变转速压缩机
1.       定义
变转速压缩机是指转速可调的压缩机，市场上称为变频压缩机其实都是变转速压缩机。
2.       为什么要用变转速压缩机?
a)         用气事实
大多数的用气工况都是剧烈变化的，每一时，每一天和每一周都不同。就有如世界上没有两片相同的树叶，没有两个完全相同的用气工况。
b)        调节方式
                         i.              加/卸载调节
传统的加/卸载调节是当系统压力下降到设定值以下时，压缩机加载运行;当系统压力上升到压力带上限，压缩机卸载工作，只消耗电能没有任何气体输出。当用气负荷变化时，压缩机通过加载/卸载来调节输气量，而卸载工作时电能是白白浪费。
当在50%负荷状况运行，功率消耗大约为满载功率的72%
                       ii.              入口蝶阀调节
传统的入口蝶阀调节是通过改变吸气口大小，限制压缩机可压缩流量，输入流量降低，输出流量降低。当流量降低的时候，所需消耗的电能并不是同比例的降低。当所需流量为零时，也就是输出气量为零时，功率消耗仅减少至70%满负荷功率。当机器运行在50%流量时，它的功率消耗为满负荷的85%。
                      iii.              变转速调节
变转速通过改变压缩机转子的转速来对空气系统压力作出响应，以维持一个稳定不变的压力。当系统空气需求降低时，输送到管网中的压缩空气大于所需的，系统的压力开始增加，VSD变转速压缩机将会降低速度，于是输出降低，系统的目标压力得以维持。反之，当系统空气需求增加时，输送到管网中的压缩空气小于所需的，系统的压力开始降低，VSD变转速压缩机将会增加转速来维持系统压力，压力得以维持。
 
c)        变转速调节的优势
变转速调节可以根据用气量需求的变化实时改变转速，所需功率是同转速比例变化的，没有额外的能源浪费，如下图所示。
d)        节能潜力
                         i.              变转速压缩机相对于加/卸载节能为下图中黄色部分，虚线下为卸载工况，
黄色区域近似三角形部分为压缩机从加载至完全卸载过程中油气分离器的放空过程。
                       ii.              使用寿命周期成本分析
我们不应关注压缩机的成本，而是应该关注的是产生压缩空气的成本，也就是应该考虑能耗等使用中得所有成本。以五年为一个周期进行的成本分析如下图所示，变转速VSD压缩机虽然初投资高，但是整个使用成本是很低的，也就是说压缩空气的成本是比较低的。
   
3.       变转速压缩机的原理及技术综述
a)         变转速原理
螺杆压缩机的排气量： ， 为转子系数，与型线等因素有关。
L为转子长度，D为阳转子直径， 为转速
 在一台螺杆压缩机中，只有速度是可调的，排气量与转速成正比。
压力传感器测量空气系统管网压力，当系统空气需求降低时，输送到管网中的压缩空气大于所需的，系统的压力开始增加，传感器将压力信号传送给控制器，控制器对变频器发送相关指令，变频器改变输出频率以改变压缩机转送，从而得到调节气量的目的，反之亦然。


b)        技术比较
                         i.              内置变频器+特殊交流异步电机
      优点：                                                                                             
1.         交流变频为成熟技术，为西门子和ABB等大型电气制造商广泛采用
2.         电机为变频工况设计
3.         整机从工程设计阶段开始考虑变频应用
4.         工厂完成所有的工作
  缺点：
1.  成本较高
2.  易与普通外挂变频改造混淆
                       ii.              混合永磁电机
它是一种介于交流异步电机和无刷直流电机之间的技术，是交流变频技术和无刷直流电机的混合体。为了获得良好的电气特性，它的转子质量比较大，而重量直接负荷在轴上。以下列出了该技术
优点：
1.   成本低
2.   独一无二的技术
缺点：
1.         IP23 的电机
2.         使用稀土元素氧化物制做的永磁铁-对潮湿和油敏感，易生锈和积尘。
3.         会受扭矩波动的影响
4.         在低转速和高工作压力下效率很低
5.         电机转子是附着在转子轴上，会降低压缩机转子轴承寿命
6.         在大功率时还没有成功的使用经历
7.         没有电磁兼容性
 
