變頻調速在大型氣冷羅茨真空泵抽氣系統中的應用

　　由于氣冷羅茨真空泵及其組成的機組不但具備普通羅茨泵轉速高、體積小的優(yōu)點(diǎn)，還具有配帶合適的電機及熱交換器后可在任意的壓力下起動(dòng)和運行。因此在①負載較大；②抽氣時(shí)間要求短；③粗真空至高真空均需要大抽速；④普通羅茨泵不能承受的多種場(chǎng)合如航空航天、電力、鋼鐵處理、醫藥化工等行業(yè)得到了廣泛的應用，但氣冷羅茨泵巨大的配套功率又使許多廠(chǎng)家望而生畏。隨著(zhù)經(jīng)濟改革的不斷深入，市場(chǎng)競爭的不斷加��；節能降耗業(yè)已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一。針對配套功率大這一癥點(diǎn)，本文探討了通過(guò)把變頻器應用于2500L/s氣冷羅茨泵的控制系統來(lái)降低它對大容器抽空時(shí)的配套功率和縮短抽氣時(shí)間。

1、電動(dòng)機的輸入輸出功率

　　電動(dòng)機是將電能轉換成機械能的器件。三相交流異步電動(dòng)機輸入的是三相電功率N1:

式（1）中：

　　N_1x———頻率為fx 時(shí)電動(dòng)機的輸入功率，kW
　　U_Lx———頻率為fx 時(shí)定子側的線(xiàn)電壓，V
　　I₁———定子側的線(xiàn)電流，A
　　COS_φ1———定子側電動(dòng)機的輸出功率

　　電動(dòng)機是用來(lái)拖動(dòng)負載旋轉的，因此，其輸出功率便是軸上的機械功率:

式(2)中:

　　N_2x———頻率為fx 時(shí)電動(dòng)機輸出的機械功率，kW
　　T_M———電動(dòng)機軸上的轉矩，N·m
　　n_Mx———頻率下降時(shí)電動(dòng)機軸上的轉速，r/min

　　式(1)表明, 電動(dòng)機的輸入功率和頻率之間并無(wú)直接關(guān)系，而式(2)可知, 電動(dòng)機的輸出功率與轉速（頻率）成正比。

2、羅茨真空泵的消耗功率—負載特性

2.1、羅茨真空泵的抽氣速率特性

　　羅茨真空泵的理論抽氣速率S_th與轉子轉速的關(guān)系式為：

式（3）中：

　　n———轉子的轉速，r/min
　　R———轉子的半徑，mm
　　l———轉子的長(cháng)度，mm
　　λ———容積利用系數

　　式（3）表明對于具體的一臺羅茨真空泵，轉子的長(cháng)度、半徑和容積利用系數都是一個(gè)定值，在不考慮抽氣效率的情況下，抽氣速率與轉子的轉速n成正比。

2.2、功率特性

　　羅茨真空泵的消耗功率與羅茨泵的抽速及壓差成正比。

式(4)中:

　　N羅———羅茨泵的消耗功率，kW
　　S_th———羅茨泵的理論抽氣速率，L/s
　　Δp———羅茨真空泵的進(jìn)排氣壓差，Pa
　　S _前———羅茨泵的前級泵抽氣速率，L/s
　　P———羅茨泵的入口壓力，10-6Pa

　　式（4）表明在羅茨泵的前級泵一定時(shí)，其耗功率與轉子轉速具有二次方負載的特性，與入口壓力的變化成正比，如圖1 與圖2 所示。

圖1 入口壓力恒定消耗功率與轉速關(guān)系曲線(xiàn)　　圖2 轉速恒定消耗功率與入口壓力的關(guān)系曲線(xiàn)

3、變頻器選用原理

3.1、選用原理

　　變頻技術(shù)近幾年來(lái)在國內外得到廣泛應用。由式（4）知羅茨泵消耗功率在前級抽氣速率S前一定的情況下，隨著(zhù)入口壓力的增加而成正比地增加，而隨著(zhù)轉速的降低而快速的降低。如圖1與圖2 的曲線(xiàn)所示。為了在泵運行過(guò)程中不使電機過(guò)載，在高的入口壓力范圍就要適當降低電機轉速，使得式(2)值大于等于式(4)，即

　　而隨著(zhù)入口壓力的降低可以不斷提高轉速直至達到工頻轉速，把變頻應用于抽氣機組降低配套功率就是基于這樣的原理。

3.2、變頻器與PLC及電機的連接

　　JZJQH2500-224真空機組的控制系統，如圖3 所示，采用PLC作為控制系統的一級中樞，通過(guò)其自帶的CPU，采集來(lái)自現場(chǎng)的傳感器弱電信號，并將其處理后的結果通過(guò)控制變頻器的頻率輸出來(lái)驅動(dòng)現場(chǎng)泵電機，控制主泵電機的轉速來(lái)達到設計所要求的系統抽氣速率。

　　PLC的處理能力是控制的關(guān)鍵，不但要控制系統各部件的開(kāi)停，還要處理現場(chǎng)氣流溫度、真空壓力傳感器所采集的弱電信號，并通過(guò)CPU運算，將結果反饋出來(lái)進(jìn)行相應的處理。主泵電機的變頻調速，通過(guò)CPU對系統真空壓力的運算，根據實(shí)時(shí)的負載情況來(lái)控制變頻器的頻率輸出，在主泵電機負荷允許的情況下最大限度提升主泵的抽氣速率，而變頻器又將實(shí)時(shí)的控制狀態(tài)（頻率、轉速、負載情況）反饋回CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)調整控制數據。

　　系統中的變頻器是泵軸轉速控制的直接執行者，必須準確無(wú)誤的執行CPU傳送過(guò)來(lái)的指令，還要將電機反饋回來(lái)的負載信息準確的傳回CPU系統。變頻器和電動(dòng)機的規格由負載的速度范圍和轉矩要求決定。

圖3. JZJQH2500- 224抽氣系統控制示意圖