CN101163885A - 螺杆压缩机容量控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

执行螺杆压缩机(R)容量控制的系统和方法，所述系统包括：螺杆压缩机(1)，所述压缩机由多速电动机(2)驱动以压缩空气或气体媒介，具有旁通阀(10)的旁通进口构件，其从螺杆压缩机(1)的高压区延伸至低压区以循环气体媒介，功能性连于所述旁通阀(10)的旁通阀控制器(7)，功能性连于电动机(2)以实现多速运行的电动机控制器(9)，可控制旁通阀(10)和多速运行的主处理控制单元(8)，位于压缩媒介通道上以信号形式测量压力变化和/或温度变化的测量装置，功能性连于主处理单元(8)和测量装置以接收信号的信号转换器(20)，且所述电动机控制器(9)和旁通阀控制器(7)功能性连于主处理单元(8)以执行螺杆压缩机(1)的容量控制。

Description

螺杆压缩机容量控制的系统和方法

技术领域

本发明涉及旋转螺杆压缩机，更具体地，涉及通过利用旁通压缩媒介和改变压缩机电动机速度的组合来控制螺杆压缩机的排气容量的系统和方法。

背景技术

螺杆压缩机因其操作简便且使用寿命期间性能可靠稳定而被广泛用于各种工业应用中。螺杆压缩机一般包括相互啮合的公螺旋转子和母螺旋转子。转子由原动机如电动机、发动机等旋转，以将提供的进口空气/气体压缩进入设备、装置或需要压缩空气或其它气体运行或工作的过程。

螺杆压缩机通常设计为以特定速度运行性能最佳，但多数时间因缺乏相关设备或装置或需要压缩空气或其它气体运行或工作的过程对压缩空气或其它气体的需求而不能以设计速度运行。螺杆压缩机部分负载运行导致其性能和能量效率降低。理想状态下，压缩系统应在压缩机气流输出始终符合需求而不引起任何附加能量和效率损失的方式下运行。

为了确保螺杆压缩机的压缩空气/气体的气流输出始终符合需求，几种容量控制方法正在使用中并报导于各种研究文献中。

一已知方法中，螺杆压缩机的容量控制是通过滑阀机构执行的，其中使用通过适当控制机构运行的滑阀来控制放气口的开口面积。该方法提供整个容量控制范围中无限制的容量控制。但因维护有关问题不适合包含各种滑动零件。

另一已知方法中，容量控制操作是通过吸气口节流阀执行的，其中控制压缩机吸气口的阀来控制进入压缩机的气团。对经过该阀的空气进行节流导致压力损失以及总压力比的相应增加，从而增加功率输入，抵消了容量控制的增益。

又一已知方法中，通过放出压缩气体以及与压缩气体混合的少量油来放气以进行容量控制。该方法在功率消耗方面没有提供任何优势，同时也不能用于喷油式压缩机。

旋转压缩机电动机的容量控制也通过使用非动态型的多极电动机(二极、四极、六极电动机)执行。

在另一已知方法中，压缩机的容量控制通过由可变速度频率驱动器改变电动机的速度来执行。由于该方法可控制整个容量控制过程，因此该方法是高效的。该方法的主要缺点是高成本以及功率减少与随设备的转速降低的容量减少不成正比。

如上所述，许多容量控制方法可用并用于螺杆压缩机的动态容量控制。这些方法的主要缺点在于这些系统仅仅对于小容量减少范围如从100％容量中最多减少20-30％运行效率最高。这些系统也可进一步减少容量，但此时螺杆压缩机输入功率的减少与容量的减少相同。

因各动态容量控制方法的容量减少能力范围较小这一问题存在，市场趋势正转向使用配有变频驱动器(VFD)的螺旋压缩系统。配有VFD系统的螺杆压缩机系统可对30-100％范围的螺杆压缩机容量提供非常精确的控制。同时这些配有VFD的系统输出的压缩空气或具它气体非常符合相关设备、装置或过程的要求。VFD作为螺杆压缩机系统的附加部件，其自身在供电频率调节过程中以发热的形式产生能量损失。除能量损失外，也导致输入供电网变形并增加声级。通过调节供电频率，VFD以较低或较高转数运行相关螺杆压缩机。相关系统如螺杆压缩机在最佳速度运行效率最高，以低于最佳或设计速度的速度运行螺杆压缩机因低速运行产生如低速时容积效率降低等的各种损失使得其性能降低。因此，很明显，即使系统的供求相符，整个系统的能量效率也很低。

