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(dú)使用也可以作為其它真空泵的前級(jí)泵。但是旋片泵的功率隨著入口壓力的變化而變化，有時(shí)甚至?xí)�相�?~2 倍的功率，因此驅(qū)動(dòng)旋片泵的電機(jī)大部分時(shí)間處于輕載運(yùn)行，電機(jī)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(jié)合變頻式電機(jī)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)旋片式真空泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dú)使用，也常常作為其它真空泵的前級(jí)泵使用。據(jù)2003 年的一份真空行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研可知，旋片式真空泵占據(jù)整個(gè)泵種市場(chǎng)總量的90.38%，雖然近些年干式機(jī)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(guò)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(gè)抽氣過(guò)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)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(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)功率并未達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定功率狀態(tài)，有些時(shí)候甚至?xí)�相�? 倍。根據(jù)調(diào)研，一般驅(qū)動(dòng)旋片泵的三相異步電動(dòng)機(jī)輕載率往往高達(dá)20%~40%，這樣電機(jī)會(huì)大部分時(shí)間處于輕載狀態(tài)，大大浪費(fèi)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(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(yùn)動(dòng)周期內(nèi)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(dòng)旋片泵電動(dòng)機(jī)的功率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(xiàn)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(hào)，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(hào)與已經(jīng)設(shè)定好的壓力信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而控制一個(gè)交流調(diào)壓裝置，降低電動(dòng)機(jī)的輸入電壓從而實(shí)現(xiàn)了降低電機(jī)頻率的功效。這種控制方法的好處是當(dāng)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(hào)，更快得實(shí)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(gè)壓力范圍，并且調(diào)整電壓不宜太低，不能實(shí)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(lái)的壓力信號(hào)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)向下調(diào)節(jié)供給電動(dòng)機(jī)的電壓，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(bǔ)償功率控制。這種方法是通過(guò)直接與電機(jī)相連的一個(gè)補(bǔ)償裝置，對(duì)電機(jī)功率進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。這種方法投資小，易開(kāi)發(fā)。但是對(duì)于旋片泵這種不是常開(kāi)狀態(tài)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，無(wú)功補(bǔ)償方式并不適合。

　　4)電磁調(diào)速。電磁調(diào)速系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁控制器組成。相對(duì)來(lái)說(shuō)這種方法結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易集成到旋片泵的控制系統(tǒng)中去。同時(shí)，它調(diào)速平滑、無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)也很適合旋片泵。但是，這種方法不適于調(diào)控轉(zhuǎn)速過(guò)快的電機(jī)，然而旋片泵需求轉(zhuǎn)速一般都超過(guò)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(diǎn)，但在關(guān)鍵性質(zhì)上還不能滿足旋片泵功率控制問(wèn)題。例如，第一、二種方法利用交流調(diào)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(shè)備，而在工業(yè)生產(chǎn)中旋片泵并不是一種常開(kāi)設(shè)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(diào)速有它的局限性，這主要是在于通過(guò)磁- 電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速微調(diào)的方式并不是適用于轉(zhuǎn)速快的電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)有較

　　大的即時(shí)電流，這時(shí)候?qū)Υ艌?chǎng)負(fù)載要求極大，而旋片泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)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。總結(jié)旋片泵功率控制需適應(yīng)的特點(diǎn)包括：調(diào)節(jié)范圍廣，適宜高轉(zhuǎn)速，平滑啟動(dòng)，精度高等。而為了滿足所有上述特點(diǎn)的控制方式，本文選用變頻控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(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(guò)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(jì)算機(jī)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(yīng)用亦進(jìn)入了一個(gè)新的高潮。應(yīng)用該技術(shù)可通過(guò)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(dòng)機(jī)節(jié)能的一個(gè)重要技術(shù)手段。變頻電機(jī)將“專用變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+ 變頻器”共同使用進(jìn)行交流調(diào)速，從而使機(jī)械自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率大為提高，目前正取代傳統(tǒng)的機(jī)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(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。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(jī)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(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(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(zhuǎn)差頻率控制雖然在U/f 控制基礎(chǔ)上加強(qiáng)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(diào)速動(dòng)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(lái)，是相當(dāng)成熟的一種變頻調(diào)速技術(shù)�？紤]到旋片式真空泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)只有一臺(tái)，對(duì)入口壓力需要有動(dòng)態(tài)調(diào)控，再結(jié)合經(jīng)濟(jì)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(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(duì)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(hào)給變頻器，變頻器通過(guò)矢量控制方式控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(gè)重要元件建議如下：

　　PLC———實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算及處理同時(shí)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(shí)用。

　　變頻器———根據(jù)抽氣過(guò)程的進(jìn)行，泵入口壓力的變化，接受PLC 傳達(dá)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)節(jié)�？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(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(hào)。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(jì)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(jì)圖

3、結(jié)論

　　通過(guò)結(jié)合旋片泵對(duì)功率控制的諸多要求，本文比較了多種交流電調(diào)壓、無(wú)功補(bǔ)償、電磁調(diào)速和變頻技術(shù)四種功率控制實(shí)現(xiàn)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(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(gè)簡(jiǎn)單旋片泵真空系統(tǒng)功率控制實(shí)例。