高效运行多台VFD空气压缩机的控制策略

迄今为止，世界上螺杆式空气压缩机最重要的发展是采用电子变频驱动器（VFD）进行变速控制。如果在系统中添加控制良好的VFD，则在部分负载下至少有一台空气压缩机运行的系统几乎总是可以更高效地运行。但是如果一个系统有两个或更多的VFD单元呢？本文讨论了控制多台VFD空气压缩机所面临的挑战，并提出了一些解决方案。

为什么要使用VFD空气压缩机？

自螺杆式空压机问世以来，多年来已投入了数百万美元的研究和设计工作，用于优化螺杆式空压机。在过去的几年里，转子型线的创新，元件转速的改变，内部流道的优化，电机效率的升级和更多的变化都提高了螺杆式空压机的效率。

压缩空气与天然气研究所（CAGI）性能数据表的引入无疑有助于空气压缩机购买者确定他们正在考虑购买的机器将消耗多少功率。这些数据表显示了比功率、一种“汽油里程”额定值以及其他重要参数，以便进行比较。这些数据表包含用户在单台或多台配置下操作定速和VFD空气压缩机时需要注意的重要信息。

考虑一个样本100马力（HP），125 PSI额定，空冷喷油空压机（数据未示出）。该空气压缩机型号在压力高达125 psig时提供全气流，但在115 psig下进行了测试。在这个压力下，它在每100立方英尺18.2千瓦的比功率下，消耗89.9千瓦的总功率时，提供其测量的494 acfm流量。重要的是要了解这些数字仅在全气流和115 psig的试验排放压力下有效。如果在125 psig的压力下运行，该定速空气压缩机将消耗约3%的功率，并提供稍少的流量。本表中未报告部分负载下的运行特性。

图1显示了来自同一制造商的100 hp VFD控制的风冷喷油空气压缩机的测试数据。我们可以看到，该装置已在125 psig排放压力下进行了测试，比定速空气压缩机高10 psi，并且在最小和最大速度之间有五个测试点的距离稍微相等。

图1:100 hp VFD空气压缩机CAGI数据表摘录显示了该125 psi额定空气压缩机速度曲线五点处的效率。突出显示的额定值比文章中提到的定速空气压缩机效率更高。该曲线在接近最低速度时效率显著降低。

我们可以看到，该空气压缩机在其整个运行范围内没有恒定的比功率；随着主电机转速的降低，效率降低。如果该空气压缩机在带有多个VFD空气压缩机的系统中运行，则该曲线的形状具有影响。

有观察力的读者可能会注意到一些有趣的事情，这种特殊的VFD空气压缩机具有更高的流量，消耗更多的功率，但在其曲线的某些部分比前面提到的比较定速空气压缩机具有更好的效率。这表明，由于驱动损耗，VFD空气压缩机在满载时的效率总是低于定速空气压缩机这一非常普遍的说法并不总是如此。然而，如果我们看一看图2，图中显示的是不同设计的VFD空气压缩机，但来自同一家公司，我们看到曲线是浴缸形状的，只有曲线的中间部分比定速空气压缩机效率更高。这表明，所有VFD空气压缩机并不相同；有许多特征曲线，每一条都稍有不同。这些差异意味着一种类型的VFD空气压缩机可能需要不同于另一种类型的控制。

图2:100 hp VFD空气压缩机CAGI数据表摘录显示了不同型号空气压缩机速度曲线五个点的效率。突出显示的额定值比文章中提到的定速装置更有效。此曲线具有平坦的浴缸形曲线，在中等速度范围内效率更高。点击在这里放大。

VSD控制可提高部分负载效率

对于定速空压机，如前所述，制造商从未报告过部分负载效率。如果我们想要创建特征曲线，我们必须考虑各种因素，如有效存储接收器的大小，压力带宽，泄放时间，和卸载功耗，并自己计算。

