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变频器在真空泵上的应用
The Application of Inverter in Vacuum  Machine

摘 要 ：介绍了变频调速器在真空泵上的应用，并简要说明了节能原理及变频器参数设置。
英文摘 要: The Application  of vector  Inverter  in  Vacuum Pump  Machine  in  this  paper, and breic fly explain the theory of energy savig and parameter setting of inverter.

关键词： 变频器  水循环真空泵   节能   有效抽率

1、引言
在生产行业，由于电费的成本已成为原材料成本，人工成本之后的第三大开支;在用电紧张的今天，节省电费已成为企业经营者考虑的一件大事;而水循环真空系统是广泛地运用到生产的各行业中，成为生产中的重要设备之一，同时是主要的耗电设备之一。按照生产工艺的要求，我公司有3台水循环真空泵组成的真空系统。在使用中，有2台真空泵长期固定在最大的转速下运行，另一台备用。在实际生产工况中，真空系统的实际机械有效抽率在绝大部分时间内远比设计的容器有效抽率高;在转速固定的情况下，实际真空度远远大于生产要求的真空度，这样就造成真空泵电机功耗的严重浪费，故对谁循环真空泵进行变频节能自动化控制改造 具有一定的现实意义。
2、 水循环真空泵运行工况分析
2.1 水循环真空泵的基本原理
水环式真空泵是液环式真空泵中最常见的一种。液环式真空泵是带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。当它旋转时，把液体抛向泵壳并形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的旋转变容真空泵。当工作液体为水时，称水环泵。水环泵工作轮在泵体中旋转时形成了水环和工作室。水环与工作轮构成了月牙形空间。右边半个月牙形的容积由小变大，形成吸气室。左边的半个月牙形的容积由大变小，构成了压缩过程(相当于排气室)。被抽气体由进气管和进气口进入吸气室。转子进一步转动，使气体受压缩，经过排气口和排气管排出。排出的气体和水滴由排气管道进入水箱，此时气体由水中分离出来，气体经管管道排到大气中，水由水箱进入泵中，或经过管道排到排水设备中。
水环泵主要用于粗真空、抽气量大的工艺过程中。在化工、石油、轻工、医药及食品工业中得到了广泛地应用，如真空过滤、真空送料、真空浓缩、真空脱气等。
2.2 水循环真空泵的节能原理
由粗抽泵的抽率公式（1）可以看出，当真空系统的Q1为恒量时，S与P1成反比例关系，P1越小，需要的机械泵的有效抽率越大；如P1的值大于实际需要的值，则就存在过剩真空而造成机械泵的有效抽率的浪费。同时，当生产工矿发生变化时，Q1的值也会是一个变量，S与Q1成正比关系，及机械泵的有效抽率受漏气率与需要达到的预真空两个条件影响而成比例关系变化；如果漏气率过大而超过先期使用的机械泵的有效抽率，则必需投入新的机械泵来满足真空度；漏气是生产使用过程中造成的，是可控而少量的，所以又造成了更多得过剩真空的浪费。
根据公式（1），可以得出公式（2），从公式（2）我们可以看出，生产需要的真空P1可以作为调节量，作为调解量P1有一个SV值是一个恒定值，实际检测到的真空度PV与SV之间的差值MV，作为调节机械泵有效抽率的调节值，通过变频器进行调解机械泵的有效抽率来节能降耗。
S＝Q1/ P1(l/s)........(1)
P1＝Q1/S (托)………… (2)
S－机械泵有效抽速
Q1－真空系统漏气率(托·升/秒)
P1－需要达到的预真空度(托)
3、 真空系统自动控制节能改造分析
3.1 运行现状
我公司使用的真空系统是由三台水循环真空泵（额定功率75kw）组成的一个真空系统，主要用于纺丝车间的卷曲工艺使用，每条生产线有24个吸入丝束的吸嘴。在平时不使用吸嘴或使用吸嘴数少于3个的情况下，一台真空泵可以达到生产需要的真空度。在大于3个吸嘴数的工况下，要维持需要的真空度，就必须启动2台真空泵。但是，长期工况下使用的吸嘴都少于3个（修板的时候只用一个吸嘴），但是为了防止突然发生的24台纺丝泵停止事故，一直使用2台真空泵，另一台备用，这就造成了一台真空泵的能源浪费。
3.2 可行性分析
根据运行现状，在要满足生产应急需求的条件下考虑降低真空系统的能源消耗。我公司使用的控制系统是Y-△的启动控制方式，为此我们将一台真空泵维持原来的Y-△控制系统，以满足真空系统的真空度要求；另一台改造为变频器控制的真空泵，同时用真空压度信号对其机械有效抽率进行控制。
4、 系统实现
4.1真空系统改造的系统结构
本改造项目选用的SIEMENS 6SE-7系列变频器一台，使用原有电机（75KW），在真空室上安装一台YOKOGAWA的EJA110A的压力变送器，原控制系统作为应急检修备用，增加一套自动调节控制系统。变频装置具有工频旁路功能，用于变频与工频之间的切换;旁路刀闸容量满足工频要求，刀闸具有防误操作的机械闭锁功能，并带有电磁栓，以作为电气连锁的保护，防止误操作。变频器、断路器、刀闸和电缆的一次电路见图1。

图1
变频器的旁路柜具备“五防”功能，旁路刀闸、进线刀闸和出线刀闸及断路 器 之间具备以下闭锁:旁路刀闸与进线刀闸和出线刀闸机械连锁，旁路刀闸闭合时， 进线刀闸和出线刀闸不能合;进线刀闸和出线刀闸闭合时，旁路刀闸不能合;断路器在闭合位置时，所有刀闸的电磁栓动作，并锁定刀闸，所有刀闸都不能操作。
4.2 改造后的系统工作原理
按照图1进行改造一台原有的系统，利用已存在的DCS控制系统，接入压力变送器检测到的真空度的信号，在DCS内部编程换算成实际的真空度P2，用实际的真空度与设定的生产需要的真空度P1之间的差值（MV=P2-P1）输出信号调解变频器的工作频率，以达到生产需要的真空抽率。工作人员可以在DCS的监控画面上监控系统真空度是否满足生产要求，也可以在DCS人机操作台上设置改变系统的真空度，注意不要超过系统设计的真空度。
4.3 系统改造投入及运行效果
4.3.1本系统改造，主要投入的设备有：
（1）SIEMENS的6SE70系列变频器一台 380V/75KW 现有
（2）YOKOGAWA的EJA110A变送器一台 输出4~20mA电流信号
本系统改造费用包括设备费和其他辅助费用总投入3万元左右。
4.3.2改造后的节电效果
应用变频调速技术改造后产生的节电效果，我做了一个在正常工况条件下的节电效果预测，在正常使用的情况下，用变频器驱动的真空泵将近每小时节能46KW，真空泵每天平均节约电费 1104 度; 应急工况按照10%扣除，全年运行10个月(即300天计算，除去检修停车)，电价每kWh为0.50元，则全年节约电费为:
    300天×（1104 ×90% ）度/天×0.50（元/度）= 14.9万元
此后该项目每年可为公司节约电费14.9万元，经济效益非常显。
5  结束语
针对真空泵系统分析了调速运行时的工况，表明应用了变频器以后能达到最大节能效果，系统投运后，运行稳定。应用变频器的模拟量调节变频器的运行，不仅节约了大量的能源，同时也有效的满足了生产应急时随时满足真空度的要求，也减少启停过程对真空泵机械部分的冲击，延长使用寿命，完美的监控和可靠性措施提高了系统的工作效率。