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入口壓力的變化而變化，有時甚至會相差1~2 倍的功率，因此驅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，結合變頻式電機的應用實現對旋片式真空泵驅動電機的功率控制。

　　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 年的一份真空行業市場調研可知，旋片式真空泵占據整個泵種市場總量的90.38%，雖然近些年干式機械真空泵發展迅猛，但是旋片泵仍是真空獲得設備應用領域的主力軍。

　　旋片式真空泵是通過偏心安裝的轉子連續旋轉，進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，從而完成整個抽氣過程。不難發現，旋片泵的轉子為了抽空或者保持真空狀態一直都處在工作狀態。目前大多數的旋片泵都采用三相異步電動機驅動。電機功率并不發生改變，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際運轉功率并未達到電動機的額定功率狀態，有些時候甚至會相差1 倍。根據調研，一般驅動旋片泵的三相異步電動機輕載率往往高達20%~40%，這樣電機會大部分時間處于輕載狀態，大大浪費了能源。在現今旋片泵朝著大抽速、大功率方向發展的前提下，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都會經歷吸氣、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底是控制驅動旋片泵電動機的功率，實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實現控制。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設定好的壓力信號進行對比，進而控制一個交流調壓裝置，降低電動機的輸入電壓從而實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壓力范圍，并且調整電壓不宜太低，不能實現精確控制。

　　2)在上述方法基礎上，把交流調壓裝置換成現今技術較為先進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的壓力信號時，可以實現無級向下調節供給電動機的電壓，實現高效控制。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，對電機功率進行無功補償。這種方法投資小，易開發。但是對于旋片泵這種不是常開狀態的設備來說，無功補償方式并不適合。

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

　　綜上，上述四種控制方法雖然都各有優點，但在關鍵性質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壓裝置來進行功率控制時，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，不適合投入工業生產;第三種方法雖然投資小，但是它適合于常開狀態的設備，而在工業生產中旋片泵并不是一種常開設備;最后一種方法在造價和使用性方面已經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，這主要是在于通過磁- 電轉換實現電機轉速微調的方式并不是適用于轉速快的電機，當電機轉速過快時有較

　　大的即時電流，這時候對磁場負載要求極大，而旋片泵的驅動電機轉速非常快，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。總結旋片泵功率控制需適應的特點包括：調節范圍廣，適宜高轉速，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來實現旋片泵的功率控制。

　　2.2、變頻控制技術

　　變頻技術就是通過改變用電設備的供電頻率，進而達到控制設備輸出功率的目的。變頻技術隨著微電子學、電力電子、計算機和自動控制理論等的發展，已經進入一個嶄新、逐漸成熟的技術，其應用亦進入了一個新的高潮。應用該技術可通過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，是感應式異步電動機節能的一個重要技術手段。變頻電機將“專用變頻感應電動機+ 變頻器”共同使用進行交流調速，從而使機械自動化程度和生產效率大為提高，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無級變速傳動。特別是隨著變頻器在工業控制領域的應用，變頻電機的適用也日益廣泛起來。

　　一般來說變頻技術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 控制雖然構造簡單、價格低廉但是動態性能較差不

　　適宜用在本文討論的功率控制技術上。轉差頻率控制雖然在U/f 控制基礎上加強了動態性能，但是通用性較差。只有矢量控制方式不僅有較高的調速動態性能并且有廣泛的通用性，現在應用范圍日益廣泛起來，是相當成熟的一種變頻調速技術。考慮到旋片式真空泵驅動電機只有一臺，對入口壓力需要有動態調控，再結合經濟效益最大化等問題，選用矢量控制方法最適合旋片泵功率控制。根據式(3)可知旋片泵的功率跟泵入口壓力呈一定關系，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電機的頻率控制，進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，幾個重要元件建議如下：

　　PLC———實現對系統的運行數據采集、運算及處理同時根據需要向變頻器發布操作命令;可以選用三菱FX1S 系列，這種PLC 集成性能優良，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———根據抽氣過程的進行，泵入口壓力的變化，接受PLC 傳達的指令實現對電機的變頻調節。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，另外這款變頻器應用于包括化工，冶金，紙漿等多行業領域，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、無功補償、電磁調速和變頻技術四種功率控制實現方法，最終使用變頻技術解決變頻器的功率控制問題。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思路圖，并舉出了一個簡單旋片泵真空系統功率控制實例。