c)        外置与改造
外置变频是指在普通固定转速压缩机上添加通过变频器。变频改造是指对现有的压缩机系统做变频器添加的改造，可能除了变频器还做其他部件的更改，变频改造成败与改造工程师的水平息息相关，也会存在不少问题。下面对外置变频器或变频改造可能出现的问题与缺点做了一点罗列。
                         i.              变频器的选择与匹配
负载特性不同变频器的选配不同，压缩机是恒扭矩负载，外置或改造是否选择了合适的变频器
                       ii.              变频器电缆会产生对地耦合电容，造成变频器出力不够
                      iii.              影响防护等级
                     iv.              变频器输出含有高次谐波，会造成电动机的功率因数和效率变坏
                       v.              变频器供电，电动机电流增加10%温升增加20%
                     vi.              普通电动机在低转速下发热量增加，自冷却风扇风量剧烈减小
                    vii.              轴承电流，轴承中的高频电流是通过开关的高速开/关来产生的, 这样会引起转动部件的波动, 近而影响轴承的润滑。同时会产生电火花导致的弹坑, 如果不加保护, 轴承就很容易损坏。
                  viii.              有电磁兼容性问题EMC，干扰周围的电气设备，也易受周围的干扰
                     ix.              绝缘失效，变频器中的开关频率会导致峰值电压达到名义电压的3.5倍.
                       x.              压缩机的转子不是为变转速设计，在其他转速下效率会降低
                     xi.              在低转速下，喷油螺杆压缩机主机中容易产生冷凝水，从而造成油乳化，导致润滑失效，转子咬死
                    xii.              固定转速的压缩机仍存在加卸载阀，启动时需要油/气分离器放空，有卸载时的浪费
4.       选型与传统机器使用原则
a)         一个空气系统只使用一台VSD压缩机
b)        VSD应该比最大的加/卸载机器的排气量更大些。
                         i.              加/卸载机组排气量大于VSD
                       ii.              加/卸载机组排气量小于VSD
c)        压力设置规则
当VSD与加/卸载压缩机混合使用时，压力设置有一定的规则。下面说一下压力的设定规则。
将VSD压缩机用作top-load压缩机，也就是VSD压缩机最先启动最先停机。VSD 间接停机压力< 普通压缩机卸载压力Punload。这种设置的好处是充分利用VSD压缩机可以频繁开停的特点。
d)        集中控制系统控制
在采用集中控制来控制带有一台VSD变转速压缩机和多台定转速压缩时，VSD总是不断的满足管网用气需求的变化，定转速压缩机用做基本负载压缩机。确保定转速压缩机在100%负荷运行，而VSD永远都不会运行在100%负荷，增加了系统效率。
e)         多台VSD与多台普通压缩机
只能采用集中控制系统来控制。采用集中控制器可以协调多台VSD间的工作，避免冲突。集中控制器控制所有VSD压缩机工作在各自的最佳工作区域以达到最大的系统效率。
    
5.       阿特拉斯科普柯GA VSD特点及节能潜力
a)         GA VSD特征
                         i.              专为VSD应用优化设计和系统集成
                       ii.              内置变频器，在工厂以完成变频器的匹配
                      iii.              采用西门子专用设计的矢量控制变频器，恒扭矩特性，发热量低，使用可靠
                     iv.              专用的电机，在转子、定子、轴承、电缆和冷却风扇等方面都做了优化
                       v.              采用了高频和低频谐波过滤器;采用屏蔽电缆，杜绝了电磁兼容性问题，整体通过第三方电磁兼容鉴定，符合电磁兼容性规定: EU 标准，抗高、低频干扰。
                     vi.              压缩机主机转子是为在不同转速下仍保持高效而设计
                    vii.              冷却风扇可控制，杜绝了主机在低转速下形成冷凝水
                  viii.              适用温度范围为0-46℃
b)        GA VSD节能方式
                         i.              消除了从全载荷到卸载工作的低效率过渡时间;
                       ii.              避免了卸载运行的额外功耗;
                      iii.              维持管网压力于0.10bar压力带内;
                     iv.              降低整体的平均工作压力，系统压力每降低0.5bar，可节能3%
                       v.              没有放空
                     vi.              调节范围20-100%
                    vii.              软启动避免了启动电流峰值
                  viii.              功率因数高
                     ix.              4-13bar范围内灵活的压力选择
                       x.              双压力设定，可设置白天/晚上两个工作压力，晚上低压设置可节能
6.       GA VSD压缩机投资分析
a)         节能量分析
VSD相对于加卸载控制的压缩机，主要是节省卸载工况电机空载功耗和卸载前油气分离容器内带压气体放空。空压机保养节能分析有简单分析和实际测量等方法。
b)简单分析
   i.察看压缩机的卸载工作时间，然后计算一年中卸载功耗的电费，以此为基础进行投资回报分析。比如一台GA55一年4000小时工作时间内，卸载时间为2600小时，
那么一年电能浪费是2600x55x30%x0.7=30030RMB,其中30%为卸载功率比。假如采用一台GA55VSD，虽然比GA55贵87000，但是增加投资可以在87000/30030=2.9年内收回。以上计算低估了，没有考虑放空与卸载过程中的浪费，也就是上文提到的黄色三角形区域。
   ii.采用统计得到的平均节能率35%计算。假如选择一台GA55VSD，那么一年节省电费为4000x55x35%x0.7=53900RMB，投资在87000/53900=1.6年内收回。
c)实际测量
   Atlas Copco有一个measurement box，通过测量工作电流来分析压缩机的运行状态，从而生成一份精确的投资回报报告。
 
