旋片泵輸出功率控制問(wèn)題的探討
旋片式真空泵是最常用的真空獲得設備之一，它工作范圍廣，可以單獨使用也可以作為其它真空泵的前級泵。但是旋片泵的功率隨著(zhù)入口壓力的變化而變化，有時(shí)甚至會(huì )相差1~2 倍的功率，因此驅動(dòng)旋片泵的電機大部分時(shí)間處于輕載運行，電機的效率因而降低了。本文通過(guò)分析旋片泵工作效率的影響因素與各種功率控制方法，結合變頻式電機的應用實(shí)現對旋片式真空泵驅動(dòng)電機的功率控制。
旋片式真空泵是一種變容式氣體傳輸真空泵，是真空技術(shù)中最基本的真空獲得設備之一。它的工作壓力范圍為101325 Pa~1.33×10-2 Pa，屬于低真空范圍。它既可以單獨使用，也常常作為其它真空泵的前級泵使用。據2003 年的一份真空行業(yè)市場(chǎng)調研可知，旋片式真空泵占據整個(gè)泵種市場(chǎng)總量的90.38%，雖然近些年干式機械真空泵發(fā)展迅猛，但是旋片泵仍是真空獲得設備應用領(lǐng)域的主力軍。
旋片式真空泵是通過(guò)偏心安裝的轉子連續旋轉，進(jìn)而周期性的壓縮腔內的被抽氣體，最后使泵腔內的氣體達到排氣壓力，從而完成整個(gè)抽氣過(guò)程。不難發(fā)現，旋片泵的轉子為了抽空或者保持真空狀態(tài)一直都處在工作狀態(tài)。目前大多數的旋片泵都采用三相異步電動(dòng)機驅動(dòng)。電機功率并不發(fā)生改變，然而旋片泵的壓縮功率與泵的入口壓力呈一定比例關(guān)系，并且在泵的工作壓力范圍內的大多數情況下旋片泵的實(shí)際運轉功率并未達到電動(dòng)機的額定功率狀態(tài)，有些時(shí)候甚至會(huì )相差1 倍。根據調研，一般驅動(dòng)旋片泵的三相異步電動(dòng)機輕載率往往高達20%~40%，這樣電機會(huì )大部分時(shí)間處于輕載狀態(tài)，大大浪費了能源。在現今旋片泵朝著(zhù)大抽速、大功率方向發(fā)展的前提下，能耗問(wèn)題越來(lái)越凸顯重要。
1、影響旋片泵功率因素的分析
旋片泵在每個(gè)運動(dòng)周期內都會(huì )經(jīng)歷吸氣、壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程，其中的p-V 曲線(xiàn)如圖1 所示：
圖1 旋片泵的p-V 圖
2、旋片泵的輸出功率控制方法探討
2.1、旋片泵輸出功率控制的方法
控制旋片泵的輸出功率歸根結底是控制驅動(dòng)旋片泵電動(dòng)機的功率，實(shí)現電機功率控制有以下幾種方法供考慮探討：
1)改變交流供電電壓來(lái)實(shí)現控制。這種方法是通過(guò)一個(gè)壓力傳感器接受真空容器中的壓力信號，經(jīng)變送放大送入控制裝置，控制裝置將送過(guò)來(lái)的壓力信號與已經(jīng)設定好的壓力信號進(jìn)行對比，進(jìn)而控制一個(gè)交流調壓裝置，降低電動(dòng)機的輸入電壓從而實(shí)現了降低電機頻率的功效。這種控制方法的好處是當某些真空工藝過(guò)程中充入一定量氣體造成真空室壓力上升時(shí)，控制裝置可以接受壓力傳感器的反饋信號，更快得實(shí)現功率上升，旋片泵轉速回升的作用。然而，預定的壓力值并不能覆蓋整個(gè)壓力范圍，并且調整電壓不宜太低，不能實(shí)現精確控制。
2)在上述方法基礎上，把交流調壓裝置換成現今技術(shù)較為先進(jìn)的三相正弦波脈寬調制交流調壓裝置。這種調壓裝置在接受到傳感器傳來(lái)的壓力信號時(shí)，可以實(shí)現無(wú)級向下調節供給電動(dòng)機的電壓，實(shí)現高效控制。然后，采用這種控制方法會(huì )使得整個(gè)旋片泵控制系統造價(jià)過(guò)高，不利于市場(chǎng)推廣和大范圍使用。
3)無(wú)功補償功率控制。這種方法是通過(guò)直接與電機相連的一個(gè)補償裝置，對電機功率進(jìn)行無(wú)功補償。這種方法投資小，易開(kāi)發(fā)。但是對于旋片泵這種不是常開(kāi)狀態(tài)的設備來(lái)說(shuō)，無(wú)功補償方式并不適合。
4)電磁調速。電磁調速系統由電動(dòng)機、電磁轉差離合器和直流勵磁控制器組成。相對來(lái)說(shuō)這種方法結構較為簡(jiǎn)單，易集成到旋片泵的控制系統中去。同時(shí)，它調速平滑、無(wú)級調速等優(yōu)點(diǎn)也很適合旋片泵。但是，這種方法不適于調控轉速過(guò)快的電機，然而旋片泵需求轉速一般都超過(guò)它的調控范圍。
