… …一…科技导报… 制冷设备螺杆压缩机变频技术控制的研究 张骏 （常州爱斯特空调设备有限公司，江苏常州２１３０００） 中图分类号：ＴＢ６５文献标识码：Ａ文章编号：１００３—２７３８（２０１３）０３—０４７７－０２ 摘要：研讨了变频技术在螺杆压缩机上的应用，介绍采用变频控制的螺杆制冷压缩机控制系统的原理及设计。 关键词：螺杆制冷压缩机；变频技术；节能；精确控制 一、引言 随着我国经济的高速发展，对能源与舒适度的需求不断增加，节能 降耗与精确控制引起了全社会的重视。据不完全统计，我国电能中的一 半以上是被各行各业中广泛使用的压缩机、风机、水泵所消耗。 制冷设备在很多工矿企事业单位中是不可缺少的设备，而其中压缩 机电机容量占比最大。很多都是常年运行，负载随着工况不停地变化， 制冷设备的节能潜力很大。 常用的螺杆制冷压缩机均采用卸载阀控制加卸载能量调节，这种方 式的优点是控制方式简单，成本较低，但是波动范围大，对设备冲击大， 而且在卸载方式下，电机仍是全速运转，造成电能的浪费。变频调速技 术能根据负载调节电机的转速，使其在高效的状态下运行，减少电机的 运行功率，在满足生产要求的情况下达到节能降耗的效果。并且，采用 变频技术后压缩机能连续地进行调节，能保持供气压力、气量等参数的 稳定，从而大大提高压缩机的工作效率和控制精度，降低对设备的冲击， 延长使用寿命。螺杆压缩机具有易损件少，维护成本低，节能，体积小， 噪声低，振动小，长时间连续运行的特点，已逐步取代传统的活塞式压缩 机。在电动螺杆压缩机上实现变频控制，对节能降耗，提高供气质量，延 长设备使用寿命有很好的作用。正是从这一点出发，我们开发了基于变 频技术的电动螺杆空压机控制系统。 二、变频调速分析 螺杆压缩机一般使用三相异步电动机作为驱动。根据电机原理，异 步电动机的转速为： ｎ＝６０ ｆ（卜Ｓ）／ｐ （Ｉ） 式中ｎ——电机转速 ｆ——电源频率 ｐ——电机极对数 Ｓ——转差率 由（１）式可知，异步电动机的转速与电源频率成正比，所以改变电 源频率就可以改变电机的转速，从而实现电动机调速。在变频调速过程 中，在一定的转矩Ｔ下，ｓ基本不变，随着同步转速ｎ的下降，对应磁场角 速度 也下降，电动机的输入电磁功率ＰＭ＝Ｔ 和输出功率 Ｐ２＝ＰＭ（１一Ｓ）＝Ｔ∞（１一Ｓ）也成比例下降，损耗没有增加， 所以变频调速是一种高效的电机调速方法。当前的变频器不仅能实现 频率的无级调节，而且能根据所需负载特性，适当调节电压ｕ与频率ｆ的 关系。对于恒转矩负载，保持ｕ／ｆ常数：对于恒功率负载，保持Ｕ／、／ 常数：对于风机水泵类应用，应保持Ｕ／ｆ２常数。这样通过调节电机的电 源电压和频率，使电动机在不同的负载条件下始终运行在高效状态。螺 杆压缩机属于变转矩负载类应用，其流量与转速成正比，压力与转速的 平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。因此，当循环量为额定循环 量的７０％时，电机轴功率仅为额定轴功率的３４．３％，因而，变频器在压缩机 上能起到显著的节能效果。 三、系统设计 该系统要求集成，可靠，能检测多路传感器信号，结合设定的参数 值，将信号进行处理，生成相应的控制信号，控制执行机构的操作。采用 德国ＳＩＥＭＥＮＳ公司Ｓ７—２００ ＰＬＣ作为变频螺杆压缩机控制器，主要包括： ＣＰＵ２２４、Ａ／Ｄ模块、ＥＭ２３５模拟量扩展模块、变频器、操作屏、传感器 系统、执行机构等组成。