VFD vs винтовые компрессоры с фиксированной скоростью: какие детали не взаимозаменяемы

Краткий ответ: винтовой компрессор с частотным преобразователем (VFD) и машина с фиксированной скоростью того же размера имеют общий винтовой блок, маслоотделитель и большую часть трубопроводов — но это не одна и та же машина, и восемь групп деталей нельзя менять между ними: контроллер, датчик давления, приводной двигатель, кабели двигателя, впускной клапан, охлаждающий вентилятор, масляный контур (насос и настройка клапана минимального давления), и сам винтовой блок ниже его минимальной скорости.

Их смешивание обычно не останавливает машину полностью. Это приводит к работе компрессора, который держит давление, но тихо теряет производительность, перегревается на низких оборотах или разрушает подшипники. В этой статье объясняется, что VFD фактически меняет механически, какие детали должны оставаться со своим типом привода, и что проверять перед конвертацией агрегата с фиксированной скоростью.

Что VFD меняет физически, а не только электрически

Компрессор с фиксированной скоростью регулирует производительность загрузкой и разгрузкой: двигатель работает на сетевой частоте, впускной клапан открывается или закрывается, и машина чередует полный поток и его отсутствие. Машина с VFD в основном держит впускной клапан открытым и вместо этого меняет скорость двигателя, поэтому поток непрерывно следует за спросом.

Из этого следуют три физических последствия, и каждое решение по деталям исходит из них:

  • Скорость падает ниже расчётной точки. VFD может работать на 30 % от номинальной скорости. Поток масла от насоса с приводом от вала падает со скоростью, вентилятор на валу теряет почти весь охлаждающий эффект, и подшипники винтового блока получают меньше масла именно в момент, когда масло самое горячее.
  • Крутящий момент остаётся примерно постоянным. Ниже базовой скорости привод представляет собой нагрузку с постоянным моментом, поэтому ток остаётся высоким при падении скорости. Нагрев двигателя на единицу воздушного потока возрастает.
  • Давление контролируется в контуре. Контроллеру нужен непрерывный сигнал давления и команда скорости, а не контакт переключателя. Вот почему управляющий уровень меняется полностью.

Детали, которые нельзя взаимозаменять между двумя типами

Таблица ниже — практический ответ для тех, кто обслуживает смешанный парк или закупает запчасти. «Та же деталь» означает, что номер детали подходит для обоих; «разные» означает, что деталь должна соответствовать типу привода, даже если резьба, фланец или крепление выглядят идентично.

Группа деталейВерсия с фиксированной скоростьюВерсия с ЧРПЕсли их перепутать
Контроллер / ПЛКЛогика загрузки-разгрузки, цифровые выходыПИД-контур давления, аналоговый или шинный сигнал задания скорости, ограничение минимальной скоростиКонтур нестабилен или постоянно на минимальной скорости
Приводной двигательСтандартный асинхронный двигатель, вентилятор на валуИзоляция для частотного привода, независимый охлаждающий вентилятор, изолированные подшипники на крупных рамахПовреждение обмотки, токи подшипников, перегрев на низкой скорости
Кабель двигателяСтандартный 3-жильный плюс заземлениеЭкранированный кабель для ЧРП, заземление PE с обоих концов, выходной фильтр на длинных участкахОтраженные волновые скачки на клеммах двигателя, проблемы ЭМС с электроникой на объекте
Впускной клапанОткрытие/закрытие соленоидом загрузкиЧасто пропорциональный или модулирующий клапан, удерживаемый почти открытымСкорость и клапан противодействуют друг другу; давление колеблется
Охлаждающий вентиляторПривод от вала, скорость следует за двигателемНезависимый электрический вентилятор, управляемый термостатом или инверторомОтсутствие охлаждения на 30 % скорости; температура нагнетания растет
Масляный насос / смазкаНасос с приводом от вала, достаточный выше базовой скоростиНезависимый насос или контур, поддерживающий давление на минимальной скоростиНедостаточная смазка подшипников на низкой скорости, скачки температуры масла
Винтовой блокРассчитан на одну скорость и одну окружную скоростьПредел минимальной скорости задан смазкой подшипников и уплотнением роторовКонтакт роторов, износ уплотнений или отсутствие подачи масла к нагнетательной стороне

Уровень управления: где терпят неудачу большинство проектов по принципу «должно работать»

Установка частотного преобразователя на контроллер с фиксированной скоростью без изменения уровня управления даёт компрессор, который большую часть времени работает на одной скорости. Причина проста: оригинальный контроллер воспринимает давление в ресивере через сигнал вкл/выкл. У него нет возможности выразить команду «работай чуть медленнее».

