旋片式真空泵节能控制的实现

莫力林

（桂林狮达机电技术工程有限公司，广西 桂林 541004）

旋片式真空泵节能控制的实现

莫力林

（桂林狮达机电技术工程有限公司，广西 桂林 541004）

指出了用于从密封容器中抽除气体的旋片式真空泵的负荷随容器真空压力变化情况，在这种场合旋片式真空泵的拖动电动机大部分时间处于轻载运行，电动机的效率及功率因数较低；提出以真空压力信号为控制依据，对异步电动机采用轻载降压运行方式来提高其运行效率及功率因数措施，并在电子束焊机抽真空过程应用实践证明节能效果显著。

旋片式真空泵；异步电动机；轻载降压运行；节能

（一）前言

旋片式真空泵（简称旋片泵）是一种油封式机械真空泵。其工作压强范围为101325～1.33×10-2Pa，属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。它已广泛地应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。旋片泵可以抽除密封容器中的干燥气体，若附有气镇装置，还可以抽除一定量的可凝性气体。但它不适于抽除含氧过高的，对金属有腐蚀性的、对泵油会起化学反应以及含有颗粒尘埃的气体。旋片泵是真空技术中最基本的真空获得设备之一。旋片泵的抽速与入口压强的关系规定如下：在入口压强为1333Pa、1.33Pa和1.33×10-1（Pa）下，其抽速值分别不得低于泵的名义抽速的95%、50%和20%。

旋片式真空泵一般由异步电动机驱动，控制简单。旋片式真空泵用于抽除密封容器中的气体时，容器中真空度越低旋片式真空泵的负荷越大。当抽气口的真空压力为101325 Pa（一个大气压强）时，旋片式真空泵的负荷最大，此时驱动电动机处于满负荷运行。但随着被抽密封容器内气体压力的下降旋片式真空泵的负荷跟着降低，当密封容器内达到一定真空度时，旋片式真空泵的负荷不再降低而趋于平衡，如国产2X旋片式真空泵使泵负荷趋于平衡的抽气口的气体压力为1000～500Pa，此时旋片式真空泵的负荷仅为额定负荷的20%～40%。

旋片式真空泵的异步电动机要按最大负荷配置，旋片式真空泵用于抽除密封容器中的气体时，在运行过程中，只有开始段的较短时间内容器中气体压力还较大，异步电动机是工作于重载，而大部分的工作时间旋片式真空泵只需要维持密封容器内的较低气压，异步电动机工作于20%～40%的轻载状态。因异步电动机的定子绕组是直接与电网相接的，电动机定子的电压和转速都是恒定的。这样大部分时间内，异步电动机的效率及功率因数很低，白白浪费了大量电能。

下面针对上述的技术缺陷，提出一种以被抽密封容器内的气体压力为控制信号，对旋片式真空泵所接异步电动机的定子电压进行调节，以提高异步电动机轻载运行时的效率及功率因数。

（二）提高异步电动机轻载运行效率的原理

异步电动机运行时的总损耗 Σp为定子铜耗pDCus、铁损pFe、转子铜耗pZCur、机械损耗pmech以及杂散损耗ps之和，即

输入功率P1等于输出功率P2与电动机运行时的总损耗Σp之和。

异步电动机运行效率为电动机轴上输出功率P2与输入电动机的电功率P1之比：

异步电动机电磁转矩Te为转矩常数KT、气隙磁通Φm、转子电流

以及转子回路功率因数cosφr的乘积：

异步电动机定子电流为转子电流与励磁电流之和：

图1 异步电动机轻载降压运行的效率曲线

由图1可知，异步电动机轻载降压节能有一个最佳电压值。由于异步电动机和真空泵本身都存在空载损耗及真空泵存在一定的平衡负荷，同时考虑过度降低异步电动机定子电压会引起速降，影响真空泵的抽速，定子电压降低不宜过大，最低电压限制在额定电压UN的40%～50%，否则效率有可能降低并影响真空泵的抽速。

异步电动机的等效电路如图2所示。异步电动机轻载运行时，转子转速与同步转速接近，因此转差率s很小，等效电路中代表机械负载的附加电阻很大，此时定子电路中的主要由励磁电流决定，其相位滞后于定子电压的相位接近90。。因此异步电动机轻载运行时功率因数很低。

