論空壓機用VSD變頻電機的優點

戴國輝

【摘 要】空氣壓縮機是電廠和工業自動化許多領域都應用的機械設備，傳統的空氣壓縮機具有噪音大，故障多，啟動電流和啟動扭矩大，磨損大，耗電量也大等缺點，而空壓機使用VSD變頻電機后，啟動電流小，啟動扭矩小，功率因數高，隨負荷變化轉換快，省電節能等優點，從變頻器原理分析，逐步闡述VSD電機應用在空壓機上的好處，是電子技術發展的一項技術革新，解決了傳統空氣壓縮機的技術問題。為機組安全穩定運行提供可靠的技術保障。

【關鍵詞】空壓機；使用；VSD變頻電機；優點

隨著電子技術的高速發展，特別是晶閘管的出現，產生了IGBT絕緣柵雙極型晶體管，這種具有GTR電力晶體管和MOSFET場效應晶體管雙重特性的晶閘管應用在逆變器中形成了變頻器的主電路，而把變頻器用在空氣壓縮機上就使設備變得穩定和省電，保證了機組設備的安全性和經濟性。

（一）空氣壓縮機的應用和發展

空氣壓縮機作為一種普通的機械設備，已經在各方面的領域得到了廣泛的應用，小的應用比如我們看到的摩托車維修店，大的設備供電力或者其他熱力設備相關的閥門儀表用氣和其他自動化裝置等，如車輛的制動、柴油機的啟動等等，它種類繁多，參數各不相同，但是空氣壓縮機都是由電動機直接驅動，曲軸產生旋轉運動的同時帶動連桿使活塞產生來回的往復運動，促使氣缸容積變化產生一定壓力的壓縮空氣的一種設備。1、傳統的壓縮機電機啟動電流大，一般為額定電流的7倍，瞬時產生的熱量對設備和線路造成嚴重的影響，啟動扭矩也大，造成機械磨損也大，另外傳統電機負荷變化時反應慢，噪音大，功率因數小，耗電量大等缺點。2、但是隨著電子技術的發展，特別是晶閘管的出現，促進了IGBT管的產生，這種集電力晶體管和MOSFET場效應晶體管于一體的晶閘管應用于變頻器的逆變器中，可以使之前的電機工頻電壓和頻率隨負載的變化而變化，即V/F保持恒定，或者更確切地說ff1n時，就只調頻率不調電壓的近似恒功率調速方式，如下圖所示。

從上圖可知，一種速度可變化的驅動器（Variable Speed Drive）即VSD產生了，這就是我們現在生活中的變頻器，它用在空氣壓縮機中驅動電機時啟動電流小，啟動扭矩也小，功率因數高，負荷變化時轉換快，更重要的是可以省電節能，因此變頻器在生產自動化方面廣泛應用在空氣壓縮機設備上。

（二）VSD變頻器主電路分析

異步電動機在運行中，其轉速n=60f1（1-s）/p=n1（1-s），即改變電源的頻率f1即可改變同步轉速n1，從而改變電動機的轉速n，另外電動機定子每相電動勢E1=4.44f1N1·磁通，所以電動機定子電壓一定時，f1與磁通成反比，磁通增加引起磁路飽和會導致功率因數與效率下降，磁通減少輸出轉矩和負載能力下降，因此調速時盡量保持電動機的磁通恒定即使用恒轉矩的特性調速。

VSD變頻器的原理圖

三相交流電經過不可控二極管整流器整流為直流電，然后經電容器濾波后進入三電平逆變器，這樣在逆變器的輸出端會出現一系列的等幅而不等寬的近似正弦交流電壓波形的矩形脈沖波，實現交一直一交變頻器的要求。1、在整流器部分如果采用可控的晶閘管整流，由于可控開關較多以及線路復雜、設備龐大，調控時供電質量受影響，從而產生低次諧波電流導致脈動轉矩增大，使電機的穩定性受影響。2、其次，逆變器采用高壓三電平IGBT晶閘管，即中間直流電路的正、負極電位和中點電位送到電機上。相比二電頻變頻器其輸出波形諧波較小，從而損耗降低。3、逆變器中的IGBT晶閘管并聯的寄生二極管，其實是反并聯的續流二極管，在有大電感（如電動機）的地方反并聯二極管起續流保護作用，從而可靠地保證IGBT晶閘管的及時關斷。

（三）VSD變頻器與空氣壓縮機的連接

變頻系統與空氣壓縮機的控制流程如下：

在MKIII電腦上設定參數，通過COM2組件模塊上進行編程后進入變頻器，從變頻逆變后的交流電可以恒轉矩調速VSD主電機，帶動空氣壓縮機螺桿在活塞作往復運動，產生一定壓力的空氣。同時在壓縮機螺桿出口通過壓力傳感器把信號送回MKIII電腦，識別后壓力高卸載，壓力低加載的自動運行狀態。

（四）濾波和接地

1、由于波形=正弦波 + 高頻諧波，所以VSD變頻器采用的抗干擾措施是在電路中加入低頻濾波器和高頻濾波器，如下圖所示：

低頻濾波器可以濾除電網中低頻諧波失真的干擾，而高頻濾波器可以濾除電網中由接地線進入的高頻諧波的干擾。

2、另外，由于變頻器本身是一個電磁干擾源，因此必須注意變頻器的正確接地，不然會干擾或中斷其他電子器件，影響設備的正常運行，VSD變頻器按照說明書上的正確接地顯得尤為重要。

（五）VSD變頻空氣壓縮機的優點

傳統的空氣壓縮機靠皮帶傳動，外面沒有隔音層，噪音相當大，自動加卸載閥手動操作，自動化程度不高，容易失靈，造成安全閥頻繁動作，負載或負荷變化時不能很快適應，空壓機經常跳閘，必須人為地時刻盯著，給運行人員增加許多勞動強度，在機組安全運行方面帶來很大的安全隱患。而VSD變頻器傳動空壓機四周用隔音海棉配置，隔音效果良好，自動加卸載通過傳感器反饋給MKIII電腦調節系統，安全可靠。適應負荷變化能力強，啟動時由于通過變頻器啟動，啟動電流小，轉矩小，所以對設備的影響小，磨損程度降低，功率因數大，無功功率小，另外由于采用變頻調速，系統耗能減少，即耗電量減小，所以帶VSD變頻調速的空氣壓縮機在工業上得到了廣泛的應用。

結束語

VSD變頻調速的空氣壓縮機具有傳統壓縮機所無法比擬的優越性，它啟動電流基本等于額定電流，即啟動電流小，克服了傳統空壓機啟動電流很大的問題，其次其啟動扭矩小，對機械設備磨損減少，還有功率因數高，提高了有功功率的數值，節能省電明顯。但是變頻空壓機也有許多要注意的地方。1、變頻器電子元件注意通風，不能中斷過濾纖維材料，2、驅動電機選用特殊的潤滑脂，3、變頻器如果一年不使用，必須對電容器重新充電，時間為每年一小時，4、供電的三相電壓之間誤差必須小于0.5%。

致謝

在論文寫作過程中，衷心感謝各位老師的精心指導，特別是專業課老師們的用心教導，使論文得以順利完成，在此再次致以誠摯的謝意！

參考文獻：

[1]維修電工技師培訓教材 機械工業出版社 2001年10月（2017、1重印）

[2]電工與電子基礎 機械工業出版社 2001年4月（2015、2重印）

（作者單位：廣州珠江電力有限公司）