变频螺杆压缩机控制器通过传感器、开关采 集压缩机的送回风温度、电流、吸排气压力、风机运转等信息，以空调 回风温度作为控制依据，输出４～２０ ｍＡ模拟信号调节变频器的输出频 率，并且控制相应的接触器、电磁阀动作，从而控制压缩机平稳可靠运 行。控制器的组成如图１所示： 三 三日餮ＫＭ ＿＿＿●＿－变频器 Ｕ＿－＿ －＿＿●＿＿●一 外部晶体管公共端］ｌ ． １・。一 Ｄｃ２４Ｖ电源接点 夺ＰＣ 输入公共（源型）ｌ ｌ １ ＦＲ短路片．，ＢＥＬ￣ 正转启动 ＳＴＦ 反转启动６ＳＴＲ 高速６ ＲＨ 主ｊ＝＝：异常ｐ输＿Ｉ，Ｃ出接 中速６ Ｃ上 开关嫩输入 佃谴Ｏ ＲＬ 接点输入公共．１ ＳＤ ｕＮ 运行 １ 频 删 （（来 自动） （葛 ４＋）＞— （ＤＣ４……＾２０＾）二５。 墨史婴．； ｊ Ｉ关礞墓 爰 输入 ｋ％￣Ｐ ＩＣ亟： Ｉ Ｉ攘ｒ１ Ｉ ＠主回路端子 Ｏ｝空带Ｕ回路输 崭予 ●控伟帅司路输出端予 图１ ＰＬＣ控制压缩机电机变频调速电路图 在压缩机电机变频调速控制系统中温度传感器采用ＮＴＣ一３９５０，随 着温度的变化３９５０热敏电阻阻值发生变化，通过Ａ／Ｄ模块将模拟信号转 换为数字信号，传输给ＣＰＵ２２４实现控制和显示。那么作为控制依据的 回风温度实测值将与回风温度设定温度进行比较，根据其差值与温度 变化率扩展模块输出相应的ｍＡ级电流控制信号。（ＰＬＣ的模拟量输出值 范围是０￣２０ｍＡ，而变频器的输入信号是４￣２０ｍＡ电流信号。 Ｏ￣２０ｍＡ 的模拟量对应的ＰＬＣ内部数字量是０￣３２０００，所以需要进行数据转 换。４ｍＡ对应的数字量是６４００，变频器输出ＯＨｚ对应的电流信号为 ４ｍＡ。）以此，变频器输出所对应的频率，避免温度冲击，实现节能降 耗并将温度精度控制在±０．５℃以内。 另外，相序、吸排气压力、油过滤器压差、油位、风机过载等电 路是开关量信号，当发生故障时，ＰＬＣ通过隔离的光耦检测到相应的低电 平，就发出报警，并产生相应的动作保护压缩机。ＰＬＣ控制器带有多路继 电器输出，连接到外部的交流接触器、加载电磁阀执行相应的动作。 主电路原理图如图２所示。图中ＣＴＩ为压缩机电流互感器，ＣＴ２为风 机电机电流互感器，中间的模块为变频器，ＭＡＩＮ为压缩机主电机，ＦＡＮ为 风机电机。 图２螺杆压缩机变频控制主电路原理图 ｌ时代报告２０１３年３月下Ｉ ４７７ 势 科技导报 浅谈轻型钢结构的特点 代广乐 中图分类号：ＴＵ３９２．５文献标识码：Ａ文章编码：１００３—２７３８（２０１３）０３—０４７８—０１ 钢结构依其自重轻，基础造价低，使用于软弱地基，安装容易， 施工快，周期短，投资回收快，施工污染环境少，抗震性能好等综合 优势而受到主管部门的重视。促进了钢结构的发展，经过十几年的发 展，建筑钢结构呈现出了５０年来未曾有过的兴旺和发展１ １９９７年中国 的钢产量达到的１亿吨，１９９８年投产的扎制Ｈ型钢系列，给钢结构的发 展创造了良好的物质基础，我这次主要是想探探其中的轻型钢结构设 计。 四大部分： 轻型钢结构是指彩钢板作为屋面和墙面， 以薄壁型钢作为檩条和 圈梁，以焊接Ｈ型钢截面做柱和粱，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架 为主要结构的一种建筑，再配以零件、扣件、门窗等，形成比较完善 的建筑体系。