空压机变频驱动控制一体机以及空压机变频驱动控制系统

摘要

本申请公开了空压机变频驱动控制一体机以及空压机变频驱动控制系统，该一体机内部集成有整流单元、缓冲电阻、可控开关、开关驱动电路、储能单元、第一逆变单元、第二逆变单元、工频变压器、控制单元和母线电压检测电路，其中：整流单元的电能输出端在串接由缓冲电阻和可控开关的开关触点组成的并联结构后接储能单元的电能输入端，储能单元的电能输出端接入两个逆变单元；控制单元分别与两个逆变单元、母线电压检测电路和开关驱动电路相连；开关驱动电路另一端接可控开关的控制端；工频变压器一次侧接整流单元的电能输入端，二次侧用于向电磁开关线圈输出电能。本申请减小了空压机变频驱动控制系统的体积、降低了系统成本、提升了系统整体美观性。

说明书

技术领域

本发明涉及空压机控制及应用技术领域，更具体地说，涉及空压机变频 驱动控制一体机以及空压机变频驱动控制系统。

背景技术

目前，空气压缩机(简称空压机)的变频驱动控制系统主要是以第一变 频器和第二变频器为中心，并配有供电源、控制单元及其他一系列外围设备， 其中：所述第一变频器用于驱动空压机的主机，所述第二变频器用于驱动空 压机的油冷风机，这两个变频器在结构和功能上彼此独立；所述控制单元内 置有空压机系统控制软件，是控制整个空压机运行工作的大脑。

但是，上述变频驱动控制系统组成部件较多、布线比较复杂，使得系统 整体美观性不足；同时，整个变频驱动控制系统还存在体型庞大、成本偏高 的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了空压机变频驱动控制一体机以及空压机变频驱 动控制系统，以减小空压机变频驱动控制系统的体积、降低系统成本以及提 升系统整体美观性。

一种空压机变频驱动控制一体机，所述一体机内部集成有整流单元、缓 冲电阻、可控开关、开关驱动电路、储能单元、第一逆变单元、第二逆变单 元、工频变压器、内置有空压机系统控制软件的控制单元以及用于测量直流 母线电压的母线电压检测电路，其中：

所述整流单元的电能输出端在串接由所述可控开关的开关触点和所述缓 冲电阻组成的并联结构后接入所述储能单元的电能输入端；

所述储能单元的电能输出端接入所述第一逆变单元和所述第二逆变单元 的电能输入端；

所述第一逆变单元的电能输出端用于连接空压机的主机；所述第二逆变 单元的电能输出端用于连接空压机的油冷风机；

所述控制单元分别与所述第一逆变单元、所述第二逆变单元、所述母线 电压检测电路和所述开关驱动电路存在控制连接；所述开关驱动电路的另一 端接所述可控开关的控制端；

所述工频变压器的一次侧接所述整流单元的电能输入端，其二次侧用于 向空压机中的各电磁开关的线圈输出电能。

其中，所述控制单元包括多个处理器，各处理器之间彼此交换数据。

可选地，所述第一逆变单元和所述逆变单元均各自内置有一个辅助电源， 这两个辅助电源除用于为其各自所属的逆变单元内部的低电压组件供电外， 还用于为所述第一逆变单元和所述第二逆变单元外部的低电压组件供电。

可选地，所述一体机内部还集成有：串联在所述整流电路的电能输出端 与所述储能单元的电能输入端之间的直流电抗器。

可选地，所述一体机内部还集成有：连接在所述整流单元的电能输入端 与所述控制单元之间的输入缺相采样电路和/或电量检测组件。

可选地，所述一体机内部还集成有连接在所述工频变压器二次侧和所述 各电磁开关的线圈之间的电压选择电路，其中：所述工频变压器的二次侧绕 组引出有多个抽头；所述电压选择电路包括多个电压选择端子和多个可控开 关，所述电压选择端子的数量与所述抽头的数量相等，每一个所述抽头各自 接入一个所述电压选择端子后并联，并联点再分别经过所述多个可控开关接 入所述各电磁开关的线圈。

一种空压机变频驱动控制系统，包括如上述公开的任一种空压机变频驱 动控制一体机，以及安装在所述一体机外部、且均与所述一体机内部集成的 控制单元相连的人机交互设备、第一压力传感器和第一温度传感器，其中：

所述第一压力传感器用于获取空压机排气管道的气体压力的实测值；

所述第一温度传感器用于获取空压机机头油气温度的实测值。

可选地，所述空压机变频驱动控制系统设置有与所述人机交互设备相连 的远程控制模块，其中：所述远程控制模块集GPRS模块和GPS模块功能于一 体，用于实现远程通信及定位。

