變頻式壓縮機

自工業(yè)革命以來，壓縮機即是工廠里面最重要的機器設(shè)備之一。隨著時代演進，各種新型壓縮機及新應(yīng)用不斷產(chǎn)生，壓縮機的應(yīng)用范圍也越來越廣。至于冷媒壓縮機對冷凍空調(diào)而言更是不可或缺。為了使壓縮機能夠提供較穩(wěn)定的壓力及運轉(zhuǎn)模式，也為了節(jié)約能源，全世界壓縮機廠商均想辦法開發(fā)出不同的控制方式。依照原理來分別，主要方向大致有進氣泄載、排氣泄放、排氣回流、進氣節(jié)流或空重車等。

以上這幾種控制方式目前雖已可滿足壓縮機在運轉(zhuǎn)方面的需求，但是就使用者而言，想得到一個壓力穩(wěn)定而又能隨負載比例增減耗電量的壓縮系統(tǒng)，似乎仍然遙不可及。然而隨著變頻應(yīng)用技術(shù)及變頻器價格的逐漸普及，完全能夠符合以上需求的變頻壓縮機已在壓縮機領(lǐng)導廠商的研發(fā)推廣之下逐步被導入市場。

所謂變頻式壓縮機，乃是在穩(wěn)定壓力的原則之下，視使用風量之增減，藉由改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，而使消耗功率與風量成線性比例以達到定壓及節(jié)約能源之目的之壓縮機。

變頻式壓縮機之特點:

l   壓縮機壓力精確度達0.1 kg/cm²以下。冰水機溫差精確度可達0.5度以下。 注: 精確度系指FUZZY控制精度，不包含空車上限設(shè)定值。

l   利用降低壓縮機組轉(zhuǎn)速來比例降低負載，節(jié)能效果100%。

l   部分負載時降低轉(zhuǎn)速使機組壽命延長。

l   降低運轉(zhuǎn)噪音。

l   適用于往復式及螺旋式等不同型式之容積型壓縮機。

l   齒輪及皮帶等傳動裝置可省略，減少機械損失并降低成本，增加機體可靠度。

l   LED面板可顯示運轉(zhuǎn)壓力，排氣溫度及設(shè)定壓力。顯示值可經(jīng)由內(nèi)部參數(shù)設(shè)定之。

l   設(shè)定壓力(壓縮機)或溫度(冰水機)可視系統(tǒng)需求在面板上調(diào)整。

l   使用變頻器固有的軟性起動特性，無起動大電流。

l   多臺運轉(zhuǎn)時只需裝設(shè)其中一至數(shù)臺即可完全監(jiān)控系統(tǒng)之壓力(壓縮機)或溫度(冰水機)。

l   50Hz及60Hz共享。

l   特殊降載功能，提供最具安全及彈性之運轉(zhuǎn)模式。

控制模塊：

變頻式壓縮機是如何控制的呢？與傳統(tǒng)式壓縮機最大的不同之處在于變頻式壓縮機的馬達是由變頻器所驅(qū)動。不論我們所使用電源是50Hz或60Hz，變頻器均先將其轉(zhuǎn)成直流電，轉(zhuǎn)換成直流電之后，再依指令輸出成我們所要使用的交流電頻率。此頻率可為任意頻率，而不再局限于50Hz或60Hz，至于輸出電壓則與輸入電壓相同。目前市面上的變頻器其最高頻率少則120Hz，多則可達上千，使用于變頻式壓縮機已綽綽有余。變頻器的基本電路如圖一。

圖一

馬達轉(zhuǎn)速與頻率之關(guān)系為rpm=120 x Hz / P

HZ：頻率  P：極數(shù)

舉例來說，假設(shè)有一2極馬達，在電源頻率為60Hz時，其同步轉(zhuǎn)速為120 x 60 / 2 = 3600 rpm，頻率為50Hz時，其同步轉(zhuǎn)速為120 x 50 / 2 = 3000 rpm。