图2 异步电动机的等效电路

降低定子电压后，由图2可知，励磁电流Im跟着降低，则气隙磁通Φm亦降低，由式（4）可知转子有功电流Ir′增大，因此电动机的功率因数将得到提高。

（三）节能控制装置的实现

旋片式真空泵节能控制装置包括旋片式真空泵及与之驱动连接的异步电动机，旋片式真空泵接需要抽真空的密封容器，还有真空测量仪、控制装置及交流调压装置。 真空测量仪所接的气压传感器位于密封容器内，真空测量仪的电信号输出端与控制装置相连接，控制装置的控制端接与电网连接的交流调压装置，交流调压装置输出端接异步电动机。如图3所示。

图3 旋片式真空泵节能控制装置结构图

真空测量仪接收压力传感器传送的密封容器内的气体压力信号，经变送放大送入控制装置。控制装置存储有根据气体压力信号来调节电压的程序，将接收的气体压力信号与设定值比较，当被抽容器的气体压力低于设定值时，对交流调压装置发出降压指令。交流调压装置根据控制装置的指令，在气体压力降低时，向异步电动机提供调低的电压，从而降低能耗。真空测量仪上安装有气体压力显示表，可显示密封容器内当前的气体压力。

交流调压装置可以是改变异步电动机接线方式的装置，控制装置在判断气体压力小于设定值时，发出降压指令，交流调压装置接收到降压指令将三角形接线改为星形接线来降低电动机定子相电压，当控制装置无降压指令时，保持异步电动机的三角形接线方式。这种降压方法结构简单，价格低廉，但供电电压只有两档，不能精确调节。

交流调压装置也可以是三相晶闸管移相交流调压装置，控制装置根据气体压力表发出降压指令，当接收到控制装置的降压指令时，无级向下调节提供给电动机的电压，可实现最高效率控制。但控制较复杂，成本较高，且三相晶闸管移相交流调压会增加电网谐波电流及电动机的谐波损耗，节能效果将被打折扣。

交流调压装置也可以是三相正弦波脉宽调制（SPWM）交流调压装置，控制装置根据气体压力发出降压指令，当接收到控制装置的降压指令时，无级向下调节提供给电动机的电压，实现最高效率控制。这种调压方式是最理想的，但控制复杂，造价昂贵。

交流调压装置经过载保护装置与电网相连接，过载保护装置为异步电动机保护断路器或热继电器。

（四）应用实例

THDW-6型电子束焊机的焊接室内腔尺寸为600×600×800mm3，工作真空度要求优于5×10-2Pa。抽真空系统配置为油扩散高真空泵加旋片式真空泵，其中旋片式真空泵作为焊接室的预抽泵及油扩散高真空泵的前级泵。

旋片式真空泵型为2X-70，抽速为70L/S。

旋片式真空泵所配电动机型号为Y132M2-6，额定功率为5.5kW，额定电压为380V，三角形接法，额定电流13A，额定转速960转/分。

真空测量仪为ZDF-Ⅲ-LED高低真空复合真空计，该真空计共有4个真空设定段，以最低真空设定点（500Pa）为旋片式真空泵电动机降压控制设定点。利用电子束焊机所配的PLC单元接收真空计设定点动作信号，由PLC的输出点控制电动机的接法。当焊接室的真空度优于500 Pa时，电动机由三角形接线改为星形接线。

旋片式真空泵的入口真空优于10Pa时，电动机三角形接线和星形接线试验结果如表1所示。

表1 三角形接线和星形接线试验数据

由表1可知电动机由三角形接线改为星形接线，定子电流由6.58A降到3.13A，降幅超过50%，而功率因数由0.673提高到0.871。由此可见功率因数的提高及节能效果都很明显。改变电动机的接线后，电动机的转速变化并不大，只略小于额定转速，因此对旋片式真空泵抽速的影响可勿略不计。

另外电动机改接线降压控制方式，利用了PLC冗余输入、输出点，只多加两个交流接触器，对整台设备费用的增加甚微。

（五）结束语

1.以被抽密封容器的气体压力信号为调节依据，对驱动旋片式真空泵的异步电动机实行降压控制，在旋片式真空泵达到负荷平衡运行时电动机功耗降低50%以上，节能效果明显。

2.旋片式真空泵节能控制适用于单台或多台泵的节能控制。

3.旋片式真空泵节能控制装置结构简单，成本低，控制方便，易于推广应用。

4.旋片式真空泵节能控制方法可推广到其它机械真空泵的节能控制。

5.机械真空泵的节能控制方法已获得国家实用新型专利，专利号为ZL 2009201412304。

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1008-1151(2010)04-0115-02

2010-01-08

火炬计划项目（编号2009GH040181）；桂林国家高新区科技型中小企业科技创新基金项目（编号 基090706

莫力林（1962－），男，广西桂林人，桂林狮达机电技术工程有限公司高级工程师，研究方向为电子束加工设备。