发明目的

本发明的首要目的是提供具有内置旁通气流结构并由产生、调节压缩空气或气体的气体流或输送的多速或多极电动机驱动的螺杆压缩机系统和方法。

本发明的目的之一是提供不使用变频驱动器(VFD)的系统和方法。

发明内容

本发明提供了执行螺杆压缩机容量控制的系统和方法，所述系统包括：由多速电动机驱动以压缩空气或气体媒介的螺杆压缩机，从螺杆压缩机的高压区延伸至低压区以循环气态媒介的具有旁通阀的旁通进口构件，功能性连于所述旁通阀的旁通阀控制器，功能性连于电动机以实现多速运行的电动机控制器，可控制旁通阀和多速运行的主处理控制单元，位于压缩媒介通道上以信号形式测量压力变化和/或温度变化的测量装置，功能性连于主处理单元和测量装置以接收信号的信号转换器，且所述电动机控制器和旁通阀控制器功能性连于主处理单元以执行螺杆压缩机的容量控制。

附图简要说明

图1是本发明的系统的示意图。

图2是配有连于主控制器的旁通管的本发明的螺杆压缩机的部分截面图。

图3是示出驱动元件与主控制器的功能性连接的电动机驱动器的侧视图。

图4是示出本发明的旋转螺杆压缩机容量控制方法的流程图。

图5是对本发明的螺杆压缩机与由变频驱动器驱动的螺杆压缩机间效率损失进行比较说明的示意图。

具体实施方式

因此，本发明提供了利用对压缩空气或气体进行旁通与对压缩机电动机速度进行改变的组合来控制螺杆压缩机排气量的旋转螺杆压缩机系统和方法。本发明的系统的构造特点将参照图1-3说明。

首先，参照图1，即本发明压缩系统的示意图，其中旋转螺杆压缩机1由多速电动机2驱动以压缩气体或空气媒介并排出压缩媒介。

螺杆压缩机1包括转子壳，在该转子壳中公转子11和母转子12持续啮合旋转。气态媒介空气或气体经上游管道或进气管13进入转子壳，之后在从转子壳的吸气端输送至排气端期间被压缩至所需压力级。接着压缩空气或气体经后文所述压缩系统的各子部件网被输送至末端应用6。

本发明旁通结构的构造特点

从旁通口18延伸的旁通管14具有旁通阀10，所述旁通管14从螺杆压缩机的高压区延伸至低压区以循环气体或空气媒介。本发明的旁通阀可为本领域已知的竖直运行或旋转的阀，以提供经控制的媒介流。旁通阀控制器7是可控制旁通阀10的装置。阀控制器7是步进电动机或可驱动或传输驱动功能至旁通阀10的任何适当机械装置。本发明的旁通阀结构也可通过调整滑阀机构实现。

本发明电动机驱动结构的构造特点

具有轴的多速电动机2经适当传输组件19用作螺杆压缩机1的原动机。适当功率传输机构19包括电动机2的轴与公转子11的直接耦合或齿轮传动或皮带轮结构。多速电动机2一般配有内置电绕组网，适于如2极、4极、6极等不同极结构运行多速电动机2。考虑压缩机1的工作要求，电动机2的极结构可以启动特定极结构的特定速度运行。

电动机控制单元9连于电动机2以启动所需绕组结构，电动机控制单元9是步进电动机或可驱动或传输驱动功能至电动机2的任何适当机械装置或电接触器。

油分离箱3可收集压缩机1的压缩排出物，过滤压缩运行中由压缩气体或空气携带的残留油。但，可以理解，如果使用无油螺杆压缩机代替喷油式螺杆压缩机，则不必要求具有油分离箱。

存储容器5一般用作临时存储装置，用于存储压缩气体或空气，并在需要提供压缩空气或气体时进一步提供至末端应用6。

单向阀4位于油分离箱3和存储容器5之间，促进压缩空气或气体的单向流动。

多个传感装置(附图中未示出)位于存储容器5上。传感装置也可位于压缩机出口13a和末端应用6之间的排气通道中任何位置。传感装置为压力传感器，可感测压力级的变化并发射为模拟信号15。在本发明中，作为示例性实施例，感测是使用压力传感器执行的。但是也可使用温度传感器和压力与温度传感器的组合。使用气流传感器测量排出的压缩气体或空气的流速以生成相应信号15也属于本发明的范围。