全世界各發(fā)電廠所提供的電源只有50Hz或60Hz兩種，因此在正常情況下，2極馬達的同步轉(zhuǎn)速就只能有3000 rpm和3600 rpm兩種了。但是如果我們使用變頻器來驅(qū)動馬達的話，因為輸出頻率可以調(diào)變，因此就可產(chǎn)生各種不同的轉(zhuǎn)速。例如輸出為100Hz，轉(zhuǎn)速為6000 rpm，輸出為20Hz，轉(zhuǎn)速就只剩下1200 rpm，只要機組之電機及機械特性可容許，變頻式壓縮機即可在最高及最低轉(zhuǎn)速之間做運轉(zhuǎn)，從而因轉(zhuǎn)速不同而輸出不同的風量。

變頻器雖可改變頻率，但是應(yīng)該要運轉(zhuǎn)在多少頻率則必須由外部下達指令。所以變頻式壓縮機除了以變頻器為馬達之驅(qū)動器外，還要另外有一控制器以隨時調(diào)變變頻器的輸出頻率。因此控制器需具有如下之基本功能：

1、  接收排氣端或系統(tǒng)之壓力信號并送至控制器之運算單元。

2、  輸出變頻器運轉(zhuǎn)頻率調(diào)變指令。

3、  穩(wěn)定輸出壓力。(目前大都設(shè)為0.1 bar)

4、  輸出變頻器起動指令。

5、 接受運轉(zhuǎn)信息，如故障指令、警告指令，以保護機組。

以上所列五點僅為控制器之基本必要功能，如果要應(yīng)用于實際商品化，則最好將壓縮機之運轉(zhuǎn)邏輯電路一并融入內(nèi)部之CPU，以簡化外部配線及操作。圖2所示為復盛變頻式壓縮機所使用之控制器外觀，除了基本功能外，其已將所有壓縮機運轉(zhuǎn)電路全部寫入CPU，因此所有控制均可在面板上進行：設(shè)定壓力SP、實際運轉(zhuǎn)壓力P及各種運轉(zhuǎn)、停止、故障、警告燈號等均以LED顯示于面板上。此控制器提供如下之開放參數(shù)供客戶參考：

T1: 停止空車時間   20 sec

T2: 起動空車時間   15 sec

T3: 空車過久自動停車時間  9999 sec

T4: 馬達高溫跳脫作動時間  5 sec

T5: 失水開關(guān)作動時間        10 sec

T6: 進氣壓降跳脫作動時間  5 sec

TC: 排氣高溫跳脫溫度        100℃

TCBA:  排氣溫度Offset設(shè)定    0

運轉(zhuǎn)：

了解以上參數(shù)之后，即可利用假設(shè)之設(shè)定值做模擬運轉(zhuǎn)，圖3為參考用方塊圖：

變頻式壓縮機控制方塊圖(壓縮機應(yīng)用范例)

裝設(shè)變頻式控制對壓縮機之省電效益分析(以50HP壓縮機為例)

一、只使用一臺50HP壓縮機的情況

假設(shè)壓縮機為50HP，裝置時預(yù)留20 %裕度，如果未裝設(shè)變頻器控制模塊，則在運轉(zhuǎn)時將有80 %時間重車，20 %時間空車。

(一)  使用傳統(tǒng)空重車控制：

由于使用壓力開關(guān)做空重車控制，其壓力上下限一般為1 kg/cm² ，因此其運轉(zhuǎn)壓力假設(shè)為介于6 kg/cm²G與7 kg/cm²G之間。7 kg/cm²G時，耗用馬力為滿載50HP。在6 kg/cm²G時耗用馬力約為46HP，平均消耗馬力為48HP，假設(shè)空車時消耗馬力為20HP(空車消耗功率設(shè)約為滿載之40 %)，因此在20 %空車，80 %重車的情況下，總平均消耗馬力為48 HP x 80% + 20HP x 20% = 42.4HP。