可选地，当空压机设置有主机风扇时，所述空压机变频驱动控制系统还 包括：连接在所述整流单元的电能输入端与所述控制单元之间的相序检测电 路；以及串联在所述主机风扇的供电线路上的接触器，其中，所述接触器的 通断受所述控制单元控制。

可选地，所述人机交互设备具有与其他空压机变频驱动控制系统中的人 机交互设备进行通讯的通讯接口。

从上述的技术方案可以看出：一个现有变频器的基本组件至少包括整流 单元、缓冲电阻、可控开关、储能单元和逆变单元，而本发明通过设计第一 逆变单元和第二逆变单元共直流母线，从而在节省一路整流单元、缓冲电阻、 可控开关和储能单元的情况下构建出了两个等效变频器，实现了通过提高组 件综合利用率来降低系统成本、减小系统体积的目的。并且，一体机的设计 还能够使系统集成度更高、体积更小、布线也更加简洁；也正因为没有了杂 乱的布线，系统整体美观性也获得了很大提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种空压机变频驱动控制一体机结构示意图；

图2为本发明公开的又一种空压机变频驱动控制一体机结构示意图；

图3为本发明公开的一种空压机变频驱动控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种空压机变频驱动控制一体机，以减小 空压机变频驱动控制系统的体积、降低系统成本和提升系统整体美观性，所 述一体机内部集成有整流单元101、缓冲电阻R1、可控开关KM1、开关驱动 电路102、储能单元103、第一逆变单元104、第二逆变单元105、工频变压 器204、内置有空压机系统控制软件的控制单元106以及用于测量直流母线电 压的母线电压检测电路107，其中：

整流单元101的电能输出端在串接由可控开关KM1的开关触点和缓冲电 阻R1组成的并联结构后接入储能单元103的电能输入端；

储能单元103的电能输出端接入第一逆变单元104和第二逆变单元105 的电能输入端，即第一逆变单元104和第二逆变单元105共直流母线；

第一逆变单元104的电能输出端用于连接空压机的主机；第二逆变单元 105的电能输出端用于连接空压机的油冷风机；

控制单元106分别与第一逆变单元104、第二逆变单元105、母线电压检 测电路107和开关驱动电路102存在控制连接；开关驱动电路102的另一端 接可控开关KM1的控制端；

工频变压器204的一次侧接整流单元101的电能输入端，其二次侧用于 向空压机中的各电磁开关的线圈输出电能。

为方便区分，图1中用带箭头的粗实线表示主回路、用带箭头的细实线 表示通讯线路或弱电信号回路，箭头方向代表信号传输方向。图1所示空压 机变频驱动控制一体机的工作原理如下：

空压机开机上电后，输入的380V三相交流电经整流单元101整流成直流 电，所述直流电通过缓冲电阻R1给储能单元103中的母线电容充电；与此同 时，母线电压检测电路107在线测量所述母线电容两端电压，并将测量结果 送入控制单元106；控制单元106在检测到所述母线电容充电到预设电压时， 通过开关驱动电路102控制可控开关KM1的线圈得电，线圈得电后产生电磁 吸力推动或拉动可控开关KM1的开关触点闭合，使得缓冲电阻R1被短路， 从而避免缓冲电阻R1分压而造成母线电容两端电压偏低，其中：

缓冲电阻R1用于防止系统开机上电后出现过大的电流上升率而烧坏器 件；储能单元103包括所述母线电容和均压电阻，所述母线电容通常采用多 个电解电容串并联的结构，主要用于整流后的储能和滤波，每一个所述电解 电容都并联有一个所述均压电阻，所述均压电阻的作用在于利用分压原理使 得各个电解电容两端电压均等，在市电断电时，所述均压电阻还用于给所述 母线电容放电。

当可控开关KM1的开关触点闭合后，一体机开始正式运行来驱动空压机 的主机和油冷风机，具体为：上述母线电容两端电压会同时施加在第一逆变 单元104和第二逆变单元105的电能输入端，该电压又称为直流母线电压， 这种电路连接状态称为第一逆变单元104和第二逆变单元105共直流母线； 基于该电路连接状态，第一逆变单元104在控制单元106的控制下，将储能 单元103输出的直流母线电压转换成交流变频输出，驱动主机；同时第二逆 变单元105在控制单元106的控制下，将储能单元103输出的直流母线电压 转换成交流变频输出，驱动油冷风机。