信号转换接口部件20可将传感装置生成的模拟信号15转换为数字信号。转换的数字信号将被进一步传输至后文所述的主处理单元8。

主处理控制单元

本发明的主处理控制单元8是基于微型控制器的装置，具有控制各连接装置包括电动机控制单元9、旁通控制单元7的指令组。本发明使用的微型控制器是一般用于执行此类控制操作的装置。

主控制处理单元与旁通、电动机控制器的整合

主处理控制单元8经导电材料连于旁通控制单元7和电动机控制单元9。

使用本发明系统执行螺杆压缩机容量控制的方法

现在说明本发明螺杆压缩机容量控制的方法。

现参照本发明的压缩机控制压缩空气或气体的旁通气流与电动机2的多速以生成并调节压缩空气或气体流或输出的不同运行阶段来说明本发明的处理步骤。

初始化处理

现说明使用本发明系统控制螺杆压缩机1的排气量的方法。上述螺杆压缩机1以及控制元件和其它装置通电以执行空气或气体的压缩处理。开始时，基于微型控制器的主处理控制单元8装载有控制系统运行方面的指令组。

为了说明提出的无级容量控制系统的工作原理，作为示例性实施例，使用具有所需数量的极和实现三速(N1、N2和N3)的电绕组/结构的三速电动机2来执行本发明的螺杆压缩机1的容量控制。

主处理控制器的速度步进值赋值

考虑电动机2的速度结构后，分配至各称为N1、N2和N3的相应速度步进分别为每分钟1500转、1000转和750转。应注意N1的值始终最大，一般为加工期间提供至电机的速度最大值。一旦确定电动机2的最大速度值N1，相应减小的速度值为N2和N3。值N1、N2和N3用作主处理控制单元8的输入数据，使控制单元8可在螺杆压缩机1的运行各阶段调节电动机2的所需每分钟转数。可以理解此处N的值符合任何所选电动机的电动机速度结构。因此，N的值可在N1至Nn范围内变化。

主处理控制单元的压力值赋值

在任何给定基于压缩机的系统中，排气压力的变分是相关应用6对压缩空气或气体需求的函数。因此，必须控制压缩机运行各阶段中的所需压力。在本发明中，考虑到速度值N1、N2和N3，相应压力值以SP1、SP2和SP3形式作为输入数据赋予主处理控制单元8。

由于在运行期间始终监控本发明压缩机的排气压力，必须测量这些值为主控制单元8提供持续输入。如上所述，这些值由传感装置测量。给定时间点的排气压力值称为MP。

螺杆压缩机1开始运行后，将始终监控的MP压力值与压力值SP1、SP2和SP3比较，找出相符的值。MP值与SP1、SP2或SP3中的任一压力值相符时，电动机控制单元9通过从任一N1、N2或N3值中选择与SP1、SP2或SP3相应的每分钟转数使电动机速度产生变化。

基于上述初始化阶段，现说明本发明螺杆压缩机1系统的工作原理。运行期间，本发明螺杆压缩机系统执行于以下运行阶段中，即启动阶段、工作压力增加阶段和容量控制阶段。

启动阶段：

螺杆压缩机1的启动阶段中，电动机2的有效极结构可以最大可用速度运行电动机2，即电动机2以速度值N1运行。在此阶段，旁通阀10完全关闭，因为运行初始阶段为正常压力状态。

工作压力增加阶段：

可以理解压力值SP1称为螺杆压缩机1的正常工作压力。在工作压力增加阶段，主处理控制单元8以速度N1运行电动机2，旁通控制阀10处于完全关闭状态，直至持续监控的排气压力值MP等于SP1。

容量控制阶段：

工作压力增加阶段完成后开始容量控制阶段。只要末端应用6对压缩空气或气体的需求减少，就要求螺杆压缩机1在容量控制阶段下运行。在容量控制阶段，压力传感元件感测压缩空气或气体的压力，并生成信号15，以模拟信号形式输入模数转换器(ADC)20，之后提供至主处理控制单元8用于进一步处理。

现参照图4，说明主处理控制单元8的逻辑操作或指令组。

持续监控的压力值MP小于或等于SP1时，主处理控制单元8不生成电动机控制单元9和旁通控制单元7的任何信号，使得电动机继续以速度N1运行，旁通阀10处于完全关闭状态。

持续监控的压力值MP小于压力值SP2且大于压力值SP1时，主处理控制单元8生成旁通控制单元7的信号17，不生成电动机控制单元9的任何信号，使得电动机以最大速度N1运行。收到信号17时，旁通控制单元7打开旁通阀10直至MP值等于SP1值。