(二)  使用變頻器控制模塊控制：

變頻器控制模塊之精確壓力控制可將系統(tǒng)壓力準確維持在約6 kg/cm²G±0.1 kg/cm² ，系統(tǒng)風量如有任何變化，變頻器控制模塊將可隨時調(diào)整壓縮機轉(zhuǎn)速以符合最佳需求。

因此在運轉(zhuǎn)具有20%預(yù)設(shè)裕度之壓縮機時，變頻控制模塊將使系統(tǒng)恒定在輸出80%之風量，其馬力消耗則為穩(wěn)定之46HP x 80% = 36.8HP。兩者之馬力差異為5.6HP。

如果是在70%重車，30%空車的情況下運轉(zhuǎn)，則傳統(tǒng)空重車控制之平均消耗馬力為48HP x 70% + 20HP x 30% = 39.6HP，使用變頻器控制模塊之消耗馬力為46HP x 70% = 32.2HP。兩者之馬力差異為7.4HP。

傳統(tǒng)控制之螺旋式壓縮機除了空重車控制之外，亦可使用進氣節(jié)流之容量控制方式，但是進氣節(jié)流之控制方式雖可使壓縮機運轉(zhuǎn)壓力較為隱定，不至于一直徘徊于空重車之間，但是在節(jié)流狀態(tài)時并不會比較省電，其平均耗電量比空重車控制之方式還要高。空重車時所排放的氣體能量亦頗為可觀。假設(shè)油氣桶有100公升之氣體空間，壓縮機每三分鐘空車一次，則其所消耗之氣體為0.1m³ x 6 ÷3min = 0.2 m³ /min，大約相等于1.5HP，即3%。

二、使用二臺50HP壓縮機的情況

假設(shè)二臺壓縮機均為50HP，裝置時預(yù)留20 %裕度。

(一) 使用傳統(tǒng)空重車控制：

依前例，每臺壓縮機之平均消耗馬力為42.4HP，如將其中一臺固定在滿載，另一臺執(zhí)行空重車運轉(zhuǎn)，則第一臺消耗馬力為48HP，第二臺將有60%為重車，40%為空車，第二臺之平均消耗馬力為48HP x 60% + 20HP x 40% = 36.8HP，與第一臺合計，總平均消耗馬力為(48 + 36.8)÷2 = 42.4HP，因此不管其中一臺是否設(shè)為滿載，其總馬力均約為84.8HP。

(二) 使用變頻器控制模塊控制：

在此種情況時，僅需將一臺壓縮機更改為變頻器控制模塊控制，另一臺依舊使用傳統(tǒng)壓力開關(guān)做空重車控制。其運轉(zhuǎn)方式如下：

傳統(tǒng)空重車控制之壓縮機仍將壓力開關(guān)設(shè)定在6 kg/cm2G至7 kg/cm2G之間，變頻壓縮機之運轉(zhuǎn)壓力設(shè)定在比6 kg/cm2G略高一點點。在此情況下，第一臺傳統(tǒng)控制的壓縮機將持續(xù)于6 kg/cm2G做100%運轉(zhuǎn)，其消耗馬力為46HP。至于第二臺變頻壓縮機則用于補充不足之60%，其消耗馬力為46 x 60% = 27.6HP，總馬力為46 + 27.6 = 73.6HP。與傳統(tǒng)方式控制之兩臺壓縮機馬力相差11.2HP。

三、使用三臺50HP壓縮機之情況

假設(shè)三臺壓縮機均為50HP，裝置時預(yù)留20 %之裕度。

(一)  使用傳統(tǒng)空重車控制：

依前例，每臺壓縮機之平均消耗馬力為42.4HP，總消耗馬力約為127.2HP。(注：未加上空車時所排放之氣體能量)