綜上，上述四種控制方法雖然都各有優(yōu)點(diǎn)，但在關(guān)鍵性質(zhì)上還不能滿(mǎn)足旋片泵功率控制問(wèn)題。例如，第一、二種方法利用交流調壓裝置來(lái)進(jìn)行功率控制時(shí)，控制范圍不能覆蓋整個(gè)壓力范圍或者說(shuō)就算能也造價(jià)極高，不適合投入工業(yè)生產(chǎn);第三種方法雖然投資小，但是它適合于常開(kāi)狀態(tài)的設備，而在工業(yè)生產(chǎn)中旋片泵并不是一種常開(kāi)設備;最后一種方法在造價(jià)和使用性方面已經(jīng)非常接近我們所需要的程度了，然而電磁調速有它的局限性，這主要是在于通過(guò)磁- 電轉換實(shí)現電機轉速微調的方式并不是適用于轉速快的電機，當電機轉速過(guò)快時(shí)有較
大的即時(shí)電流，這時(shí)候對磁場(chǎng)負載要求極大，而旋片泵的驅動(dòng)電機轉速非�？�，這是由旋片泵本身特點(diǎn)造成的，因此它也不適合控制旋片泵功率�？偨Y旋片泵功率控制需適應的特點(diǎn)包括：調節范圍廣，適宜高轉速，平滑啟動(dòng)，精度高等。而為了滿(mǎn)足所有上述特點(diǎn)的控制方式，本文選用變頻控制技術(shù)來(lái)實(shí)現旋片泵的功率控制。
2.2、變頻控制技術(shù)
變頻技術(shù)就是通過(guò)改變用電設備的供電頻率，進(jìn)而達到控制設備輸出功率的目的。變頻技術(shù)隨著(zhù)微電子學(xué)、電力電子、計算機和自動(dòng)控制理論等的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)嶄新、逐漸成熟的技術(shù)，其應用亦進(jìn)入了一個(gè)新的高潮。應用該技術(shù)可通過(guò)變頻調速改變軸輸出功率，從而達到減少輸入功率節省電能的目的，是感應式異步電動(dòng)機節能的一個(gè)重要技術(shù)手段。變頻電機將“專(zhuān)用變頻感應電動(dòng)機+ 變頻器”共同使用進(jìn)行交流調速，從而使機械自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率大為提高，目前正取代傳統的機械調速和直流調速方案。變頻已廣泛應用于各行各業(yè)無(wú)級變速傳動(dòng)。特別是隨著(zhù)變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用，變頻電機的適用也日益廣泛起來(lái)。
一般來(lái)說(shuō)變頻技術(shù)控制手段現在主要有三種：U/f 控制、轉差頻率控制和矢量控制。U/f 控制雖然構造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉但是動(dòng)態(tài)性能較差不
適宜用在本文討論的功率控制技術(shù)上。轉差頻率控制雖然在U/f 控制基礎上加強了動(dòng)態(tài)性能，但是通用性較差。只有矢量控制方式不僅有較高的調速動(dòng)態(tài)性能并且有廣泛的通用性，現在應用范圍日益廣泛起來(lái)，是相當成熟的一種變頻調速技術(shù)�？紤]到旋片式真空泵驅動(dòng)電機只有一臺，對入口壓力需要有動(dòng)態(tài)調控，再結合經(jīng)濟效益最大化等問(wèn)題，選用矢量控制方法最適合旋片泵功率控制。根據式(3)可知旋片泵的功率跟泵入口壓力呈一定關(guān)系，入口壓力就是本文的控制對象。此時(shí)我們只需要采集泵的入口壓力，利用PLC 控制器輸出信號給變頻器，變頻器通過(guò)矢量控制方式控制電機實(shí)現電機的頻率控制，進(jìn)而控制旋片泵的轉速。具體的系統控制思路如下圖：
圖3 旋片泵功率控制原理圖
其中，幾個(gè)重要元件建議如下：
PLC———實(shí)現對系統的運行數據采集、運算及處理同時(shí)根據需要向變頻器發(fā)布操作命令;可以選用三菱FX1S 系列，這種PLC 集成性能優(yōu)良，功能完整，出于考慮安裝控件和成本等因素，選用這款PLC 非常實(shí)用。
變頻器———根據抽氣過(guò)程的進(jìn)行，泵入口壓力的變化，接受PLC 傳達的指令實(shí)現對電機的變頻調節�？梢赃x用ABB 公司的ACS2000 變頻器，它具備高性能的矢量控制技術(shù)，另外這款變頻器應用于包括化工，冶金，紙漿等多行業(yè)領(lǐng)域，具備良好的前端兼容能力。
壓力傳感器———采集泵入口出的壓力變化并向PLC 輸出信號。值得注意得是，這里要選用適用于真空范圍的傳感器，例如，如果真空系統中旋片泵極限壓力在10-2 Pa 左右，壓力傳感器的額定壓力范圍應該大于101325 Pa~10-2 Pa。本文以某典型旋片泵真空系統為例，設計出某旋片泵功率控制原理圖如下：
圖4 旋片泵功率控制設計圖
3、結論
通過(guò)結合旋片泵對功率控制的諸多要求，本文比較了多種交流電調壓、無(wú)功補償、電磁調速和變頻技術(shù)四種功率控制實(shí)現方法，最終使用變頻技術(shù)解決變頻器的功率控制問(wèn)題。在認真分析了旋片泵功率影響因素后，本文給出了其功率控制的技術(shù)思路圖，并舉出了一個(gè)簡(jiǎn)單旋片泵真空系統功率控制實(shí)例。