持续监控的压力值MP等于压力值SP2时，主处理控制单元8生成信号16和17。旁通控制单元7响应信号17完全关闭旁通阀10。阀10响应信号17关闭后，电动机控制单元9将电动机2的速度值改变为N2，即电动机2开始以速度N2运行。

持续监控的压力值MP小于SP3且大于SP2时，主处理控制单元8不生成信号16，仅生成信号17。旁通控制单元7响应信号17打开旁通阀10直至MP值等于SP1值。

持续监控的压力值MP等于SP3时，主处理控制单元8生成信号16和17。旁通控制单元7响应信号17完全关闭旁通阀10，之后电动机控制单元9响应信号17将电动机速度改变为速度值N3，即电动机2开始以速度N3运行。

持续监控的压力值MP大于SP3时，主处理控制单元8仅生成信号17，不生成信号16。旁通控制单元7响应信号17打开旁通阀10直至MP等于SP1。通过执行上述组操作，确保了本发明的螺杆压缩机的持续容量控制。

这里应注意，上述组操作是鉴于三速电动机说明的。本领域技术人员可以理解上述操作可根据压力以及电动机速度因素循环‘n’次。

本发明的系统也可省去用于旁通中间压缩空气或气体的旁通进口构件而执行。在此情况下，电动机的多速通过步进控制结构实现。在此结构中容量控制将分阶段进行。

说明了不使用VFD的本发明的螺杆压缩机的性能。影响压缩机系统总效率的因素是压缩机速度和电动机效率。因此，执行本发明的系统以优化这两个因素，使得压缩机的容量控制和效率得以改进。为了确定本发明压缩机提高的效率，与具有VFD的压缩机做了比较说明，其结果制成表1。但是，这里应注意实际上比较值是指示性的，因为这些值随压缩机的容量不同而变化。

表1

压缩机容量范围(％)	没有旁通气流结构且由具有VFD的标准单速电动机驱动的螺杆压缩机					具有内置式旁通气流结构且由多速电动机驱动的螺杆压缩机
										效率损失(％)					效率损失(％)
	速度(％)	VFD	电动机	压缩机	总计	速度(％)	电动机	压缩机	总计
										100	100	0	0	0	0	100	0	0	0
67	67	4	5	8	17	100	0	0	0
										66.5	67	4	5	8	17	67	0	8	8
50.5	51	4	10	12	26	67	0	12	12
										50	50	4	10	12	26	50	0	12	12
20	20	4	15	20	39	50	0	0	0

从以上表1可以看出，不使用VFD的本发明的压缩机比使用VFD运行的压缩机效率更高。例如，如果要求容量减少为80％，使用VFD的压缩机情况下，需要以理想速度的20％运行。但是在本发明压缩机中，同样容量减少80％，压缩机以设计速度的50％运行。

表1的结果鉴于压缩机容量(％)和总效率损失(％)绘于图5中，清晰示出了本发明压缩机提高的性能。

准备性能比较表1所做的假设：

1.100％指在给定的压缩机的最佳旋转速度下螺杆压缩机1的性能。

2.对任何供电频率的减少，VFD的效率损失被看作4％。

3.螺杆压缩机1由多速电动机2驱动时，认为没有电动机效率损失，因为这些电动机被特别设计为不同有效极结构或不同速度步进以相同效率运行。

4.螺杆压缩机1没有旁通气流结构且由配有VFD的标准单速电动机1驱动时，以低速运行时，电动机2的效率稍有下降，因为该电动机1为标准电动机，设计为仅在特定有效或设计极结构中效率最高。

5.螺杆压缩机1的速度从最佳或设计速度值减少40％时，螺杆压缩机1总效率减少假定为10％

6.性能比较表1中对给定范围20至100％给出的各数值已成比例计算。

性能比较表1中给出的各数值仅是指示性的，不同系统间数值可不同。

因此，本发明提供了执行螺杆压缩机容量控制的系统，所述系统包括：螺杆压缩机，所述压缩机由多速电动机驱动以压缩媒介，具有旁通阀的旁通进口构件，从螺杆压缩机的高压区延伸至低压区以循环气体媒介，功能性连于所述旁通阀的旁通阀控制器，功能性连于电动机以实现多速运行的电动机控制器，可控制旁通阀和多速运行的主处理控制单元，位于压缩媒介通道上以信号形式测量压力变化和/或温度变化的测量装置，功能性连于主处理控制单元和测量装置以接收信号的信号转换器，且所述电动机控制器和旁通阀控制器功能性连于主处理控制单元以执行螺杆压缩机的容量控制。