(二) 使用變頻器控制模塊控制：

在此種情況時，僅需將一臺壓縮機更改為變頻式控制，另兩臺可維持使用傳統(tǒng)壓力開關(guān)控制。依二所述由開關(guān)控制之兩臺壓縮機均運轉(zhuǎn)于6 kg/cm2G，100 %，其消耗馬力均為46HP，至于變頻壓縮機則用于補充不足之40%，其消耗馬力為46HP x 40% = 18.4HP，總馬力為46HP x 2 + 18.4HP = 110.4HP，與傳統(tǒng)控制之三臺壓縮機馬力差為127.2HP - 110.4HP = 16.8HP。

★省電效益運轉(zhuǎn)分析表★

注： 壓縮機最低轉(zhuǎn)速可能因廠牌而有所不同。與容調(diào)控制方式相比，省電更為可觀。

變頻式壓縮機與其它傳統(tǒng)壓縮機之并聯(lián)運轉(zhuǎn)模式

本范例以三臺100HP螺旋式壓縮機為標準做說明，其中二臺為傳統(tǒng)式全自動，另一臺為變頻式全自動。變頻式設(shè)定壓力為7 bar，空車壓力7.5 bar，為方便說明起見，此機編號設(shè)為一號機。傳統(tǒng)式一臺設(shè)定為6.8 ~ 7.8 bar運轉(zhuǎn)，此機設(shè)為二號機；另一臺設(shè)定為6.6 ~ 7.6 bar運轉(zhuǎn)，此機設(shè)為三號機。

(一)  系統(tǒng)起動，負載逐步增加之狀態(tài)：

先啟動變頻式壓縮機，如果符合系統(tǒng)供氣需求，則變頻式壓縮機將運轉(zhuǎn)于系統(tǒng)所需求的轉(zhuǎn)速及壓力以提供各種風量需求。

如果變頻式壓縮機不夠供應(yīng)，則再啟動二號傳統(tǒng)式壓縮機(傳統(tǒng)式壓縮機如已在自動模式之下，則可自動起動。)。設(shè)二號傳統(tǒng)式壓縮機之壓力開關(guān)設(shè)定于6.8 bar及7.8 bar之間，變頻式壓縮機定壓運轉(zhuǎn)在7 bar。

傳統(tǒng)壓縮機啟動之后，本來由于變頻式壓縮機供氣不足所致之壓力過低將逐步上升至7 bar，由于風量高于需求，因此變頻壓縮機將減速至符合系統(tǒng)之精確風量。例如系統(tǒng)需求風量為150%，啟動變頻壓縮機之后，變頻式全速運轉(zhuǎn)可提供100%，不足50%，因此必須再啟動傳統(tǒng)式壓縮機，由于傳統(tǒng)式壓縮機為空重車運轉(zhuǎn)，只要是重車均為100%，空車為0 %，因此變頻式壓縮機將自動調(diào)整負載至50%。注：每臺壓縮機均設(shè)為100%，總風量為300%。

系統(tǒng)風量如持續(xù)增加需求，變頻式壓縮機將逐步調(diào)整負載至100%。(如機組條件許可，變頻式壓縮機可增加轉(zhuǎn)速至100%以上，相關(guān)信息請洽本公司。)

變頻式壓縮機滿載運轉(zhuǎn)之后，如果風量仍不敷需求而降至6.6 bar以下，則可再啟動三號傳統(tǒng)式壓縮機(傳統(tǒng)式壓縮機如已在自動模式之下，則可自動起動。)。三號壓縮機起動之后將仍然運轉(zhuǎn)于100%，變頻式壓縮機將自動調(diào)整風量至使系統(tǒng)壓力精確控制于7 bar。

(二)  正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)：

在正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)之下，傳統(tǒng)式壓縮機一律定速且穩(wěn)定的滿載運轉(zhuǎn)于100%，容量調(diào)節(jié)的部分完全由變頻式壓縮機操控。

