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前言

大功率壓縮機(jī)屬于耗能大設(shè)備，采用變頻器進(jìn)行壓力控制，可以極大提高運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。由于其自身存在峰形特性，運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將造成設(shè)備損壞。本文分析了喘振現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，提出了利用運(yùn)行線的概念，消除喘振現(xiàn)象的措施。在壓縮機(jī)變頻控制系統(tǒng)中，采用以單片機(jī)為核心的補(bǔ)償控制器，組成調(diào)速 - 旁路回流的控制系統(tǒng)，輸出最佳轉(zhuǎn)速，達(dá)到了穩(wěn)定出口壓力的目的。

1 控制原理

傳統(tǒng)的壓縮機(jī)類設(shè)備為達(dá)到控制流量或壓力工藝目的，可以采用閥門節(jié)流、旁通回流、排空等負(fù)荷控制手段，這些調(diào)節(jié)方式雖然簡單易行，但卻是以增加管網(wǎng)損耗，浪費(fèi)能源為代價(jià)的。變頻調(diào)速控制通過改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)工藝要求的流量或壓力控制目的，沒有閥門節(jié)流損失，可以有效地節(jié)省能源。

圖 1 H-Q 特性和 P-Q 特性

圖 l 表示了閥門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速不同控制方式下的 H-Q 及 P-Q 特性。圖中（ l ）額定轉(zhuǎn)速下的 H-Q 曲線；（ 2 ）低速度 n 1 下的 H-Q 曲線；（ 3 ）閥門開度最大時(shí)的 H-Q 曲線；（ 4 ）小閥門開度 θ 1 時(shí)的 H-Q 曲線；（ 5 ）變頻控制方式下泵的 P-Q 曲線；（ 6 ）閥門調(diào)節(jié)方式下的 P-Q 曲線。可以看出，當(dāng)實(shí)際工況流量由 Q 1 下降到 Q 2 時(shí)，如果于額定轉(zhuǎn)速 n 0 條件下調(diào)節(jié)閥門開度，工作點(diǎn)將沿曲線（ l ）由 a 移動(dòng)到 b ；如果于閥門開度最大的條件下再由變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，則工作點(diǎn)將沿曲線（ 3 ）由 a 點(diǎn)移動(dòng)到 c 點(diǎn)。顯然， b 點(diǎn)與 c 點(diǎn)的流量相同，但 c 點(diǎn)的壓頭要比 b 點(diǎn)的壓頭小得多，在相同的流量下，變頻控制方式比閥門調(diào)節(jié)方式能耗更小，說明壓縮機(jī)在變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)有明顯節(jié)能效果。

2 喘振現(xiàn)象

圖 2 峰形運(yùn)行特性

具有峰形特性的壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，當(dāng)負(fù)載減小，負(fù)載流量下降到某—定值時(shí)，出現(xiàn)工作不穩(wěn)定現(xiàn)象。表現(xiàn)為流量忽多忽少，設(shè)備上壓力表、流量表等大幅度擺動(dòng)，伴隨著強(qiáng)烈振動(dòng)，設(shè)備發(fā)出類似喘氣的噪聲，嚴(yán)重時(shí)將引起設(shè)備產(chǎn)生周期性的響聲，造成對設(shè)備的損壞。

研究表明，喘振現(xiàn)象根源來自壓縮機(jī)自身所具有的峰形運(yùn)行特性。圖 2(a) 中， (l) 是壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速 n 0 時(shí)的特性； (2) 是管路特性。曲線 (l) 代表出口壓力和入口壓力之比 P 2 /P l 與風(fēng)機(jī)流量 Q 之間的關(guān)系，是一個(gè)峰形曲線，峰點(diǎn) P 處的流量為 Q p ，正常工作點(diǎn)在 a 點(diǎn)。在 P 點(diǎn)右側(cè)，由于任何干擾造成的工作點(diǎn)移動(dòng)對于曲線 (l) 而言，壓力趨向減小，而對于管路特性曲線 (2) 而言，壓力趨向增加，相互對立的作用最終使工作點(diǎn)又重新回到起始位置，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。在峰點(diǎn) P 的左側(cè)，工作點(diǎn)波動(dòng)將使沿曲線 (l) 上的壓力變化與沿曲線 (2) 上的壓力變化趨于一致，導(dǎo)致工作點(diǎn)的偏移，壓縮機(jī)出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)行。因而，定義 P 右側(cè)為穩(wěn)定工作區(qū)，左側(cè)為不穩(wěn)定工作區(qū)。可知，當(dāng)負(fù)荷下降時(shí)，處于 P 點(diǎn)右側(cè)的工作點(diǎn)向 P 點(diǎn)靠近，工作點(diǎn)越靠近 P ，則越容易出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定。

