技術詳細介紹
①課題來源與背景； 真空獲得技術是產生各類真空環境的基礎技術，廣泛服務于有真空要求的科學技術研究和國民經濟發展的眾多領域，如真空冶金、食品包裝、電子工業、表面工程等。多年來，人們根據不同的使用要求和工作原理設計制作了多種真空獲得產品，其中分子泵、離子泵是獲得高真空和超高真空環境的關鍵設備之一，而渦輪式異步電機是分子泵、離子泵所必須的關鍵組件。 國外的真空獲得變頻驅動裝置多為針對其運轉和控制特點專門設計而成，應用了電力電子變頻領域的先進成果，技術方案和產品結構合理，性能水平領先，產品成本并不太高。但由于技術上的壟斷，這些產品在國內的售價普遍偏高，長期不能在實際應用中普及。 國內在這方面的研究不多，在實際設計和應用中基本是通過以下兩個途徑來解決需求： 一是20世紀70、80年代基于模擬電路和GTR功率器件設計的真空獲得變頻驅動裝置，受當時技術理論和電子器件水平的限制，在變頻范圍、運轉性能等方面都不盡如人意。在變頻技術向數字化、集成化高速發展的今天已相對落后，不能滿足真空獲得裝置運行性能提高的需要。 二是20世紀80年代后，隨著通用變頻器在國內逐漸普及，國內的真空獲得裝置制造廠家采用通用變頻器來實現渦輪異步電機的變頻驅動。由于渦輪異步電機的額定電壓低，電流較大，如果使用通用變頻器直接驅動，必須選擇大容量的變頻器，否則，必須在變頻器的輸出端加中頻變壓器降壓來實現。顯然，這種方案既不經濟又不合理。 另外，以上的方案都存在驅動裝置體積大，產品性價比低的問題。在客觀上使得國內真空獲得裝置的性能與國外存在不小的差距。因此，提高真空獲得裝置高性價比是所有制造廠家的迫切需求，也是我們變頻調速器廠家重要研究課題。 ②技術原理及性能指標； 1、變頻調速器原理 直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀先后誕生。在20世紀上半時期，鑒于直流傳動系統的優越調速性能，高性能可調速傳動都采用直流電動機，而約占電氣傳動總容量80﹪以上的不變速傳動都采用交流電動機。 20世紀60～70年代，隨著電力電子技術的發展，特別是大規模集成電路和計算機控制的出現，高性能的交流調速系統應運而生，并迅速成為電氣傳動控制的主要發展方向。 交流異步電動機調速的方法很多，有變壓調速，變極對數調速和變壓變頻調速等，其中變壓變頻調速可以實現平滑的無極調速，調速范圍寬，可以構成高動態性能的交流調速系統，已成為研究和發展的主流，這也是真空獲得裝置驅動的理想方式。 交流異步電動機的轉速表達式為： 式中：n為電機轉速（rpm） s：轉差率 f：輸入電源頻率（Hz） p：極對數 依據上式，改變電源的頻率就可以改變轉子轉速，這就是變頻調速的基本原理。 2、變頻調速器控制方式 根據電機學原理，異步電動機外加電壓主要和繞組的反電動勢平衡，而繞組的反電動勢與電源頻率和每級下的磁通量有關： 異步電動機在基頻以下進行變頻調速的基本要求是保持每級下的氣隙磁通為額定值。為了充分利用貼心材料，在電機設計時，一般將額定工作點選擇在磁化曲線開始彎曲處。 增加將引起鐵心過飽和、勵磁電流急劇增加，導致繞組過熱，功率因數降低，嚴重時損害電動機； 減小將導致電動機輸出轉矩下降，當負載轉矩不變時相當于過負荷運行，勢必導致定、轉子過電流，也要產生過熱。所以，在變頻調速過程中希望 恒定。 為了保持 不變，在改變電源頻率f1的同時，必須按比例改變感應電動勢E1， 然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降而認定定子相電壓U≈E1，則有： 這種控制方法稱為恒壓頻控制，也因為是控制電壓和頻率之比而稱為V/F控制。同時，由于磁通恒定，轉矩恒定，具有“恒轉矩調速”性質。 但在頻率降低時，定子漏磁阻抗壓降不能忽略，異步電動機將因為最大轉矩下降而使帶載能力受到限制，這時，可以人為的提高定子電壓U來近似地補償定子壓降。 在基頻以上進行調速時，由于電動機繞組是按額定電壓等級設計的，定子電壓不可能與頻率成正比的升高，只能保持在額定電壓，這將會使氣隙磁通 隨頻率f1的升高而反比例下降。轉速升高，轉矩降低，基本上屬于“恒功率調速”性質。 ③技術的創造性與先進性； 本裝置采用了低壓控制技術、飛車起動技術和自動識別技術，完全能滿足分子泵負載運行的要求，在技術上達到了國際先進水平。 ④技術的成熟程度，適用范圍和安全性； 技術成熟度 近年來，交流電機變頻調速器及其相關技術的研究已成為現代電氣傳動領域的一個重要課題，并且隨著新的電力電子器件和微處理器的推出以及交流電動機控制理論的發展，交流變頻調速技術取得巨大進步。在交流變頻調速領域中，脈寬調制技術作為一項關鍵技術，在變頻調速技術的發展中得到重要應用，而恒壓頻比控制（V/F=C）是通用變頻調速器中應用最廣泛的一種控制方式。本裝置以渦輪式異步電機為被控對象，運用了成熟的VVVF控制理論，結合分子泵負載實際運行特性，專門設計了轉矩補償特性、死區補償特殊、變載頻特性，使分子泵的運行性能得到了很大的改善，經過大量模擬試驗和現場調試，控制性能優異，噪音小，力矩大，通過振動測試儀檢測，振動系數在1.17×10-4mm，渦輪電機運行平衡，能夠很好的控制分子泵負載。 ⑤應用情況及存在的問題； 還需要解決的問題 目前在飛車起動上，從最高轉速開始搜索，根據電流判斷電機的當前轉速，若從零轉速開始正常起動，需要很長的起動時間，有待于我們進一步的改進。 今后研究的方向 1、采用變頻變壓調速和PWM技術必然帶來的問題是諧波對轉矩和噪音的影響，需要更深入的研究諧波抑制問題，如濾波技術等。 2、根據電動機的反電動勢，定位跟蹤電機的轉速，提高跟蹤的效率。 3、設計機電一體化產品，驅動裝置和負載有機結合。