由于使用精確計算機壓力控制程序，因此其壓力可持續(xù)穩(wěn)定在7 bar，以提供系統(tǒng)最穩(wěn)定之壓力源，同時變頻式壓縮機可視需求調(diào)整風量，并等比例降低馬達負載以大量節(jié)省能源。

(三)    系統(tǒng)需求風量降低至240%以下狀態(tài)：

由于最低頻率設(shè)在40%，當需求小于240%時，變頻式即便運轉(zhuǎn)于最低頻率，風量亦將大于需求，因此壓力將逐漸升高。當壓力逐漸升高至7.5 bar，變頻式進入空車狀態(tài)，如果風量小于240%，則變頻式將在空重車之間運轉(zhuǎn)，甚至自動停車。變頻式自動起動或重車之后，為快速提供風量，因此可能有Overshoot效應(yīng)，將使壓力沖高至7.5 bar，但是Fuzzy將會自行調(diào)適，而有短暫調(diào)整期，因此變頻式的空車自動停車時間為相當重要之參數(shù)之一。由于變頻式在40%轉(zhuǎn)速之空車狀態(tài)下消耗電流已經(jīng)極低，因此可盡量拉長其自動停車之時間以維持系統(tǒng)運轉(zhuǎn)之穩(wěn)定。

(四)    系統(tǒng)需求風量降低至200%以下：

隨著風量逐漸降低至200%，變頻式將完全自動停機而不運轉(zhuǎn)。完全由二及三號機提供壓縮空氣。風量降至200%以下時，隨著壓力升高三號機將空車，至使壓力回落至7 bar時變頻式重新啟動，如果壓力下降速度不至于太快而仍能維持在6.6 bar以上，則變頻式接手重任。如果壓力下降速度太快而到6.6 bar，三號機將再啟動，但由于三臺同時運轉(zhuǎn)時壓力必然上升至7.6 bar，因此三號機將繼變頻式之后再空車，至壓力降至7 bar。由于變頻式已在空車而非停車狀態(tài)，因此壓力上升速度不致使系統(tǒng)降至6.6 bar，所以三號機停機，變頻式繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

(五) 系統(tǒng)需求風量降低至140%以下：

如上所述，由于變頻式最低頻率為40%，因此系統(tǒng)壓力將逐漸升高至7.5 bar而使變頻式在7 bar至7.5 bar之間空重車交替運轉(zhuǎn)，甚至自停車。

(六) 系統(tǒng)需求風量降低至100%以下：

隨著風量降至100%，系統(tǒng)將完全由二號機供氣。如果風量降低至100%以下而使二號機達到空車壓力7.8 bar，二號機將空車，而當壓力降至7 bar時，由于已達變頻式自動起動之壓力，變頻式將自動起動。如果因壓力下降太快而發(fā)生二號甚至三號機亦起動之現(xiàn)象，系統(tǒng)亦將會如前所述自行調(diào)適至只有變頻式供氣之狀態(tài)。

依以上說明，裝設(shè)變頻式壓縮機之后，只要系統(tǒng)中有任一壓縮機不是在滿載運轉(zhuǎn)，變化需求的部份將可完全變頻式壓縮機擔綱，而使系統(tǒng)發(fā)揮最佳節(jié)約能源效果。即使是原有的傳統(tǒng)壓縮機系統(tǒng)亦可改裝。壓縮機系統(tǒng)在安裝時，為考慮各種使用狀況，因此一般都會預(yù)留余裕，為使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，節(jié)約能源，延長機組壽命，裝設(shè)變頻式壓縮機組乃是最佳的選擇，

結(jié)論：

變頻式壓縮機之控制方式可適用于所有容積型壓縮機。雖然初期購置費用此傳統(tǒng)式壓縮機高，但是其差額可完全由所節(jié)省電費快速回收，其它之各項優(yōu)點更是傳統(tǒng)型壓縮機所望塵莫及。隨著能源價格漸漲及對環(huán)保之要求，具有絕對省電功能的變頻式壓縮機，一定是壓縮機市場未來的主流。