莫力林

（桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司，廣西 桂林 541004）

旋片式真空泵節(jié)能控制的實(shí)現(xiàn)

莫力林

（桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司，廣西 桂林 541004）

指出了用于從密封容器中抽除氣體的旋片式真空泵的負(fù)荷隨容器真空壓力變化情況，在這種場(chǎng)合旋片式真空泵的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間處于輕載運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的效率及功率因數(shù)較低；提出以真空壓力信號(hào)為控制依據(jù)，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)采用輕載降壓運(yùn)行方式來提高其運(yùn)行效率及功率因數(shù)措施，并在電子束焊機(jī)抽真空過程應(yīng)用實(shí)踐證明節(jié)能效果顯著。

旋片式真空泵；異步電動(dòng)機(jī)；輕載降壓運(yùn)行；節(jié)能

（一）前言

旋片式真空泵（簡(jiǎn)稱旋片泵）是一種油封式機(jī)械真空泵。其工作壓強(qiáng)范圍為101325～1.33×10-2Pa，屬于低真空泵。它可以單獨(dú)使用，也可以作為其它高真空泵或超高真空泵的前級(jí)泵。它已廣泛地應(yīng)用于冶金、機(jī)械、軍工、電子、化工、輕工、石油及醫(yī)藥等生產(chǎn)和科研部門。旋片泵可以抽除密封容器中的干燥氣體，若附有氣鎮(zhèn)裝置，還可以抽除一定量的可凝性氣體。但它不適于抽除含氧過高的，對(duì)金屬有腐蝕性的、對(duì)泵油會(huì)起化學(xué)反應(yīng)以及含有顆粒塵埃的氣體。旋片泵是真空技術(shù)中最基本的真空獲得設(shè)備之一。旋片泵的抽速與入口壓強(qiáng)的關(guān)系規(guī)定如下：在入口壓強(qiáng)為1333Pa、1.33Pa和1.33×10-1（Pa）下，其抽速值分別不得低于泵的名義抽速的95%、50%和20%。

旋片式真空泵一般由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單。旋片式真空泵用于抽除密封容器中的氣體時(shí)，容器中真空度越低旋片式真空泵的負(fù)荷越大。當(dāng)抽氣口的真空壓力為101325 Pa（一個(gè)大氣壓強(qiáng)）時(shí)，旋片式真空泵的負(fù)荷最大，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)處于滿負(fù)荷運(yùn)行。但隨著被抽密封容器內(nèi)氣體壓力的下降旋片式真空泵的負(fù)荷跟著降低，當(dāng)密封容器內(nèi)達(dá)到一定真空度時(shí)，旋片式真空泵的負(fù)荷不再降低而趨于平衡，如國(guó)產(chǎn)2X旋片式真空泵使泵負(fù)荷趨于平衡的抽氣口的氣體壓力為1000～500Pa，此時(shí)旋片式真空泵的負(fù)荷僅為額定負(fù)荷的20%～40%。

旋片式真空泵的異步電動(dòng)機(jī)要按最大負(fù)荷配置，旋片式真空泵用于抽除密封容器中的氣體時(shí)，在運(yùn)行過程中，只有開始段的較短時(shí)間內(nèi)容器中氣體壓力還較大，異步電動(dòng)機(jī)是工作于重載，而大部分的工作時(shí)間旋片式真空泵只需要維持密封容器內(nèi)的較低氣壓，異步電動(dòng)機(jī)工作于20%～40%的輕載狀態(tài)。因異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組是直接與電網(wǎng)相接的，電動(dòng)機(jī)定子的電壓和轉(zhuǎn)速都是恒定的。這樣大部分時(shí)間內(nèi)，異步電動(dòng)機(jī)的效率及功率因數(shù)很低，白白浪費(fèi)了大量電能。

下面針對(duì)上述的技術(shù)缺陷，提出一種以被抽密封容器內(nèi)的氣體壓力為控制信號(hào)，對(duì)旋片式真空泵所接異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提高異步電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)的效率及功率因數(shù)。

（二）提高異步電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行效率的原理

異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的總損耗 Σp為定子銅耗pDCus、鐵損pFe、轉(zhuǎn)子銅耗pZCur、機(jī)械損耗pmech以及雜散損耗ps之和，即

