杨 飞，田德华，李 宁，杨世国

（济南西门子变压器有限公司，山东济南 250014）

1 问题

一套1989年国产煤油气相干燥设备，用于真空干燥（110～750）kV变压器线圈和器身产品。工艺流程分5个阶段：准备阶段（R），加热阶段（H），降压阶段（P），高真空阶段（V），通风阶段（A）。该设备真空系统（图1）由2台前级旋片真空泵和1台罗茨泵组成。设备在R,H,P,V运行阶段都需要真空控制系统抽真空，其中在准备阶段和高真空阶段，罗茨泵启动抽真空。现有的罗茨泵控制系统为手动控制，当真空度达到一定值时，工作人员手动启动，罗茨泵为50 Hz定频工作，如果一个干燥过程为30 h，罗茨泵大约运行16 h，工作效率低、能耗较大，影响正常生产。

2 罗茨泵控制系统改造

2.1 改造方案

（1）解决设备自动化问题。人工操作影响因素多，如罗茨泵启动不准时，延长工作时间。为提升设备的自动化程度，采用PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）控制罗茨泵，当真空度达到设定值时罗茨泵启动运行。

（2）为降低设备能耗，提高设备工作效率，采用新式变频电机罗茨泵组，利用变频器控制罗茨泵电机。PLC和变频器控制罗茨泵真空系统结合实现设备自动化改造，提高生产效率。

图1 煤油气相干燥真空机组系统

2.2 罗茨泵控制系统PLC控制程序的设计

PLC控制具有可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，编程方便，易于使用，扩张能力强，设计、安装、调试、维修方便等优点。罗茨泵系统控制功能主要通过软件实现，结合真空泵系统控制要求设计PLC程序。

罗茨泵系统控制的部分梯形图及程序注释如图2所示。为利于生产操作，PLC程序设置“自动/手动”启动选择功能X0，根据工作需要选择手动运行或自动运行。设置真空度自动采集、比较，输出置位、复位点。设置1号前级旋片真空泵启动给定点X19和2号前级旋片真空泵启动给定点X1A，2个前级泵启动后，进行真空度采集比较，按照罗茨泵的运行要求，将真空度7.5 kPa设置为罗茨泵启动点。真空度达到7.5 kPa，R20置位。如果真空度不满足条件，或者有1个前级泵停机或未运行，R20复位。在准备阶段、高真空阶段设备自动或手动，只要满足R20真空度≥7.5 kPa，输出罗茨泵启动点，PLC输出信号给罗茨泵变频器，罗茨泵变频器接到指令启动运行或停止。

图2 罗茨泵系统控制部分梯形图

2.3 罗茨泵变频器控制系统电气设计

交流变频器是微计算机及现代电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电子器件构成变频器的主电路。由于交流电的频率恒定不变，而交流电机的同步转速、异步电机转速、电机转差率与输入电机的电流频率成正比或者接近正比，因此，改变频率可以改变电机运行速度，提高设备运行效率，降低能耗。

（1）电机将电能转换成机械能，三相交流异步电机输入三相电功率。式中N1x频率为fx时电机的输入功率，ULx是频率为fx时电机定子侧线电压，I1是电机定子侧线电流，cosφ1是电机功率因数。

（2）电机拖动负载旋转，输出功率就是其轴上的机械功率。电机轴的转矩T=9549P0/n0，故输出功率P0=Tn0/9549。式中P0是频率为f时电机输出的机械功率，T是电机轴转矩，n0是电机轴转速。罗茨泵属于容积泵，其理论抽速Sth=4nLA0。式中n是转子转速，L是转子长度，A0是泵腔抽气面积。由理论抽速计算式可知L和A0为定值，因此抽速与转子转速成正比。

（3）罗茨泵的消耗功率Pr=ΔPSth。式中ΔP是罗茨泵进排气压差。

通过电机机械功率计算式和罗茨泵消耗功率计算式可知，当电机机械功率P0和罗茨泵的消耗功率Pr相等，即P0≥Pr时，罗茨泵可以正常工作。因此，只需调整转子转速，即电机运行频率，就可以控制罗茨泵运行，这就是变频器控制罗茨泵的基本原理。

罗茨泵的变频器电气控制如图3所示，PLC输出罗茨泵启动信号后，变频器收到罗茨泵启动指令，罗茨泵电机启动，罗茨泵根据不同的频率信号运行；当接收到停止指令后罗茨泵减速制动停止运行；当发生故障时变频器输出故障报警信号，设备故障停机。

图3 罗茨泵变频器电气控制

3 改造效果

（1）设备改造后经过1 a的使用，运行稳定，未出现异常情况。设备电气自动化升级改造，提高了工作效率，自动化控制设备运行降低了操作工的工作量。

（2）改造后设备节能降耗，整体生产效率得到很大提高。经测试，以改造前干燥工艺30 h的变压器产品为例，罗茨泵运行时间由16 h降至12.5 h，设备整体生产效率提升11.67%。

（3）改造后设备故障率明显下降。实际统计设备故障率同比下降18.2%。