旋片式真空泵節(jié)能控制的實現(xiàn)

2010-10-19 01:21:16莫力林

大眾科技 2010年4期

莫力林

（桂林獅達機電技術工程有限公司，廣西桂林 541004）

莫力林

（桂林獅達機電技術工程有限公司，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荷隨容器真空壓力變化情況，在這種場合旋片式真空泵的拖動電動機大部分時間處于輕載運行，電動機的效率及功率因數(shù)較低；提出以真空壓力信號為控制依據(jù)，對異步電動機采用輕載降壓運行方式來提高其運行效率及功率因數(shù)措施，并在電子束焊機抽真空過程應用實踐證明節(jié)能效果顯著。

旋片式真空泵；異步電動機；輕載降壓運行；節(jié)能

（一）前言

旋片式真空泵（簡稱旋片泵）是一種油封式機械真空泵。其工作壓強范圍為101325～1.33×10-2Pa，屬于低真空泵。它可以單獨使用，也可以作為其它高真空泵或超高真空泵的前級泵。它已廣泛地應用于冶金、機械、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，對金屬有腐蝕性的、對泵油會起化學反應以及含有顆粒塵埃的氣體。旋片泵是真空技術中最基本的真空獲得設備之一。旋片泵的抽速與入口壓強的關系規(guī)定如下：在入口壓強為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機驅(qū)動，控制簡單。旋片式真空泵用于抽除密封容器中的氣體時，容器中真空度越低旋片式真空泵的負荷越大。當抽氣口的真空壓力為101325 Pa（一個大氣壓強）時，旋片式真空泵的負荷最大，此時驅(qū)動電動機處于滿負荷運行。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荷跟著降低，當密封容器內(nèi)達到一定真空度時，旋片式真空泵的負荷不再降低而趨于平衡，如國產(chǎn)2X旋片式真空泵使泵負荷趨于平衡的抽氣口的氣體壓力為1000～500Pa，此時旋片式真空泵的負荷僅為額定負荷的20%～40%。

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

下面針對上述的技術缺陷，提出一種以被抽密封容器內(nèi)的氣體壓力為控制信號，對旋片式真空泵所接異步電動機的定子電壓進行調(diào)節(jié)，以提高異步電動機輕載運行時的效率及功率因數(shù)。

（二）提高異步電動機輕載運行效率的原理

異步電動機運行時的總損耗 Σp為定子銅耗pDCus、鐵損pFe、轉(zhuǎn)子銅耗pZCur、機械損耗pmech以及雜散損耗ps之和，即

輸入功率P1等于輸出功率P2與電動機運行時的總損耗Σp之和。

異步電動機運行效率為電動機軸上輸出功率P2與輸入電動機的電功率P1之比：

異步電動機電磁轉(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：

異步電動機定子電流為轉(zhuǎn)子電流與勵磁電流之和：

圖1 異步電動機輕載降壓運行的效率曲線

由圖1可知，異步電動機輕載降壓節(jié)能有一個最佳電壓值。由于異步電動機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荷，同時考慮過度降低異步電動機定子電壓會引起速降，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。

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

圖2 異步電動機的等效電路

降低定子電壓后，由圖2可知，勵磁電流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，因此電動機的功率因數(shù)將得到提高。

（三）節(jié)能控制裝置的實現(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)動連接的異步電動機，旋片式真空泵接需要抽真空的密封容器，還有真空測量儀、控制裝置及交流調(diào)壓裝置。真空測量儀所接的氣壓傳感器位于密封容器內(nèi)，真空測量儀的電信號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機。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

真空測量儀接收壓力傳感器傳送的密封容器內(nèi)的氣體壓力信號，經(jīng)變送放大送入控制裝置。控制裝置存儲有根據(jù)氣體壓力信號來調(diào)節(jié)電壓的程序，將接收的氣體壓力信號與設定值比較，當被抽容器的氣體壓力低于設定值時，對交流調(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，向異步電動機提供調(diào)低的電壓，從而降低能耗。真空測量儀上安裝有氣體壓力顯示表，可顯示密封容器內(nèi)當前的氣體壓力。

交流調(diào)壓裝置可以是改變異步電動機接線方式的裝置，控制裝置在判斷氣體壓力小于設定值時，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機定子相電壓，當控制裝置無降壓指令時，保持異步電動機的三角形接線方式。這種降壓方法結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，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，當接收到控制裝置的降壓指令時，無級向下調(diào)節(jié)提供給電動機的電壓，可實現(xiàn)最高效率控制。但控制較復雜，成本較高，且三相晶閘管移相交流調(diào)壓會增加電網(wǎng)諧波電流及電動機的諧波損耗，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，當接收到控制裝置的降壓指令時，無級向下調(diào)節(jié)提供給電動機的電壓，實現(xiàn)最高效率控制。這種調(diào)壓方式是最理想的，但控制復雜，造價昂貴。

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

（四）應用實例

THDW-6型電子束焊機的焊接室內(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抽泵及油擴散高真空泵的前級泵。

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機型號為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。

真空測量儀為ZDF-Ⅲ-LED高低真空復合真空計，該真空計共有4個真空設定段，以最低真空設定點（500Pa）為旋片式真空泵電動機降壓控制設定點。利用電子束焊機所配的PLC單元接收真空計設定點動作信號，由PLC的輸出點控制電動機的接法。當焊接室的真空度優(yōu)于500 Pa時，電動機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，電動機三角形接線和星形接線試驗結(jié)果如表1所示。

表1 三角形接線和星形接線試驗數(shù)據(jù)

由表1可知電動機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。改變電動機的接線后，電動機的轉(zhuǎn)速變化并不大，只略小于額定轉(zhuǎn)速，因此對旋片式真空泵抽速的影響可勿略不計。

另外電動機改接線降壓控制方式，利用了PLC冗余輸入、輸出點，只多加兩個交流接觸器，對整臺設備費用的增加甚微。