輸入功率P1等于輸出功率P2與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的總損耗Σp之和。

異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率為電動(dòng)機(jī)軸上輸出功率P2與輸入電動(dòng)機(jī)的電功率P1之比：

異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te為轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT、氣隙磁通Φm、轉(zhuǎn)子電流

以及轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)cosφr的乘積：

異步電動(dòng)機(jī)定子電流為轉(zhuǎn)子電流與勵(lì)磁電流之和：

圖1 異步電動(dòng)機(jī)輕載降壓運(yùn)行的效率曲線

由圖1可知，異步電動(dòng)機(jī)輕載降壓節(jié)能有一個(gè)最佳電壓值。由于異步電動(dòng)機(jī)和真空泵本身都存在空載損耗及真空泵存在一定的平衡負(fù)荷，同時(shí)考慮過度降低異步電動(dòng)機(jī)定子電壓會(huì)引起速降，影響真空泵的抽速，定子電壓降低不宜過大，最低電壓限制在額定電壓UN的40%～50%，否則效率有可能降低并影響真空泵的抽速。

異步電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖2所示。異步電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速接近，因此轉(zhuǎn)差率s很小，等效電路中代表機(jī)械負(fù)載的附加電阻很大，此時(shí)定子電路中的主要由勵(lì)磁電流決定，其相位滯后于定子電壓的相位接近90。。因此異步電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)很低。

圖2 異步電動(dòng)機(jī)的等效電路

降低定子電壓后，由圖2可知，勵(lì)磁電流Im跟著降低，則氣隙磁通Φm亦降低，由式（4）可知轉(zhuǎn)子有功電流Ir′增大，因此電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)將得到提高。

（三）節(jié)能控制裝置的實(shí)現(xiàn)

旋片式真空泵節(jié)能控制裝置包括旋片式真空泵及與之驅(qū)動(dòng)連接的異步電動(dòng)機(jī)，旋片式真空泵接需要抽真空的密封容器，還有真空測(cè)量?jī)x、控制裝置及交流調(diào)壓裝置。 真空測(cè)量?jī)x所接的氣壓傳感器位于密封容器內(nèi)，真空測(cè)量?jī)x的電信號(hào)輸出端與控制裝置相連接，控制裝置的控制端接與電網(wǎng)連接的交流調(diào)壓裝置，交流調(diào)壓裝置輸出端接異步電動(dòng)機(jī)。如圖3所示。

圖3 旋片式真空泵節(jié)能控制裝置結(jié)構(gòu)圖

真空測(cè)量?jī)x接收壓力傳感器傳送的密封容器內(nèi)的氣體壓力信號(hào)，經(jīng)變送放大送入控制裝置?？刂蒲b置存儲(chǔ)有根據(jù)氣體壓力信號(hào)來調(diào)節(jié)電壓的程序，將接收的氣體壓力信號(hào)與設(shè)定值比較，當(dāng)被抽容器的氣體壓力低于設(shè)定值時(shí)，對(duì)交流調(diào)壓裝置發(fā)出降壓指令。交流調(diào)壓裝置根據(jù)控制裝置的指令，在氣體壓力降低時(shí)，向異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)低的電壓，從而降低能耗。真空測(cè)量?jī)x上安裝有氣體壓力顯示表，可顯示密封容器內(nèi)當(dāng)前的氣體壓力。

交流調(diào)壓裝置可以是改變異步電動(dòng)機(jī)接線方式的裝置，控制裝置在判斷氣體壓力小于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出降壓指令，交流調(diào)壓裝置接收到降壓指令將三角形接線改為星形接線來降低電動(dòng)機(jī)定子相電壓，當(dāng)控制裝置無降壓指令時(shí)，保持異步電動(dòng)機(jī)的三角形接線方式。這種降壓方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但供電電壓只有兩檔，不能精確調(diào)節(jié)。

交流調(diào)壓裝置也可以是三相晶閘管移相交流調(diào)壓裝置，控制裝置根據(jù)氣體壓力表發(fā)出降壓指令，當(dāng)接收到控制裝置的降壓指令時(shí)，無級(jí)向下調(diào)節(jié)提供給電動(dòng)機(jī)的電壓，可實(shí)現(xiàn)最高效率控制。但控制較復(fù)雜，成本較高，且三相晶閘管移相交流調(diào)壓會(huì)增加電網(wǎng)諧波電流及電動(dòng)機(jī)的諧波損耗，節(jié)能效果將被打折扣。