控制单元106内置的空压机系统控制软件至少包括开关控制逻辑、主机 逆变控制算法和风机逆变控制算法，此外还可包括温度PID调节器和压力PID 调节器等，其中：

1)所述开关控制逻辑用于在检测到母线电压检测电路107测得的电压值 达到所述预设电压时，通过开关驱动电路102控制可控开关KM1的开关触点 闭合。

2)所述主机逆变控制算法用于通过控制第一逆变单元104的输出频率和 启停，来控制主机的转速和启停；与此同时，所述压力PID调节器根据空压 机排气管道的气体压力的实测值与期望值之间的偏差来调节第一逆变单元 104的输出频率，如果实测值高于期望值则令主机转速降低，如果测量值低于 期望值则令主机转速增加，以保证供气压力恒定；其中，所述空压机排气管 道的气体压力的实测值可以由位于一体机外部的第一压力传感器203获取(仍 参见图1)；

3)所述风机逆变控制算法用于通过控制第二逆变单元105的输出频率， 来控制油冷风机的转速和启停；以此同时，所述温度PID调节器根据空压机 机头油气温度的实测值与期望值之间的偏差来调节第二逆变单元105的输出 频率，如果实测值高于期望值则令油冷风机转速增加，如果测量值低于期望 值则令油冷风机转速降低，以保证润滑油温度稳定在一定范围；其中，所述 空压机机头油气温度的实测值可以由位于一体机外部的第一温度传感器202 获取(仍参见图1)。

工作人员可以通过安装在一体机外部的人机交互设备201(仍参见图1)来 输入一体机内部运行参数(如压力PID调节器的运算参数、温度PID调节器 的运算参数等)的给定值和输入启停控制信号等，以控制整个空压机运行工 作；同时控制单元106还可以通过人机交互设备201实时输出一体机内部运 行状态的实际值，如第一逆变单元104的输出频率、第二逆变单元105的输 出频率、空压机的运行时间等等，方便工作人员监控。其中，人机交互设备 201可以采用键盘和显示器的组合结构，也可以采用触摸屏，并不局限。

图1所示一体机为空压机变频驱动控制系统内的核心模块，安装在一体 机外部的第一压力传感器203、第一温度传感器202、人机交互设备201同样 属于空压机变频驱动控制系统的重要组成部件。

由上述对图1所示一体机的结构及工作原理的描述可知，相较于采用两 个结构和功能彼此独立的变频器的现有技术，本实施例用整流单元101、缓冲 电阻R1、可控开关KM1、储能单元103和第一逆变单元104作为基本组件来 驱动主机，同时用整流单元101、缓冲电阻R1、可控开关KM1、储能单元103 和第二逆变单元105作为基本组件来驱动油冷风机。相较于现有技术，本实 施例复用整流单元101、缓冲电阻R1、可控开关KM1和储能单元103，使第 一逆变单元104和第二逆变单元105共直流母线，提高了组件综合利用率， 有助于降低系统成本、减小系统体积。并且，一体机的设计，还能使空压机 变频驱动控制系统集成度更高、体积更小、布线也更加简洁；也正因为没有 了杂乱的布线，系统整体美观性也获得了很大提升。

其中，为保证供电的可靠性，第一逆变单元104、第二逆变单元105可以 各自内置一个辅助电源，用于为各自所属逆变单元中的低电压组件提供低压 稳压直流电，这两个辅助电源均从储能单元103中取能。此外，这两个分别 集成于两个逆变单元中的辅助电源除还可以用于为第一逆变单元104和第二 逆变单元105外部的全部或部分低电压组件供电，而不必再额外为其设置辅 助电源，这种将辅助电源和变频一体化的设计，使系统集成度更高，体积更 小，布线更简洁。举例说明：利用第一逆变单元104内的辅助电源为人机交 互设备201、第一压力传感器203等低电压组件供电；同时利用第二逆变单元 105内的辅助电源为开关驱动电路102、母线电压检测电路107、控制单元106 等低电压组件供电。

其中，控制单元106可以仅采用一个处理器，但一个处理器工作负担较 重，运算速度慢，而如果直接将其替换成一个高性能处理器的话又存在高性 能处理器购买成本太高的问题；因此，本实施例推荐控制单元106采用多个 处理器，各处理器之间彼此交换数据，其优点是可以减小单个处理器的工作 负担，提高单个处理器的运算速度，且所述多个处理器总的购买成本要低于 一个高性能处理器的购买成本。