在本发明实施例的系统中，其中测量装置是压力或温度传感器。

在本发明另一实施例的系统中，其中空气或气体的压力通过螺杆压缩机移动处压缩机上的旁通进口构件具有正压。

在本发明又一实施例的系统中，其中螺杆压缩机没有旁通进口构件和旁通控制器。

本发明也提供了权利要求1要求的螺杆压缩机的容量控制方法，所述方法包括以下步骤：为压缩机设置多个压力值以及相应电动机速度值、测量压缩机的排气压力、比较排气压力值与预设压力值、排气压力值等于预设压力值时以最大速度初始运行多速电动机同时旁通阀关闭以输出压缩媒介，并通过主处理控制单元相对调节旁通阀和多速电动机的速度来控制压缩机的容量以获得压缩机的所需容量。

在本发明的另一实施例的方法中，其中通过测量排气压力、比较排气压力与预设压力值、以相应预设压力值的电动机速度值运行电动机并控制旁通阀以获得压缩机的所需容量来执行压缩机容量的控制。

在本发明的又一实施例的方法中，其中只要排气压力值等于预设压力值时，初始电动机速度值变化为相应预设压力值。

本发明的另一实施例的方法中，其中排气压力值不等于预设压力值时调节旁通阀的打开。

尽管已说明了目前被认为是本发明优选的实施例，对本领域技术人员来说很明显可对其做出各种改变与修正，而不背离本发明，因此本发明包括本发明真正精神和范围内的所有改变与修正。

本发明的优点

1.与具有VFD的系统相比生成的噪声较小。

2.由于没有使用VFD情况下对网的任何频率调节，供电网无变形。

3.系统成本低于具有VFD的系统成本约25至30％。

4.由于所有控制系统可被安装于压缩机和电动机机体自身，尺寸非常紧凑。

5.压缩系统的总运行效率更优于具有VFD的压缩系统约30至40％。

6.放气口气流区打开控制和电动机有效极控制的控制系统简便且独立运行。

7.有关技术没有VFD技术复杂。

Claims (8)

1.螺杆压缩机中执行容量控制的系统，所述系统包括：

(a)螺杆压缩机，所述压缩机由多速电动机驱动以压缩媒介，

(b)具有旁通阀的旁通进口构件，其从所述螺杆压缩机的高压区延伸至低压区以循环气体媒介，

(c)功能性连于所述旁通阀的旁通阀控制器，

(d)功能性连于所述电动机以实现多速运行的电动机控制器，

(e)设置为控制所述旁通阀和多速运行的主处理控制单元，

(f)位于压缩媒介通道上以信号形式测量压力变化和/或温度变化的测量装置，

(g)功能性连于所述主处理控制单元和所述测量装置以接收所述信号的信号转换器，且

(h)所述电动机控制器和旁通阀控制器功能性连于所述主处理控制单元以执行所述螺杆压缩机的容量控制。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述测量装置是压力或温度传感器。

3.如权利要求1所述的系统，其中在压缩机上空气或气体的压力经过所述螺杆压缩机移动处的所述旁通进口构件具有正压。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述螺杆压缩机不具有所述旁通进口构件和旁通控制器。

5.如权利要求1所述的螺杆压缩机中的容量控制方法，所述方法包括以下步骤：

(a)为所述压缩机设置多个压力值以及相应的电动机速度值，

(b)测量所述压缩机的排气压力，

(c)比较所述排气压力值与预设压力值，

(d)当所述排气压力值等于预设压力值时，以最大速度初始运转所述多速电动机，同时旁通阀关闭，以输出经压缩的媒介，和

(e)通过所述主处理控制单元相对调节所述旁通阀和多速电动机的速度来控制所述压缩机的容量，以获得所述压缩机的所需容量。

6.如权利要求5所述的方法，其中对所述压缩机容量的控制是通过以下步骤执行的：

(a)测量所述排气压力，

(b)比较所述排气压力与预设压力值，

(c)以与所述预设压力值相应的电动机速度值运转所述电动机，和

(d)控制所述旁通阀以获得所述压缩机的所需容量。

7.如权利要求6所述的方法，其中只要所述排气压力值等于预设压力值时，将初始电动机速度值变化为相应预设压力值。

8.如权利要求6所述的方法，其中当所述排气压力值不等于预设压力值时，调节所述旁通阀的打开。

Images