交流調(diào)壓裝置也可以是三相正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）交流調(diào)壓裝置，控制裝置根據(jù)氣體壓力發(fā)出降壓指令，當(dāng)接收到控制裝置的降壓指令時(shí)，無級(jí)向下調(diào)節(jié)提供給電動(dòng)機(jī)的電壓，實(shí)現(xiàn)最高效率控制。這種調(diào)壓方式是最理想的，但控制復(fù)雜，造價(jià)昂貴。

交流調(diào)壓裝置經(jīng)過載保護(hù)裝置與電網(wǎng)相連接，過載保護(hù)裝置為異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器或熱繼電器。

（四）應(yīng)用實(shí)例

THDW-6型電子束焊機(jī)的焊接室內(nèi)腔尺寸為600×600×800mm3，工作真空度要求優(yōu)于5×10-2Pa。抽真空系統(tǒng)配置為油擴(kuò)散高真空泵加旋片式真空泵，其中旋片式真空泵作為焊接室的預(yù)抽泵及油擴(kuò)散高真空泵的前級(jí)泵。

旋片式真空泵型為2X-70，抽速為70L/S。

旋片式真空泵所配電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y132M2-6，額定功率為5.5kW，額定電壓為380V，三角形接法，額定電流13A，額定轉(zhuǎn)速960轉(zhuǎn)/分。

真空測(cè)量?jī)x為ZDF-Ⅲ-LED高低真空復(fù)合真空計(jì)，該真空計(jì)共有4個(gè)真空設(shè)定段，以最低真空設(shè)定點(diǎn)（500Pa）為旋片式真空泵電動(dòng)機(jī)降壓控制設(shè)定點(diǎn)。利用電子束焊機(jī)所配的PLC單元接收真空計(jì)設(shè)定點(diǎn)動(dòng)作信號(hào)，由PLC的輸出點(diǎn)控制電動(dòng)機(jī)的接法。當(dāng)焊接室的真空度優(yōu)于500 Pa時(shí)，電動(dòng)機(jī)由三角形接線改為星形接線。

旋片式真空泵的入口真空優(yōu)于10Pa時(shí)，電動(dòng)機(jī)三角形接線和星形接線試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 三角形接線和星形接線試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知電動(dòng)機(jī)由三角形接線改為星形接線，定子電流由6.58A降到3.13A，降幅超過50%，而功率因數(shù)由0.673提高到0.871。由此可見功率因數(shù)的提高及節(jié)能效果都很明顯。改變電動(dòng)機(jī)的接線后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化并不大，只略小于額定轉(zhuǎn)速，因此對(duì)旋片式真空泵抽速的影響可勿略不計(jì)。

另外電動(dòng)機(jī)改接線降壓控制方式，利用了PLC冗余輸入、輸出點(diǎn)，只多加兩個(gè)交流接觸器，對(duì)整臺(tái)設(shè)備費(fèi)用的增加甚微。

（五）結(jié)束語

1.以被抽密封容器的氣體壓力信號(hào)為調(diào)節(jié)依據(jù)，對(duì)驅(qū)動(dòng)旋片式真空泵的異步電動(dòng)機(jī)實(shí)行降壓控制，在旋片式真空泵達(dá)到負(fù)荷平衡運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)功耗降低50%以上，節(jié)能效果明顯。

2.旋片式真空泵節(jié)能控制適用于單臺(tái)或多臺(tái)泵的節(jié)能控制。

3.旋片式真空泵節(jié)能控制裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，控制方便，易于推廣應(yīng)用。

4.旋片式真空泵節(jié)能控制方法可推廣到其它機(jī)械真空泵的節(jié)能控制。

5.機(jī)械真空泵的節(jié)能控制方法已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利，專利號(hào)為ZL 2009201412304。

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TB752+.2

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1008-1151(2010)04-0115-02

2010-01-08

火炬計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)2009GH040181）；桂林國(guó)家高新區(qū)科技型中小企業(yè)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（編號(hào) 基090706

莫力林（1962－），男，廣西桂林人，桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娮邮庸ぴO(shè)備。