它主要是使用在不承受大载荷的承重建筑。其特点有以 下几点： 抗震性：低层别墅的屋面大都为坡屋面，因此屋面结构基本上采 用的是由冷弯型钢构件做成的三角型屋架体系，轻钢构件在封完结构 性板材及石膏板之后，形成了非常坚固的”板肋结构体系”，这种结 构体系有着更强的抗震及抵抗水平荷载的能力，适用于抗震烈度为８度 以上的地区。 抗风性：轻型钢结构建筑重量轻、强度高、整体刚性好、变形 能力强。建筑物自重仅是砖混结构的五分之一，可抵抗每秒７Ｏ米的飓 风，使生命财产能得到有效的保护。 耐久性：轻钢结构住宅结构全部采用冷弯薄壁钢构件体系组成， 钢骨采用超级防腐高强冷轧镀锌板制造，有效避免钢板在施工和使用 过程中的锈蚀的影响，增加了轻钢构件的使用寿命。结构寿命可达ｉ００ 年。 主结构——刚架，吊车架 次结构——檩条，墙架柱（抗风住），强梁 支撑结构——屋盖支撑，柱间支撑，系杆； 维护结构——屋面（屋面板、采光板、通风器等），墙面（墙面 板、门、窗） 转力途径 屋面和墙面受风、雪等结构荷载的作用，将这些荷载转到次结构 上，此结构接受屋面及墙面传来的荷载，并将其均匀的传到刚架梁和 柱上，同时对刚架梁、柱提供有效的侧向约束， 吊车梁承受吊车传来 的竖向及水平荷载，并将其传给刚架，刚架承受风、雪、吊车荷载及 其活荷载并将其传递到建筑基础上，支撑结构以及屋面、墙面为整个 建筑提供了整体性。 对于轻钢屋架，必须着重强调风荷载作用。风荷载垂直作用于 屋面，可以是风压力，亦可以是风吸力。当考虑风吸力作用时，屋面 板及檩条的连接必须牢固，特别是屋面四个角部以及檐口处，对于刚 架，必须重视柱与基础的连接，考虑风荷载的上拔力来设计锚柱，同 时充分考虑风荷载在柱脚处产生的水平反力。 三、门式刚架轻型房屋与传统的单层房屋相比，具有以下特点： １．允许刚架构件腹板失稳，利用腹板屈曲后强度，按有效宽度理 保温性：采用的保温隔热材料以玻纤棉为主，具有良好的保温隔 热效果。用以外墙的保温板，有效的避免墙体的“冷桥”现象，达到 了更好的保温效果。ｌＯＯｍｍ左右厚的Ｒ１５保温棉热阻值可相当于１ｍ厚的 砖墙。 隔音性：隔音效果是评估住宅的一个重要指标，轻钢体系安装的 窗均采用中空玻璃，隔音效果好，隔音达４Ｏ分贝以上；由轻钢龙骨、 保温材料石膏板组成的墙体，其隔音效果可高达６Ｏ分贝。 健康性：干作业施工，减少废弃物对环境造成的污染，房屋钢结 构材料可１００％回收，其他配套材料也可大部分回收，符合当前环保意 识；所有材料为绿色建材，满足生态环境要求，有利于健康。？ 舒适性：轻钢墙体采用高效节能体系，具有呼吸功能，可调节室 内空气干湿度；屋顶具有通风功能，可以使屋内部上空形成流动的空 气间，保证屋顶内部的通风及散热需求。 工量少，亦方便拆迁。 快捷：全部干作业施工，不受环境季节影响。一栋３００平方米左右 由以上特点，这种结构体系用钢省，造价低，制作简便，安装快 捷，施工周期短，商品化程度高，而且其适用性广，造型美观，在建 的建筑，只需５个工人３Ｏ个工作日可以完成从地基到装修的全过程。 筑市场上具有很强的竞争力。但因其轻，对于风载较大或者房屋较高 环保：材料可１００％回收，真正做到绿色无污染。 节能：全部采用高效节能墙体，保温、隔热、隔音效果好，可达 时，必须特别注意风载作用下的连接设计与施工。到５０％的节能标准。 