图3显示了典型的负载/卸载定速空压机在20秒排空、10psi宽压力带、1、2、5和10加仑/ cfm储气量下全范围运行的平均功率。我们看到具体的功率曲线底部的图,如果这个空气压缩机运行在40%的平均加载两加仑cfm存储,它会有一个特定的权力全负荷值的两倍,约36千瓦/ cfm,远高于任何最严重的特定权力的号码在图1和图2。我们可以看到，定速空压机在轻负荷时的效率不如VFD，但在曲线的最高流量时却比图2中的空压机效率高。这些计算表明了VFD空压机控制的最大优势，与负载/卸载控制相比，VFD空压机控制的部分负载效率要高得多。

图3：所示为具有不同存储接收器尺寸的加载/卸载定速空气压缩机的功率与流量。最常见的尺寸约为每cfm空气压缩机容量两加仑。底部的特定功率曲线适用于此尺寸的存储接收器。除了较高的操作范围外，部分负载操作的效率远远低于VFD控制。点击在这里放大。

典型的多台空气压缩机控制

典型的多定速单元空压机控制策略采用协调局部控制，将空压机设置在如图4所示的层叠叠合压力带中。

在该方案中，当仅需要一台空气压缩机来满足系统流量时，具有最高压力设定值的机组在部分负荷下运行，其他机组超时，并通过自动控制关闭。如果需要两台空气压缩机时，负荷增加，系统压力下降至第二台机组的负荷/启动点，然后它将成为配平机，承载部分负荷，2号空气压缩机加载和卸载。如果需要三台空气压缩机，则继续进行相同的操作；设置最高的两台机组将满负荷运行，第三台空压机将进行微调。当载荷减小时，情况正好相反。

图4:所示是用于多个定速空压机的典型级联控制。如果在有多个变频调速装置的系统上使用，可能会出现一些不理想的情况，比如在红线点，两台变频调速空气压缩机将以最低速度运行，其中一台可以处理流量。(资料来源:压缩空气挑战赛)

如果所有的空压机都具有相同的部分负载效率，那么这种方案是足够的，但系统通常在低负载时承受高于预期的平均压力，在高流量时承受低于预期的压力。

如果将VFD空气压缩机引入系统，则会出现问题。使用VFD控制，理想的条件是可变空气压缩机始终是微调装置，固定速度空气压缩机满载或关闭运行。这意味着控制方案不能设置为典型的级联布置，其中所有空气压缩机一次分担一个配平负荷。如果VFD目标设定点嵌套在定速空气压缩机的重叠压力带内，则需要不同的布置。这一新方案要求VFD比基本装置大30%左右，否则将出现不希望出现的控制间隙，空气压缩机将争夺控制权。该问题通常导致操作员通过在级联协调系统中安装多个VFD来纠正这种情况。但这也会导致不良结果。

考虑系统压力在红线上的情况，如图4所示，空气压缩机1号和2号是VFD单元。压力带的底部是VFD的目标压力。因此，空气压缩机将尝试加速或减速，以保持该设置下的压力恒定。随着系统流量下降，2号空气压缩机将达到其最低速度限制，通常是其最低效率点，系统压力将继续升高。如果流量下降足够多，1号空气压缩机也将达到其最低速度，也是其最低效率点。由于压力带重叠，1号和2号空气压缩机将以最低速度运行，约为满载容量的20%。在这种情况下，20%乘以2只等于一台空气压缩机的40%。这意味着将运行一台不必要的VFD空气压缩机。如果两台空气压缩机都恰巧有如图1所示的曲线，则结果是系统效率显著降低。

该问题的一个解决方案是堆叠VFD空气压缩机的压力带，使其不会重叠，但这意味着当工厂流量增加到需要两台空气压缩机的位置时，其中一台VFD机组将处于满负荷，另一台处于部分负荷。根据空气压缩机的特性曲线，如图2中的曲线所示，可能不希望第一台机组满负荷运行。在这种情况下，将有两个不同的压力水平，一个位于1号空气压缩机的目标位置，另一个位于2号空气压缩机的目标位置。当在1号空气压缩机目标设定值下运行时，系统压力将不必要地高，浪费功率，并由于人为需求导致流量高于预期。

