煤油真空氣相干燥羅茨泵控制系統改造

楊 飛，田德華，李 寧，楊世國

（濟南西門子變壓器有限公司，山東濟南 250014）

1 問題

一套1989年國產煤油氣相干燥設備，用于真空干燥（110～750）kV變壓器線圈和器身產品。工藝流程分5個階段：準備階段（R），加熱階段（H），降壓階段（P），高真空階段（V），通風階段（A）。該設備真空系統（圖1）由2臺前級旋片真空泵和1臺羅茨泵組成。設備在R,H,P,V運行階段都需要真空控制系統抽真空，其中在準備階段和高真空階段，羅茨泵啟動抽真空。現有的羅茨泵控制系統為手動控制，當真空度達到一定值時，工作人員手動啟動，羅茨泵為50 Hz定頻工作，如果一個干燥過程為30 h，羅茨泵大約運行16 h，工作效率低、能耗較大，影響正常生產。

2 羅茨泵控制系統改造

2.1 改造方案

（1）解決設備自動化問題。人工操作影響因素多，如羅茨泵啟動不準時，延長工作時間。為提升設備的自動化程度，采用PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制羅茨泵，當真空度達到設定值時羅茨泵啟動運行。

（2）為降低設備能耗，提高設備工作效率，采用新式變頻電機羅茨泵組，利用變頻器控制羅茨泵電機。PLC和變頻器控制羅茨泵真空系統結合實現設備自動化改造，提高生產效率。

圖1 煤油氣相干燥真空機組系統

2.2 羅茨泵控制系統PLC控制程序的設計

PLC控制具有可靠性高，抗干擾能力強，適應性強，應用靈活，編程方便，易于使用，擴張能力強，設計、安裝、調試、維修方便等優點。羅茨泵系統控制功能主要通過軟件實現，結合真空泵系統控制要求設計PLC程序。

羅茨泵系統控制的部分梯形圖及程序注釋如圖2所示。為利于生產操作，PLC程序設置“自動/手動”啟動選擇功能X0，根據工作需要選擇手動運行或自動運行。設置真空度自動采集、比較，輸出置位、復位點。設置1號前級旋片真空泵啟動給定點X19和2號前級旋片真空泵啟動給定點X1A，2個前級泵啟動后，進行真空度采集比較，按照羅茨泵的運行要求，將真空度7.5 kPa設置為羅茨泵啟動點。真空度達到7.5 kPa，R20置位。如果真空度不滿足條件，或者有1個前級泵停機或未運行，R20復位。在準備階段、高真空階段設備自動或手動，只要滿足R20真空度≥7.5 kPa，輸出羅茨泵啟動點，PLC輸出信號給羅茨泵變頻器，羅茨泵變頻器接到指令啟動運行或停止。

圖2 羅茨泵系統控制部分梯形圖

2.3 羅茨泵變頻器控制系統電氣設計

交流變頻器是微計算機及現代電子技術高度發展的結果。微計算機是變頻器的核心，電子器件構成變頻器的主電路。由于交流電的頻率恒定不變，而交流電機的同步轉速、異步電機轉速、電機轉差率與輸入電機的電流頻率成正比或者接近正比，因此，改變頻率可以改變電機運行速度，提高設備運行效率，降低能耗。

（1）電機將電能轉換成機械能，三相交流異步電機輸入三相電功率。式中N1x頻率為fx時電機的輸入功率，ULx是頻率為fx時電機定子側線電壓，I1是電機定子側線電流，cosφ1是電機功率因數。

（2）電機拖動負載旋轉，輸出功率就是其軸上的機械功率。電機軸的轉矩T=9549P0/n0，故輸出功率P0=Tn0/9549。式中P0是頻率為f時電機輸出的機械功率，T是電機軸轉矩，n0是電機軸轉速。羅茨泵屬于容積泵，其理論抽速Sth=4nLA0。式中n是轉子轉速，L是轉子長度，A0是泵腔抽氣面積。由理論抽速計算式可知L和A0為定值，因此抽速與轉子轉速成正比。

（3）羅茨泵的消耗功率Pr=ΔPSth。式中ΔP是羅茨泵進排氣壓差。

通過電機機械功率計算式和羅茨泵消耗功率計算式可知，當電機機械功率P0和羅茨泵的消耗功率Pr相等，即P0≥Pr時，羅茨泵可以正常工作。因此，只需調整轉子轉速，即電機運行頻率，就可以控制羅茨泵運行，這就是變頻器控制羅茨泵的基本原理。

羅茨泵的變頻器電氣控制如圖3所示，PLC輸出羅茨泵啟動信號后，變頻器收到羅茨泵啟動指令，羅茨泵電機啟動，羅茨泵根據不同的頻率信號運行；當接收到停止指令后羅茨泵減速制動停止運行；當發生故障時變頻器輸出故障報警信號，設備故障停機。

圖3 羅茨泵變頻器電氣控制

3 改造效果

（1）設備改造后經過1 a的使用，運行穩定，未出現異常情況。設備電氣自動化升級改造，提高了工作效率，自動化控制設備運行降低了操作工的工作量。

（2）改造后設備節能降耗，整體生產效率得到很大提高。經測試，以改造前干燥工藝30 h的變壓器產品為例，羅茨泵運行時間由16 h降至12.5 h，設備整體生產效率提升11.67%。

（3）改造后設備故障率明顯下降。實際統計設備故障率同比下降18.2%。