Правильный уровень управления для VSD требует четырёх элементов:

  • Непрерывный сигнал давления на нагнетании или в ресивере, с диапазоном датчика, соответствующим рабочему давлению. Датчик на 16 бар на машине с давлением 8 бар теряет большую часть своей разрешающей способности.
  • Диапазон давления, а не уставка. Обычно это диапазон 0,3–0,6 бар; слишком узкий — привод «охотится», слишком широкий — колебания давления доходят до инструментов.
  • Минимальный предел скорости, взятый от производителя винтового блока, а не из возможностей привода. Ниже него ухудшаются поток масла и уплотнение роторов.
  • Время разгона/торможения, учитывающее возможности привода и технологический процесс. Быстрый разгон на нагрузке с постоянным моментом вызывает срабатывание по перетоку; очень медленный разгон приводит к просадке давления до того, как скорость наберётся.

Наша статья о PLC-контроллерах в системах винтовых компрессоров подробнее раскрывает тему сигналов, а ассортимент контроллеров показывает, как выглядит блок, разработанный под конкретную машину.

Chart of oil pump flow and cooling fan flow against motor speed, showing the minimum speed zone below 35 percent
Рисунок 1: расход масла падает линейно со скоростью, но вентилятор с приводом от вала теряет почти весь свой воздушный поток.

Смазка и охлаждение на низких оборотах: реальный механический предел

Снижение скорости часто описывается как энергосберегающая мера. С механической точки зрения это проблема смазки. При 30 % скорости:

  • масляный насос с приводом от вала обеспечивает примерно 30 % своего проектного расхода;
  • вентилятор с приводом от вала обеспечивает менее 15 % своего проектного воздушного потока, потому что расход вентилятора падает быстрее, чем скорость;
  • время пребывания масла в баке маслоотделителя увеличивается, что хорошо для сепарации, но повышает вероятность задержки конденсата в масле.

Именно это сочетание является причиной, по которой машины с ЧРП либо приводят вентилятор и масляный насос независимо, либо устанавливают минимальную скорость достаточно высокой, чтобы версии с приводом от вала все еще работали. Если машина была переоборудована, и температура нагнетания повышается всякий раз, когда она работает на низких оборотах, то вентилятор обычно является первой деталью, которую меняют, затем — масляный контур.

Клапан минимального давления также относится к этому вопросу. Его настройка определяет давление в баке маслоотделителя, а эффективность сепарации зависит от этого давления. На машине с ЧРП, работающей с низким расходом, этот клапан выполняет больше работы, чем на машине с фиксированной скоростью, и мягкая пружина проявляется в виде уноса масла при низком спросе — симптом, который выглядит как вышедший из строя элемент маслоотделителя, но таковым не является. Механические подробности изложены в нашем руководстве по смотровому стеклу, обратному клапану и клапану минимального давления.

Электрическая сторона: двигатель, кабель и воздействие привода на них

Частотный преобразователь не выдает синусоидальную волну. Он генерирует импульсную последовательность с крутыми фронтами, и эти фронты достигают клемм двигателя в виде скачков напряжения, которые на длинных кабельных трассах могут достигать удвоенного напряжения шины постоянного тока. Три практических следствия:

  1. Двигатель должен быть предназначен для работы с инвертором. Стандартные двигатели часто выживают, но нагрузка на изоляцию плюс нагрев от гармонических составляющих сокращают срок службы обмоток — особенно на машинах, которые часами работают на низкой скорости, когда вентилятор на валу почти не перемещает воздух.
  2. Токам подшипников нужен путь. На крупных рамах синфазное напряжение гонит ток через подшипники и разъедает дорожки качения. Стандартное решение — изолированные подшипники на неприводном конце или токосъемное кольцо на валу.
  3. Кабель является частью конструкции. Экранированный кабель с заземлением экрана с обоих концов, отдельный заземляющий проводник, а также выходной фильтр или дроссель на длинных трассах. Экраны и приборы, размещенные в одном лотке с неэкранированным силовым кабелем, — классический источник ложных неисправностей.

Ничего из этого не фигурирует в спецификации запчастей, и именно поэтому модернизации, копирующие механическую ведомость материалов, терпят неудачу на электрической стороне.

Контрольный список перед модернизацией машины с фиксированной скоростью

Если цель — запустить существующий агрегат с фиксированной скоростью через ЧРП, проработайте этот список перед покупкой чего-либо. Любой ответ «нет» означает изменение конструкции, а не схемы подключения.

