随着变频调速器的推广和应用,将有越来越多的变频改造项目选用这种补偿控制器。

 



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