可选地，仍参见图1，所述一体机内部还集成有：串联在整流单元101的 电能输出端和储能单元103的电能输入端之间的直流电抗器L1，用于降低交 流输入谐波，提高交流输入功率因数值。

可选地，仍参见图1，所述一体机内部还集成有连接在工频变压器204的 二次侧和所述各电磁开关的线圈之间的电压选择电路110，其中：电压选择电 路110用于在人工操作下，选择工频变压器204向所述各电磁开关的线圈进 行供电的电压大小。具体的，工频变压器204的二次侧绕组引出有多个抽头， 电压选择电路110包括多个电压选择端子和多个可控开关，所述电压选择端 子的数量与所述抽头的数量相等，每一个所述抽头各自通过一个所述电压选 择端子后并联，并联点再分别经过所述多个可控开关接入所述各电磁开关的 线圈；当某一个电压选择端子被选通时，该电压选择端子所连接的抽头的电 压才能输出给所述各电磁开关的线圈。举例说明：

常用的电磁开关线圈电压等级为220V、110V等，对应的，工频变压器 204的二次侧绕组引出有2个抽头，抽头电压分别是220V、110V，电压选择 电路110具有K220和K110这两个电压选择端子，工作人员根据空压机当前 采用的电磁开关线圈电压等级，通过人工操作这两个电压选择端子来选取工 频变压器204是提供220V还是110V的交流电压来给各电磁开关(图1仅示 出两个电磁开关作为示例，分别是电磁开关#1和电磁开关#2)的线圈供电； 当空压机当前采用的是220V线圈电压等级的电磁开关时，就手动选通K220、 断开K110，以切换到220V的交流电压供电回路；当空压机当前采用的是110V 线圈电压等级的电磁开关时，就手动选通K110、断开K220，以切换到110V 的交流电压供电回路，扩大了所述一体机的适用范围。

可选地，所述空压机变频驱动控制系统还设置有：连接在整流单元101 的电能输入端(即380V三相交流电进线)与控制单元106之间的输入缺相采 样电路109。输入缺相采样电路109用于在线测量输入的380V交流输入是否 缺相，测量结果送入控制单元106。对应的，控制单元106内置的空压机系统 控制软件还包括缺相控制逻辑，所述缺相控制逻辑用于在检测到380V交流输 入缺相时，触发人机交互设备201输出相应的警示信息，同时控制第一逆变 单元104停机。输入缺相采样电路109通常集成在一体机内部，如图2所示。

可选地，所述空压机变频驱动控制系统还设置有：连接在整流单元101 的电能输入端与控制单元106之间的电量检测组件111。电量检测组件111用 于在线测量空压机的交流输入电压电流和计算空压机的有功功率、视在功率 等参数，测量结果和计算结果送入控制单元106，控制单元106通过人机交互 设备106实时显示上述参数，方便工作人员实时监测。本实施例推荐将电量 检测组件111集成在一体机内部，以提高所述空压机变频驱动控制系统的集 成度，如图2所示；当然，在一体机内部空间比较紧张的情况下，电量检测 组件111也可以安装在一体机外部。此外，电量检测模块111作为一个低电 压组件，其工作所需的低压稳压直流电可以由第一逆变单元104内的辅助电 源来提供，但并不局限。

可选地，第一逆变单元104内部除具有逆变电路、IGBT驱动电路等组件 外，还可集成用于为第一逆变单元104内部组件散热的风扇、风扇供电电路、 以及用于在线测量第一逆变单元104内部温度的第三温度传感器，第三温度 传感器的测量结果送入控制单元106，作为控制单元106执行过温保护、调节 风扇转速及启停控制的依据。对应的，第二逆变单元105也可采用同样的内 部设计。

此外，本发明实施例还公开了一种空压机变频驱动控制系统，以减小空 压机变频驱动控制系统的体积、降低系统成本和提升系统整体美观性，包括 上述公开的任一种变频驱动控制一体机，以及安装在所述一体机外部、且与 所述一体机内部集成的控制单元106相连的人机交互设备201、第一压力传感 器203和第一温度传感器202。人机交互设备201、第一压力传感器203和第 一温度传感器202的结构及功能参见前述对于一体机的文字描述以及附图1-2 即可，此处不再赘述。

