旋片式真空泵是最常用的真空獲得設(shè)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入口壓力的變化而變化，有時甚至?xí)�相�?~2 倍的功率，因此驅(qū)動旋片泵的電機大部分時間處于輕載運行，電機的效率因而降低了。本文通過分析旋片泵工作效率的影響因素與各種功率控制方法，結(jié)合變頻式電機的應(yīng)用實現(xiàn)對旋片式真空泵驅(qū)動電機的功率控制。

　　旋片式真空泵是一種變?nèi)菔綒怏w傳輸真空泵，是真空技術(shù)中最基本的真空獲得設(shè)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(jù)2003 年的一份真空行業(yè)市場調(diào)研可知，旋片式真空泵占據(jù)整個泵種市場總量的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(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的主力軍。

　　旋片式真空泵是通過偏心安裝的轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而周期性的壓縮腔內(nèi)的被抽氣體，最后使泵腔內(nèi)的氣體達(dá)到排氣壓力，從而完成整個抽氣過程。不難發(fā)現(xiàn)，旋片泵的轉(zhuǎn)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(shù)的旋片泵都采用三相異步電動機驅(qū)動。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(nèi)的大多數(shù)情況下旋片泵的實際運轉(zhuǎn)功率并未達(dá)到電動機的額定功率狀態(tài)，有些時候甚至?xí)�相�? 倍。根據(jù)調(diào)研，一般驅(qū)動旋片泵的三相異步電動機輕載率往往高達(dá)20%~40%，這樣電機會大部分時間處于輕載狀態(tài)，大大浪費了能源。在現(xiàn)今旋片泵朝著大抽速、大功率方向發(fā)展的前提下，能耗問題越來越凸顯重要。

1、影響旋片泵功率因素的分析

　　旋片泵在每個運動周期內(nèi)都會經(jīng)歷吸氣、壓縮和排氣三個過程，其中的p-V 曲線如圖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(jié)底是控制驅(qū)動旋片泵電動機的功率，實現(xiàn)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實現(xiàn)控制。這種方法是通過一個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，控制裝置將送過來的壓力信號與已經(jīng)設(shè)定好的壓力信號進(jìn)行對比，進(jìn)而控制一個交流調(diào)壓裝置，降低電動機的輸入電壓從而實現(xiàn)了降低電機頻率的功效。這種控制方法的好處是當(dāng)某些真空工藝過程中充入一定量氣體造成真空室壓力上升時，控制裝置可以接受壓力傳感器的反饋信號，更快得實現(xiàn)功率上升，旋片泵轉(zhuǎn)速回升的作用。然而，預(yù)定的壓力值并不能覆蓋整個壓力范圍，并且調(diào)整電壓不宜太低，不能實現(xiàn)精確控制。

　　2)在上述方法基礎(chǔ)上，把交流調(diào)壓裝置換成現(xiàn)今技術(shù)較為先進(jìn)的三相正弦波脈寬調(diào)制交流調(diào)壓裝置。這種調(diào)壓裝置在接受到傳感器傳來的壓力信號時，可以實現(xiàn)無級向下調(diào)節(jié)供給電動機的電壓，實現(xiàn)高效控制。然后，采用這種控制方法會使得整個旋片泵控制系統(tǒng)造價過高，不利于市場推廣和大范圍使用。

　　3)無功補償功率控制。這種方法是通過直接與電機相連的一個補償裝置，對電機功率進(jìn)行無功補償。這種方法投資小，易開發(fā)。但是對于旋片泵這種不是常開狀態(tài)的設(shè)備來說，無功補償方式并不適合。

　　4)電磁調(diào)速。電磁調(diào)速系統(tǒng)由電動機、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵磁控制器組成。相對來說這種方法結(jié)構(gòu)較為簡單，易集成到旋片泵的控制系統(tǒng)中去。同時，它調(diào)速平滑、無級調(diào)速等優(yōu)點也很適合旋片泵。但是，這種方法不適于調(diào)控轉(zhuǎn)速過快的電機，然而旋片泵需求轉(zhuǎn)速一般都超過它的調(diào)控范圍。

