煤油真空氣相干燥羅茨泵控制系統(tǒng)改造

楊 飛，田德華，李 寧，楊世國(guó)

（濟(jì)南西門子變壓器有限公司，山東濟(jì)南 250014）

1 問題

一套1989年國(guó)產(chǎn)煤油氣相干燥設(shè)備，用于真空干燥（110～750）kV變壓器線圈和器身產(chǎn)品。工藝流程分5個(gè)階段：準(zhǔn)備階段（R），加熱階段（H），降壓階段（P），高真空階段（V），通風(fēng)階段（A）。該設(shè)備真空系統(tǒng)（圖1）由2臺(tái)前級(jí)旋片真空泵和1臺(tái)羅茨泵組成。設(shè)備在R,H,P,V運(yùn)行階段都需要真空控制系統(tǒng)抽真空，其中在準(zhǔn)備階段和高真空階段，羅茨泵啟動(dòng)抽真空?，F(xiàn)有的羅茨泵控制系統(tǒng)為手動(dòng)控制，當(dāng)真空度達(dá)到一定值時(shí)，工作人員手動(dòng)啟動(dòng)，羅茨泵為50 Hz定頻工作，如果一個(gè)干燥過程為30 h，羅茨泵大約運(yùn)行16 h，工作效率低、能耗較大，影響正常生產(chǎn)。

2 羅茨泵控制系統(tǒng)改造

2.1 改造方案

（1）解決設(shè)備自動(dòng)化問題。人工操作影響因素多，如羅茨泵啟動(dòng)不準(zhǔn)時(shí)，延長(zhǎng)工作時(shí)間。為提升設(shè)備的自動(dòng)化程度，采用PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制羅茨泵，當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí)羅茨泵啟動(dòng)運(yùn)行。

（2）為降低設(shè)備能耗，提高設(shè)備工作效率，采用新式變頻電機(jī)羅茨泵組，利用變頻器控制羅茨泵電機(jī)。PLC和變頻器控制羅茨泵真空系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化改造，提高生產(chǎn)效率。

圖1 煤油氣相干燥真空機(jī)組系統(tǒng)

2.2 羅茨泵控制系統(tǒng)PLC控制程序的設(shè)計(jì)

PLC控制具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活，編程方便，易于使用，擴(kuò)張能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。羅茨泵系統(tǒng)控制功能主要通過軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合真空泵系統(tǒng)控制要求設(shè)計(jì)PLC程序。

羅茨泵系統(tǒng)控制的部分梯形圖及程序注釋如圖2所示。為利于生產(chǎn)操作，PLC程序設(shè)置“自動(dòng)/手動(dòng)”啟動(dòng)選擇功能X0，根據(jù)工作需要選擇手動(dòng)運(yùn)行或自動(dòng)運(yùn)行。設(shè)置真空度自動(dòng)采集、比較，輸出置位、復(fù)位點(diǎn)。設(shè)置1號(hào)前級(jí)旋片真空泵啟動(dòng)給定點(diǎn)X19和2號(hào)前級(jí)旋片真空泵啟動(dòng)給定點(diǎn)X1A，2個(gè)前級(jí)泵啟動(dòng)后，進(jìn)行真空度采集比較，按照羅茨泵的運(yùn)行要求，將真空度7.5 kPa設(shè)置為羅茨泵啟動(dòng)點(diǎn)。真空度達(dá)到7.5 kPa，R20置位。如果真空度不滿足條件，或者有1個(gè)前級(jí)泵停機(jī)或未運(yùn)行，R20復(fù)位。在準(zhǔn)備階段、高真空階段設(shè)備自動(dòng)或手動(dòng)，只要滿足R20真空度≥7.5 kPa，輸出羅茨泵啟動(dòng)點(diǎn)，PLC輸出信號(hào)給羅茨泵變頻器，羅茨泵變頻器接到指令啟動(dòng)運(yùn)行或停止。

圖2 羅茨泵系統(tǒng)控制部分梯形圖

2.3 羅茨泵變頻器控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

交流變頻器是微計(jì)算機(jī)及現(xiàn)代電子技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果。微計(jì)算機(jī)是變頻器的核心，電子器件構(gòu)成變頻器的主電路。由于交流電的頻率恒定不變，而交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速、異步電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)差率與輸入電機(jī)的電流頻率成正比或者接近正比，因此，改變頻率可以改變電機(jī)運(yùn)行速度，提高設(shè)備運(yùn)行效率，降低能耗。

（1）電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，三相交流異步電機(jī)輸入三相電功率。式中N1x頻率為fx時(shí)電機(jī)的輸入功率，ULx是頻率為fx時(shí)電機(jī)定子側(cè)線電壓，I1是電機(jī)定子側(cè)線電流，cosφ1是電機(jī)功率因數(shù)。

（2）電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)，輸出功率就是其軸上的機(jī)械功率。電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩T=9549P0/n0，故輸出功率P0=Tn0/9549。式中P0是頻率為f時(shí)電機(jī)輸出的機(jī)械功率，T是電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩，n0是電機(jī)軸轉(zhuǎn)速。羅茨泵屬于容積泵，其理論抽速Sth=4nLA0。式中n是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，L是轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，A0是泵腔抽氣面積。由理論抽速計(jì)算式可知L和A0為定值，因此抽速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。

（3）羅茨泵的消耗功率Pr=ΔPSth。式中ΔP是羅茨泵進(jìn)排氣壓差。

通過電機(jī)機(jī)械功率計(jì)算式和羅茨泵消耗功率計(jì)算式可知，當(dāng)電機(jī)機(jī)械功率P0和羅茨泵的消耗功率Pr相等，即P0≥Pr時(shí)，羅茨泵可以正常工作。因此，只需調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，即電機(jī)運(yùn)行頻率，就可以控制羅茨泵運(yùn)行，這就是變頻器控制羅茨泵的基本原理。

羅茨泵的變頻器電氣控制如圖3所示，PLC輸出羅茨泵啟動(dòng)信號(hào)后，變頻器收到羅茨泵啟動(dòng)指令，羅茨泵電機(jī)啟動(dòng)，羅茨泵根據(jù)不同的頻率信號(hào)運(yùn)行；當(dāng)接收到停止指令后羅茨泵減速制動(dòng)停止運(yùn)行；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)變頻器輸出故障報(bào)警信號(hào)，設(shè)備故障停機(jī)。

圖3 羅茨泵變頻器電氣控制

3 改造效果

（1）設(shè)備改造后經(jīng)過1 a的使用，運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常情況。設(shè)備電氣自動(dòng)化升級(jí)改造，提高了工作效率，自動(dòng)化控制設(shè)備運(yùn)行降低了操作工的工作量。

（2）改造后設(shè)備節(jié)能降耗，整體生產(chǎn)效率得到很大提高。經(jīng)測(cè)試，以改造前干燥工藝30 h的變壓器產(chǎn)品為例，羅茨泵運(yùn)行時(shí)間由16 h降至12.5 h，設(shè)備整體生產(chǎn)效率提升11.67%。

（3）改造后設(shè)備故障率明顯下降。實(shí)際統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障率同比下降18.2%。