可选地，所述空压机变频驱动控制系统还设置有与人机交互设备201相 连的远程控制模块108。远程控制模块108集GPS(GlobalPositioningSystem， 全球定位系统)模块和GPRS(GeneralPacketRadioService，通用分组无线服 务技术)模块功能于一体，用于实现远程通信及定位，具体的：可实现上位 机对空压机的远程实时定位，以及远程监控空压机运行的频率、排气压力、 油气温度、运行时间、电量等，还可远程设定空压机的温度、压力、加卸载、 PID等参数以及实现远程启停控制等，从而实现了对所述空压机变频驱动控制 系统的远程监控和控制。本实施例推荐将远程控制模块108集成在一体机内 部，以提高所述空压机变频驱动控制系统的集成度，如图3所示。当然，在 一体机内部空间比较紧张的情况下，远程控制模块108也是可以安装在一体 机外部的。此外，远程控制模块108作为一个低电压组件，其工作所需的低 压稳压直流电可以由第一逆变单元104内的辅助电源提供，但并不局限。

可选地，参见图3，空压机设置有用于为主机散热的主机风扇，在所述主 机风扇与主机不同轴的情况下，所述空压机变频驱动控制系统还设置有：连 接在整流单元101的电能输入端与控制单元106之间的相序检测电路112，本 实施例推荐将相序检测电路112集成在一体机内部，以提高所述空压机变频 驱动控制系统的集成度，如图3所示，但并不局限；同时，所述空压机变频 驱动控制系统还包括：串联在所述主机风扇的供电线路上的接触器KM2(接 触器KM2也属于空压机的其中一个电磁开关，本实施例推荐将接触器KM2 安装在一体机外部，但并不局限)。接触器KM2的通断受控制单元106控制 (接触器KM2的控制端与控制单元106间的电路连接关系未在图3中示出)。 其工作原理如下：

接触器KM2闭合时，所述主机风扇开始工作。相序检测电路112用于检 测交流输入R、S、T相序，测量结果送入控制单元106；在所述主机风扇与 主机不同轴的情况下，如果用户把R、S、T相序接反，所述主机风扇会反转， 无法给主机散热，此时控制单元106控制接触器KM2断开，同时控制主机停 机以避免主机过热烧毁。此外，也可将相序检测电路112和输入缺相检测电 路109的硬件电路合并为一个电路，软件上判断相序正反和是否缺相。

可选地，仍参见图3，所述空压机变频驱动控制系统还包括：安装在所述 一体机外部、且与接触器KM2相串联的保险丝F1。保险丝F1用于防止在外 接主机风扇时因接错线而导致出现大电流，进而造成系统拉闸的现象。

可选地，仍参见图3，所述空压机变频驱动控制系统还包括：安装在一体 机外部、且与控制单元106相连接的第二温度传感器114。第二温度传感器 114用于在线测量空压机的主机温度，测量结果送入控制单元106，以便在温 度达到预设值时给出相应的预警和报警信息。

可选地，仍参见图3，所述空压机变频驱动控制系统还包括：安装在一体 机外部、且与控制单元106相连接的第二压力传感器115。第二压力传感器 115用于在线测量空压机的油气筒内的压力，测量结果送入控制单元106，以 便在压力达到预设值时给出相应的预警和报警信息。

可选地，仍参见图3，所述空压机变频驱动控制系统还包括：安装在一体 机外部、且与控制单元106相连接的开关量输入模块116，开关量输入模块 116包括空滤堵塞、油滤堵塞、精分器堵塞、分离器堵塞等开关量输入模块， 方便控制单元106在监控到空滤器、油滤器、精分器、分离器等堵塞时及时 发出报警信息，防止意外发生。

可选地，人机交互设备106还具有与其他空压机变频驱动控制系统中的 人机交互设备进行数据交互的通讯接口，如RS485通讯接口；在用气量较大 的场合下，需要多台空压机同时供气，此时可以采用一台空压机做主机、其 他空压机做从机，各台空压机之间通过所述通讯接口进行数据交互实现联控。

通常情况下，所述空压机变频驱动控制系统还具有：安装在所述一体机 外部、与控制单元106相连接的急停开关。工作人员在紧急情况下按下急停 开关，控制单元106在急停开关被按下时控制空压机的主机停机(图3未示 出所述急停开关)。

综上所述，一个现有变频器的基本组件至少包括整流单元、缓冲电阻、 可控开关、储能单元和逆变单元，而本发明通过设计第一逆变单元和第二逆 变单元共直流母线，从而在节省一路整流单元、缓冲电阻、可控开关和储能 单元的情况下构建出了两个等效变频器，实现了通过提高组件综合利用率来 降低系统成本、减小系统体积的目的。并且，一体机的设计还能够使系统集 成度更高、体积更小、布线也更加简洁；也正因为没有了杂乱的布线，系统 整体美观性也获得了很大提升。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的 情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所 示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽 的范围。