变频调速在大型气冷罗茨真空泵抽气系统中的应用

　　由于气冷罗茨真空泵及其组成的机组不但具备普通罗茨泵转速高、体积小的优点，还具有配带合适的电机及热交换器后可在任意的压力下起动和运行。因此在①负载较大；②抽气时间要求短；③粗真空至高真空均需要大抽速；④普通罗茨泵不能承受的多种场合如航空航天、电力、钢铁处理、医药化工等行业得到了广泛的应用，但气冷罗茨泵巨大的配套功率又使许多厂家望而生畏。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。针对配套功率大这一症点，本文探讨了通过把变频器应用于2500L/s气冷罗茨泵的控制系统来降低它对大容器抽空时的配套功率和缩短抽气时间。

1、电动机的输入输出功率

　　电动机是将电能转换成机械能的器件。三相交流异步电动机输入的是三相电功率N1:

式（1）中：

　　N_1x———频率为fx 时电动机的输入功率，kW
　　U_Lx———频率为fx 时定子侧的线电压，V
　　I₁———定子侧的线电流，A
　　COS_φ1———定子侧电动机的输出功率

　　电动机是用来拖动负载旋转的，因此，其输出功率便是轴上的机械功率:

式(2)中:

　　N_2x———频率为fx 时电动机输出的机械功率，kW
　　T_M———电动机轴上的转矩，N·m
　　n_Mx———频率下降时电动机轴上的转速，r/min

　　式(1)表明, 电动机的输入功率和频率之间并无直接关系，而式(2)可知, 电动机的输出功率与转速（频率）成正比。

2、罗茨真空泵的消耗功率—负载特性

2.1、罗茨真空泵的抽气速率特性

　　罗茨真空泵的理论抽气速率S_th与转子转速的关系式为：

式（3）中：

　　n———转子的转速，r/min
　　R———转子的半径，mm
　　l———转子的长度，mm
　　λ———容积利用系数

　　式（3）表明对于具体的一台罗茨真空泵，转子的长度、半径和容积利用系数都是一个定值，在不考虑抽气效率的情况下，抽气速率与转子的转速n成正比。

2.2、功率特性

　　罗茨真空泵的消耗功率与罗茨泵的抽速及压差成正比。

式(4)中:

　　N罗———罗茨泵的消耗功率，kW
　　S_th———罗茨泵的理论抽气速率，L/s
　　Δp———罗茨真空泵的进排气压差，Pa
　　S _前———罗茨泵的前级泵抽气速率，L/s
　　P———罗茨泵的入口压力，10-6Pa

　　式（4）表明在罗茨泵的前级泵一定时，其耗功率与转子转速具有二次方负载的特性，与入口压力的变化成正比，如图1 与图2 所示。

图1 入口压力恒定消耗功率与转速关系曲线　　图2 转速恒定消耗功率与入口压力的关系曲线

3、变频器选用原理

3.1、选用原理

　　变频技术近几年来在国内外得到广泛应用。由式（4）知罗茨泵消耗功率在前级抽气速率S前一定的情况下，随着入口压力的增加而成正比地增加，而随着转速的降低而快速的降低。如图1与图2 的曲线所示。为了在泵运行过程中不使电机过载，在高的入口压力范围就要适当降低电机转速，使得式(2)值大于等于式(4)，即

　　而随着入口压力的降低可以不断提高转速直至达到工频转速，把变频应用于抽气机组降低配套功率就是基于这样的原理。

3.2、变频器与PLC及电机的连接

　　JZJQH2500-224真空机组的控制系统，如图3 所示，采用PLC作为控制系统的一级中枢，通过其自带的CPU，采集来自现场的传感器弱电信号，并将其处理后的结果通过控制变频器的频率输出来驱动现场泵电机，控制主泵电机的转速来达到设计所要求的系统抽气速率。

　　PLC的处理能力是控制的关键，不但要控制系统各部件的开停，还要处理现场气流温度、真空压力传感器所采集的弱电信号，并通过CPU运算，将结果反馈出来进行相应的处理。主泵电机的变频调速，通过CPU对系统真空压力的运算，根据实时的负载情况来控制变频器的频率输出，在主泵电机负荷允许的情况下最大限度提升主泵的抽气速率，而变频器又将实时的控制状态（频率、转速、负载情况）反馈回CPU进行实时调整控制数据。

　　系统中的变频器是泵轴转速控制的直接执行者，必须准确无误的执行CPU传送过来的指令，还要将电机反馈回来的负载信息准确的传回CPU系统。变频器和电动机的规格由负载的速度范围和转矩要求决定。

图3. JZJQH2500- 224抽气系统控制示意图