单压力带智能控制

为了避免协调问题，最好使用智能系统控制器来协调系统空气压缩机的正确操作，如图5中的方案，其中所有空气压缩机使用单一压力带。

一般来说，在任何单个系统中，优化控制只需要一个尺寸合适的VFD空气压缩机。在这种情况下，VFD空气压缩机始终需要处于配平位置，承担部分负载，所有其他定速空气压缩机处于满载或关闭状态。大多数现代中央控制器都有能力实现这种控制方法，如果VFD空气压缩机的尺寸正确，将以良好的效率实现充分的控制。但也可能出现一些可能导致不理想操作的情况。这些是：

• 微调VFD空气压缩机始终以最低速度运行。
• VFD空气压缩机在其曲线的低效部分运行。
• 系统气流始终运行在两台空压机容量的边缘，随着负荷的变化导致空压机不理想的启动和停止。

图5：中央控制器将启用最低压力操作，并在单个窄带内协调空气压缩机的操作，最好使用VFD空气压缩机，在单个目标点进行控制。（来源：压缩空气挑战赛。）

在具有这些条件的系统中，需要一些特殊的智能控制能力，设计要求将VFD和定速空压机的多个尺寸组合提供给控制器。一些特别设计的控制器可以使用空气压缩机的大小组合来混合和匹配机器，以保持系统运行的优化。这些控制器通常具有以下特点:

• 该系统能够在一个目标设定值控制固定速度和VFD空压机。
• 各种空气压缩机效率、气流和功率特性都被编程到控制器中。
• 控制器根据空气压缩机状态计算总系统流量。
• 控制器比较系统流量，找到空气压缩机的最佳组合，以最好地满足气流。
• 有些机器学习可能是可用的，控制器可以识别重复的条件，例如在每个工作日的某个时间，并预测对某种空气压缩机组合的需求，以避免较大的压力峰值或低谷。
• 这种类型的最佳控制器具有监控系统，允许操作员跟踪系统KPI，以确保实现最佳效率。

例如，在图6中，压力和安培图显示了智能系统控制器如何协调两个不同尺寸和特性的VFD空气压缩机的运行（有第三个定速备用）。

在低负荷期间，仅运行一个尺寸的VFD空气压缩机或另一个尺寸的机组是有意义的。控制器会自动执行此操作，但会观察系统流量，并根据需要更换较大或较小的空气压缩机。如果流量增加到需要两个空气压缩机的地方，则控制器将允许空气压缩机在变速带的中间部分分担负载，其中效率最好，通常在40至80%的流量之间（但取决于空气压缩机曲线）。

图6：一个示例操作显示了三台空气压缩机系统的协调，其中两台是VFD控制的。空气压缩机特性被编程到控制器中，并允许一个或另一个空气压缩机或两个空气压缩机在条件变化时进行最佳操作。点击在这里放大。

并非所有VFD空气压缩机都相同

在大多数系统中，与定速空气压缩机系统相比，一个或多个VFD空气压缩机的存在可提高效率。这是由于VFD空气压缩机具有出色的部分负载效率。但重要的是要认识到，所有VFD空气压缩机并不相同，并且有许多不同的特性曲线。

最佳的控制类型是通过中央智能空压机控制，根据负载条件自动选择最佳的空压机组合和最佳操作范围。了解空压机的特点，这种类型的系统通过更有效地运行空压机，在最佳的负载条件下，降低系统压力，从而降低空压机功率和人工需求，保持系统比功率低。

有关本文的更多信息，请联系马歇尔压缩空气咨询公司的Ron Marshall，电话：204-806-2085；电邮：ronm@mts.net．

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