[00125082]分子泵专用变频器

①课题来源与背景； 真空获得技术是产生各类真空环境的基础技术，广泛服务于有真空要求的科学技术研究和国民经济发展的众多领域，如真空冶金、食品包装、电子工业、表面工程等。多年来，人们根据不同的使用要求和工作原理设计制作了多种真空获得产品，其中分子泵、离子泵是获得高真空和超高真空环境的关键设备之一，而涡轮式异步电机是分子泵、离子泵所必须的关键组件。 国外的真空获得变频驱动装置多为针对其运转和控制特点专门设计而成，应用了电力电子变频领域的先进成果，技术方案和产品结构合理，性能水平领先，产品成本并不太高。但由于技术上的垄断，这些产品在国内的售价普遍偏高，长期不能在实际应用中普及。 国内在这方面的研究不多，在实际设计和应用中基本是通过以下两个途径来解决需求： 一是20世纪70、80年代基于模拟电路和GTR功率器件设计的真空获得变频驱动装置，受当时技术理论和电子器件水平的限制，在变频范围、运转性能等方面都不尽如人意。在变频技术向数字化、集成化高速发展的今天已相对落后，不能满足真空获得装置运行性能提高的需要。 二是20世纪80年代后，随着通用变频器在国内逐渐普及，国内的真空获得装置制造厂家采用通用变频器来实现涡轮异步电机的变频驱动。由于涡轮异步电机的额定电压低，电流较大，如果使用通用变频器直接驱动，必须选择大容量的变频器，否则，必须在变频器的输出端加中频变压器降压来实现。显然，这种方案既不经济又不合理。 另外，以上的方案都存在驱动装置体积大，产品性价比低的问题。在客观上使得国内真空获得装置的性能与国外存在不小的差距。因此，提高真空获得装置高性价比是所有制造厂家的迫切需求，也是我们变频调速器厂家重要研究课题。 ②技术原理及性能指标； 1、变频调速器原理 直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪上半时期，鉴于直流传动系统的优越调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80﹪以上的不变速传动都采用交流电动机。 20世纪60～70年代，随着电力电子技术的发展，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能的交流调速系统应运而生，并迅速成为电气传动控制的主要发展方向。 交流异步电动机调速的方法很多，有变压调速，变极对数调速和变压变频调速等，其中变压变频调速可以实现平滑的无极调速，调速范围宽，可以构成高动态性能的交流调速系统，已成为研究和发展的主流，这也是真空获得装置驱动的理想方式。 交流异步电动机的转速表达式为： 式中：n为电机转速（rpm） s：转差率 f：输入电源频率（Hz） p：极对数 依据上式，改变电源的频率就可以改变转子转速，这就是变频调速的基本原理。 2、变频调速器控制方式 根据电机学原理，异步电动机外加电压主要和绕组的反电动势平衡，而绕组的反电动势与电源频率和每级下的磁通量有关： 异步电动机在基频以下进行变频调速的基本要求是保持每级下的气隙磁通为额定值。为了充分利用贴心材料，在电机设计时，一般将额定工作点选择在磁化曲线开始弯曲处。 增加将引起铁心过饱和、励磁电流急剧增加，导致绕组过热，功率因数降低，严重时损害电动机； 减小将导致电动机输出转矩下降，当负载转矩不变时相当于过负荷运行，势必导致定、转子过电流，也要产生过热。所以，在变频调速过程中希望 恒定。 为了保持 不变，在改变电源频率f1的同时，必须按比例改变感应电动势E1， 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降而认定定子相电压U≈E1，则有： 这种控制方法称为恒压频控制，也因为是控制电压和频率之比而称为V/F控制。同时，由于磁通恒定，转矩恒定，具有“恒转矩调速”性质。 但在频率降低时，定子漏磁阻抗压降不能忽略，异步电动机将因为最大转矩下降而使带载能力受到限制，这时，可以人为的提高定子电压U来近似地补偿定子压降。 在基频以上进行调速时，由于电动机绕组是按额定电压等级设计的，定子电压不可能与频率成正比的升高，只能保持在额定电压，这将会使气隙磁通 随频率f1的升高而反比例下降。转速升高，转矩降低，基本上属于“恒功率调速”性质。 ③技术的创造性与先进性； 本装置采用了低压控制技术、飞车起动技术和自动识别技术，完全能满足分子泵负载运行的要求，在技术上达到了国际先进水平。 ④技术的成熟程度，适用范围和安全性； 技术成熟度 近年来，交流电机变频调速器及其相关技术的研究已成为现代电气传动领域的一个重要课题，并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电动机控制理论的发展，交流变频调速技术取得巨大进步。在交流变频调速领域中，脉宽调制技术作为一项关键技术，在变频调速技术的发展中得到重要应用，而恒压频比控制（V/F=C）是通用变频调速器中应用最广泛的一种控制方式。本装置以涡轮式异步电机为被控对象，运用了成熟的VVVF控制理论，结合分子泵负载实际运行特性，专门设计了转矩补偿特性、死区补偿特殊、变载频特性，使分子泵的运行性能得到了很大的改善，经过大量模拟试验和现场调试，控制性能优异，噪音小，力矩大，通过振动测试仪检测，振动系数在1.17×10-4mm，涡轮电机运行平衡，能够很好的控制分子泵负载。 ⑤应用情况及存在的问题； 还需要解决的问题 目前在飞车起动上，从最高转速开始搜索，根据电流判断电机的当前转速，若从零转速开始正常起动，需要很长的起动时间，有待于我们进一步的改进。 今后研究的方向 1、采用变频变压调速和PWM技术必然带来的问题是谐波对转矩和噪音的影响，需要更深入的研究谐波抑制问题，如滤波技术等。 2、根据电动机的反电动势，定位跟踪电机的转速，提高跟踪的效率。 3、设计机电一体化产品，驱动装置和负载有机结合。