ПроверкаТребование
Минимальная скорость винтового блокаДокументировано производителем винтового блока; ниже не опускаться
Подача масла на минимальной скоростиПроверены давление и расход, или установлен независимый насос
Охлаждение на минимальной скоростиНезависимый вентилятор или регулируемый привод вентилятора
Изоляция и охлаждение двигателяДвигатель для инверторного управления, независимый вентилятор, защита подшипников
Возможности контроллераPID-контур, аналоговый или шинный выход, параметр минимальной скорости
Тип датчикаНепрерывный преобразователь, правильный диапазон
Кабель и заземлениеЭкранированный кабель двигателя, фильтр на длинных участках, одноточечное сигнальное заземление
Поведение впускного клапанаУдерживается открытым или модулирует с определенной зависимостью от скорости
Продувка и клапан минимального давления (MPV)Правильная настройка для диапазона давления, удержание седла

Стратегия запасных частей для смешанного парка

Предприятия, эксплуатирующие оба типа компрессоров, обычно хранят слишком много неподходящих запчастей. Два правила позволяют сократить их количество:

  • Объединяйте «мокрую» часть, разделяйте систему управления. Элементы, фильтры, клапаны и датчики, не несущие логики управления, часто могут быть общими для обоих типов в рамках одной платформы. Контроллеры, преобразователи и параметры привода — нет, даже если разъёмы совпадают.
  • Маркируйте каждую деталь типом привода. Фильтрующий элемент, подходящий для обоих типов — это нормально; контроллер, который физически подходит к обоим — это ловушка. Указывайте тип привода на этикетке ячейки склада, а не только серийный номер машины в таблице.

Для смешанного парка наиболее целесообразно иметь на складе детали уровня управления и системы охлаждения, специфичные для каждого типа привода: контроллер, датчик давления, мотор вентилятора, а для VSD-агрегатов — охлаждающий вентилятор привода и фильтрующие маты. Механические детали можно заказать по плану; контроллер — нет.

Если вы не уверены, к какому варианту относится номер детали, хорошей отправной точкой являются ассортимент датчиков и преобразователей и карта диагностики неисправностей, а ассортимент воздушных фильтров показывает, как одна платформа использует общие детали «мокрой» части для разных типов привода.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли установить частотный преобразователь на существующий винтовой компрессор с фиксированной скоростью?

Иногда, но это перепроектирование, а не дополнение. Необходимо решить вопросы минимальной скорости винтового блока, подачи масла на низких оборотах, вентилятора охлаждения, изоляции двигателя и способности контроллера поддерживать контур давления. Модернизация, которая лишь добавляет частотный привод, обычно в итоге работает на фиксированной скорости с дополнительными потерями или перегревается при малой нагрузке.

Винтовой блок одинаковый на обоих типах?

Часто это та же отливка и набор роторов на одной платформе, но отличаются ограничение минимальной скорости и иногда схема смазки подшипников. Версия с ЧРП рассчитана на работу на низких оборотах без потери масляной плёнки или герметичности роторов. Установка ЧРП на винтовой блок без задокументированной минимальной скорости — это начало повреждения подшипников.

Почему мой компрессор с ЧРП расходует больше масла, чем соседний с фиксированной скоростью?

На низкой скорости в маслоотделителе наблюдается более низкое давление и скорость потока. Если настройка клапана минимального давления мягкая или отверстие обратного клапана возврата масла засорено, масло уходит с воздухом. Проверьте давление, которое удерживается в баке при минимальном потреблении, прежде чем винить элемент.

Для машин с ЧРП требуется другое масло?

Не обязательно другой марки, но к нему предъявляются иные требования: более длительное пребывание в ресивере, больший контакт с конденсатом при частичной нагрузке и меньший расход масла на низких оборотах. Следуйте рекомендациям руководства по эксплуатации машины по вязкости и интервалу замены, и проводите анализ масла вместо того, чтобы по привычке увеличивать интервалы.

Что выходит из строя первым при использовании контроллера для компрессора с фиксированной скоростью на машине с частотным приводом (VFD)?

Частотный привод, из-за повторяющихся срабатываний защиты от перегрузки по току или перенапряжения, поскольку контроллер командует загрузкой и разгрузкой вместо плавного регулирования скорости. После этого из-за чрезмерного количества циклов изнашиваются контакторы и соленоид впускного клапана. Механические детали обычно показывают проблему в последнюю очередь.

Оба типа используют одинаковый впускной клапан?

Поведение редко бывает одинаковым. Машины с фиксированной скоростью используют клапан открытия/закрытия, управляемый соленоидом загрузки; машины с VFD часто удерживают клапан почти открытым и модулируют скорость или используют пропорциональный клапан. Замена может привести к колебаниям давления, поскольку и скорость, и клапан пытаются управлять одним и тем же параметром.

Эти ответы охватывают типичные случаи. Конкретные ограничения для вашей машины всегда указаны в руководстве по эксплуатации данного агрегата.

Подбор запчастей по типу привода

Сообщите модель, тип привода и нужную деталь — мы подтвердим, совпадает ли артикул для фиксированной и регулируемой скорости, до вашего заказа.