　　綜上，上述四種控制方法雖然都各有優(yōu)點，但在關(guān)鍵性質(zhì)上還不能滿足旋片泵功率控制問題。例如，第一、二種方法利用交流調(diào)壓裝置來進(jìn)行功率控制時，控制范圍不能覆蓋整個壓力范圍或者說就算能也造價極高，不適合投入工業(yè)生產(chǎn);第三種方法雖然投資小，但是它適合于常開狀態(tài)的設(shè)備，而在工業(yè)生產(chǎn)中旋片泵并不是一種常開設(shè)備;最后一種方法在造價和使用性方面已經(jīng)非常接近我們所需要的程度了，然而電磁調(diào)速有它的局限性，這主要是在于通過磁- 電轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速微調(diào)的方式并不是適用于轉(zhuǎn)速快的電機，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速過快時有較

　　大的即時電流，這時候?qū)Υ艌鲐?fù)載要求極大，而旋片泵的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速非常快，這是由旋片泵本身特點造成的，因此它也不適合控制旋片泵功率。總結(jié)旋片泵功率控制需適應(yīng)的特點包括：調(diào)節(jié)范圍廣，適宜高轉(zhuǎn)速，平滑啟動，精度高等。而為了滿足所有上述特點的控制方式，本文選用變頻控制技術(shù)來實現(xiàn)旋片泵的功率控制。

　　2.2、變頻控制技術(shù)

　　變頻技術(shù)就是通過改變用電設(shè)備的供電頻率，進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)備輸出功率的目的。變頻技術(shù)隨著微電子學(xué)、電力電子、計算機和自動控制理論等的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入一個嶄新、逐漸成熟的技術(shù)，其應(yīng)用亦進(jìn)入了一個新的高潮。應(yīng)用該技術(shù)可通過變頻調(diào)速改變軸輸出功率，從而達(dá)到減少輸入功率節(jié)省電能的目的，是感應(yīng)式異步電動機節(jié)能的一個重要技術(shù)手段。變頻電機將“專用變頻感應(yīng)電動機+ 變頻器”共同使用進(jìn)行交流調(diào)速，從而使機械自動化程度和生產(chǎn)效率大為提高，目前正取代傳統(tǒng)的機械調(diào)速和直流調(diào)速方案。變頻已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)無級變速傳動。特別是隨著變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，變頻電機的適用也日益廣泛起來。

　　一般來說變頻技術(shù)控制手段現(xiàn)在主要有三種：U/f 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制。U/f 控制雖然構(gòu)造簡單、價格低廉但是動態(tài)性能較差不

　　適宜用在本文討論的功率控制技術(shù)上。轉(zhuǎn)差頻率控制雖然在U/f 控制基礎(chǔ)上加強了動態(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(diào)速動態(tài)性能并且有廣泛的通用性，現(xiàn)在應(yīng)用范圍日益廣泛起來，是相當(dāng)成熟的一種變頻調(diào)速技術(shù)。考慮到旋片式真空泵驅(qū)動電機只有一臺，對入口壓力需要有動態(tài)調(diào)控，再結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益最大化等問題，選用矢量控制方法最適合旋片泵功率控制。根據(jù)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，變頻器通過矢量控制方式控制電機實現(xiàn)電機的頻率控制，進(jìn)而控制旋片泵的轉(zhuǎn)速。具體的系統(tǒng)控制思路如下圖：

圖3 旋片泵功率控制原理圖

　　其中，幾個重要元件建議如下：

　　PLC———實現(xiàn)對系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)采集、運算及處理同時根據(jù)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 非常實用。

　　變頻器———根據(jù)抽氣過程的進(jìn)行，泵入口壓力的變化，接受PLC 傳達(dá)的指令實現(xiàn)對電機的變頻調(diào)節(jié)。可以選用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(yīng)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(tǒng)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(yīng)該大于101325 Pa~10^-2 Pa。本文以某典型旋片泵真空系統(tǒng)為例，設(shè)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(shè)計圖

3、結(jié)論

　　通過結(jié)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(diào)壓、無功補償、電磁調(diào)速和變頻技術(shù)四種功率控制實現(xiàn)方法，最終使用變頻技術(shù)解決變頻器的功率控制問題。在認(rèn)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，并舉出了一個簡單旋片泵真空系統(tǒng)功率控制實例。