從圖 2(b) 給出的壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線可以看出，在不同的轉(zhuǎn)速 n 下，有不同的峰點(diǎn)和其峰流量。 n 越低，峰點(diǎn)越向左移，峰流量越小。將不同 n i 下的峰點(diǎn)連接成一條曲線 L ，稱之為喘振臨界線，則 L 右側(cè)為穩(wěn)定工作區(qū)， L 左側(cè)則為喘振區(qū)。如果在任意轉(zhuǎn)速 n ，都能控制流量為 Q > Q p ，壓縮機(jī)就避免了產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。以上是防喘振控制的基本思路。

3 控制方案

圖 3 理想運(yùn)行控制線

壓縮機(jī)設(shè)備變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行速度越低，壓力和流量越小，其節(jié)能效果越明顯。但是流量越小越易進(jìn)入喘振區(qū)，引發(fā)喘振事故。因此，應(yīng)在節(jié)能和防喘振兩個(gè)方面找到最佳兼顧點(diǎn)，有效解決變頻節(jié)能與防喘振的控制問題。根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)出理想運(yùn)行線，由圖 3 所示，其中運(yùn)行線 A 為一垂直線，其流量固定，在低速運(yùn)行時(shí)，空氣流量大于極限流量，造成大量氣體由旁路回流，效率不高，可以在簡單的控制器中采用。運(yùn)行線 B 為一條與喘振臨界線平行的曲線，按不同的工作要求，可設(shè)定運(yùn)行流量為極限流量的 1.15~1.20 倍左右，實(shí)際證明有效果較好的控制裕量。

為達(dá)到以上控制效果，采用了調(diào)速 - 旁路回流的控制模式。設(shè)計(jì)了由 8096 單片機(jī)為核心的補(bǔ)償控制器，圖 4 給出了壓縮機(jī)控制系統(tǒng)原理圖。根據(jù)工藝要求，在負(fù)載流量受干擾時(shí)應(yīng)保持出口壓力穩(wěn)定，系統(tǒng)通過硬件設(shè)備對入口壓力 P i 、入口流量 Q i 以及出口壓力 P o 的采樣，由匯編程序進(jìn)行運(yùn)行線方程的補(bǔ)償運(yùn)算，補(bǔ)償運(yùn)算中運(yùn)行線 B 的表達(dá)式為：

Po／Pi＝k0十k1Qi十k2Qi2

圖 4 控制系統(tǒng)原理圖

其中， k 0 、 k 1 、 k 2 是常數(shù) ，由實(shí)驗(yàn)給出。其結(jié)果輸入變頻器得出最佳轉(zhuǎn)速 n ，這樣由壓力傳感器、補(bǔ)償控制器、變頻器、壓縮機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過不斷地自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，來達(dá)到穩(wěn)定出口壓力的目的。在壓力閉環(huán)控制的同時(shí)，自動(dòng)檢測壓縮機(jī)流量，按照運(yùn)行線規(guī)定的流量值自動(dòng)調(diào)整旁路回流閥，保證在任何速度下壓縮機(jī)的流量均大于等于極限流量，避免產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

4 變頻器對壓縮機(jī)的影響

壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)通常設(shè)計(jì)由普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用變頻器供電時(shí)，由于共模電壓中含有與開關(guān)頻率相對應(yīng)的高頻分量，高頻的電壓分量會(huì)通過輸出電纜和電動(dòng)機(jī)的分布電容產(chǎn)生對地高頻漏電流，影響逆變器功率電路的安全。電動(dòng)機(jī)通過地產(chǎn)生的高頻漏電流，一部分通過定于繞組經(jīng)定子繞組和機(jī)殼間的分布電容，再經(jīng)機(jī)殼流入地，另一部分通過繞組和轉(zhuǎn)于間的分布電容，經(jīng)過軸承再到機(jī)殼，然后到地。后者的作用相當(dāng)于軸電流，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)軸承的“電蝕”，影響軸承的壽命。變頻器輸出由于采用 PWM調(diào)制．電壓變化率dv／dt很高，電壓峰值也大大高于額定電壓，若不采取措施進(jìn)行抑制，將會(huì)大大降低電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命，甚至?xí)p壞電動(dòng)機(jī)。而且輸出波形中含有高次的諧波，可能引起電動(dòng)機(jī)的過熱，使電動(dòng)機(jī)不能滿出力運(yùn)行。因此，當(dāng)采用兩電平的通用變頻器時(shí)，應(yīng)安裝諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。如果采用多重式、多級串聯(lián)高壓變頻裝置，輸出諧波小，可以認(rèn)為是正弦波輸出，可直接輸出向普通電動(dòng)機(jī)供電。

5 結(jié)論

應(yīng)用證明，利用單片機(jī)為核心構(gòu)成的補(bǔ)償控制器，采用調(diào)速 - 旁路回流的控制模式，既達(dá)到了節(jié)能效果，又解決了喘振現(xiàn)象。這種方法對具有峰形特性的風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備的控制同樣是適用的。系統(tǒng)的有效運(yùn)行，取決于運(yùn)行線參數(shù)的選取和單片機(jī)的運(yùn)算速度。隨著變頻調(diào)速器的推廣和應(yīng)用，將有越來越多的變頻改造項(xiàng)目選用這種補(bǔ)償控制器。