II 常见问题
1.  变转速压缩机可以调节气量，它是如何监测气量变化的?
监测气量变化是通过压力传感器来实现的，当用气量减少，系统压力会增加，用气量增加，系统压力会减少，通过压力传感器测量变化的压力来实现对流量变化的监测。
2.  为什么会节能?
传统的调节方式都存在能源浪费，在低负荷时能源使用效率低。变转速压缩机没有卸载和放空，节省了传统压缩机的卸载功耗还在卸载是对带压空气放空的浪费。
3.  可节能多少?
根据使用的情况不同节能效果不同，多则50%以上，少则15%。负荷变化越剧烈，节能效果越好，负荷越接近满载节能越少。
4.  什么是电子齿轮?
是指电脑控制器的调节特点。所有的GA VSD出厂指提供13bar的机器，而工作压力可以在电脑板上在4-13bar范围内设置，当设置工作压力降低，最大排气量会相应增加，有如更换的齿轮。
5.  为什么要用特殊电机?
因为变频率工况不同于正常交流电状况，电机的发热量会增加，所以需要对转子、定子绕组等进行优化设计。
6.  什么是变频电机?
   其实并没有所谓的变频电机，只有适用于变频工况使用的特殊电机，如果简单称呼可以称为变频电机。
7.  电机与转子之间是否有传动齿轮?为什么?
电机与转子之间是有传动齿轮的。因为电机和转子都有一个最佳转速范围，且电机有一个弱磁点，通过齿轮箱匹配电机转速和转子转速，以使电机的最优工作点与载荷匹配。
8.  GA VSD电机的最高转速超过了3000转，这是否有问题、降低了可靠性?
没错，GA VSD 电机的最高转速超过了3000转，GA55VSD最高转速为5200转/分钟。
不过不用担心，我们电机的设计是完全按最高转速而设计的，无论是转子、定子绕组，还是电机轴承都是特别为变频应用设计的。决定电机可靠性和寿命的不是过高的转速，而是是否按最高转速而进行的设计，比如说是否选择和合适的轴承。
9.  GA VSD最高转速的频率是50Hz吗?
GA VSD 最高转速的频率大于50Hz。下图是GA VSD特殊电机设计的特点。
10.          什么是矢量控制?
普通变频器存在速度偏差和延迟。如果要准确的控制加速度就需要快速而准确地控制电磁转矩。在电动机内，电磁转矩首先是受到磁通制约的，有效控制电磁扭矩的前提，就是有效的控制磁通。直流电动机磁场由定子励磁绕组和电枢绕组分别激励，其磁通和转矩能够分别独立进行控制，这使得直流电动机具有对转矩良好的控制能力。而交流异步电动机的励磁电流和转矩电流合成了定子矢量，简单地直接控制定子电流不能实现对转矩的有效控制。将定子电流含有的励磁和转矩两个矢量分离，分别进行控制，然后合成并转换成为对变频器参数的控制信号，模仿直流调速系统的控制特点实现对电磁转矩的有效控制，这就是矢量控制。
11.          矢量控制的优势?
矢量控制技术完全来自异步电动机的数学模型，其控制原理比起基于电动机稳态模型的V/f控制，能够大大改善动态运行性能。
12.          什么是间接停机压力?
是指在VSD设定工作压力之上的一个压力值。当系统压力到达间接停机压力值时，压缩机先将转速降低到最低转速然后停机。
13.什么是直接停机压力?
   当系统压力增加过快，压缩机在速度降到最低转速之前已经超过间接停机压力很多时，设定一个压力值来避免压力过高。当压力到达该值时，压缩机直接停机而不论是在什么转速。
14.为什么Atlas Copco 的GA VSD有20-100%的调节范围?GA VSD之所以有如此大范围的调节范围，在于GA VSD是完整的变转速应用设计，转子可以在很大的转速范围可以保持高效率，特殊电机可以在很大的频率范围保持良好的工作特性，加上矢量控制的变频技术，可以确保GA VSD在20-100%具有良好的工作特性，Atlas Copco GA VSD的防冷凝技术，进一步确保该机器在低转速下可靠无忧。