作者简介：代广乐（１ ９８３－），男，河北邯郸人，回族，２００５年６ 其中的门式刚架轻型钢结构体系的房屋就是轻型钢结构建筑的一 月毕业于河北工程学院工民建专业，现职称为助理工程师，身份证号 种形式。 ３０４０２１ ９８３０２１ ８００３６。 基本组成，各部件组成能协同工作的，稳定的整体，他们可分成 １论和拉力场理论进行受弯和受剪计算，腹板高厚比可以做的较大，使 腹板厚度显著减薄，加之屋面很轻，从而刚架构件可以做得很轻。 ２．采用压型钢板轻型屋面和墙面，其本身重量即轻亦使支撑他的 结构也轻，同时，由于屋面与檩条、脊檩和墙面牢固连接，檩条又与 刚架牢固连接，因而屋面压型钢板可视为起应力蒙皮作用的隔板。 ３．刚架采用变截面，基本上采用弯矩图形的变化以及施工方便来 改变腹板的高度和厚度以及翼缘尺寸，充分做到材尽其用，加之采用 轻质屋面，刚架构件以及檩条可以做的很轻，因而有很好的经济性。 ４．刚架的侧向刚度用偶撑来保证，由于偶撑用料很少，其间距可 以做得很小，因而刚架构件的翼缘宽度亦可做的很小，而腹板高厚比 可加大，从而进一步节省材料。 ５．由于刚架构件轻，可以采用平板柱脚以及考虑这种平板柱脚对 刚架柱的嵌固作用，支撑可以做得很轻便。 ６．结构构件可全部在工厂制作，工业化程度高，目前，国内一些 大的钢结构公司已逐步实行标准化、系列化、构件单元根据运输条件 划分，单元之间用螺栓在现场连接，方便快捷，基础亦简单，土建施 （接上页） 而增加制冷量直至满负荷。 １．变频运行控制。启动：接触器ＫＭ１和ＫＭ２得电，控制器输出触点控制 ３．故障停机与紧急停止。当空调机组在运行过程中出电气故障控 变频器启动，控制器输出启动初值频率对应的模拟电流给变频器启动电 制器立即停车，需排除故障并且解除故障状态后才能重新启动。所有接 机运行，加载电磁阀得电，压缩机加载运行。制冷工况下，当回风温度实 触器的控制线圈回路经过紧急停止按钮，如遇紧急情况，按下紧急停止 测值降低接近或到达设定温度时，控制器输出模拟电流信号减小，变频器 按钮则可断开所有接触器。 输出频率降低，电机转速降低从而减小制冷量：当回风温度实测值高于设 五、结束语 本文介绍了螺杆制冷压缩机采用变频控制的原理及优势： 定温度时，控制器输出模拟电流信号增加，变频器输出频率升高，电机转 １．节能降耗优势明显，启动电流低，对电网影响小： 速上升从而增加制冷量。停机控制：加载电磁阀失电，控制器输出空车电 ２．连续调节，温度控制精度高，空调使用场所的舒适度提高： 流信号，延时一段时间后ＫＭ１和ＫＭ２失电，切断回路，停止运行。 ３．实践证明，压缩机的变频调速控制是一种较好的节能降耗方法。 ２．工频运行控制。不采用变频时可采用工频运行、启动（Ｙ／△启 动）：接触器ＫＭ４得电，ＫＭ３得电，进入Ｙ形启动状态，经过一段启动延 时，ＫＭ３失电，ＫＭＩ得电，进入△形运行状态。自动运行控制：电机启动 到△形运行状态，逐步延时加载，直至满负荷运行。制冷工况下，当回 风温度实测值降低接近或到达设定温度时，控制器输出减载从而减小制 冷量直至停机：当回风温度实测值高于设定温度时，控制器输出加载从 参考文献： ［１］ＳＴＥＰ ７一ｍｃｒｏ编程参考手册．ＳＩＥＭＥＮＳ，２００９ ［２］王永华．现代电气控制及ＰＬｃ应用技术北京航空航天大学出版社，２００３ ［３］陈立香，变频调速．机械工业出版社２００９。 四、系统的工作原理 ４７８ Ｉ时代报告２Ｏ１３年３月下
