一种使用水冷变频一体式电机的三级真空泵组及控制方法与流程

本发明涉及一种使用水冷变频一体式电机的三级真空泵组及控制方法，尤其是涉及一种罗茨真空泵与两级干式真空泵组成的机组，主要用于半导体、锂电、化工医药、光伏等领域。

背景技术：

1、目前，两级真空泵组和三级真空泵组的应用越来越普遍。

2、常用的两级真空泵组主要存在以下问题：1.对于大抽速、大负载的工况条件，罗茨真空泵的稳定性会降低，易出现真空泵的卡机情况；2.无法应对大抽速范围需求的工况条件，只能保持较高或较低的抽速，无法兼顾多种抽速需求。

3、常用的三级真空泵组主要存在以下问题：1.三级真空泵组整体结构复杂，易出现共振、异响等问题；2.三级真空泵组整体尺寸较大，需要较大空间进行安装。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，体积小，能够应对大负载工况，降低罗茨真空泵的整体故障率的使用水冷变频一体式电机的三级真空泵组及控制方法。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该使用水冷变频一体式电机的三级真空泵组包括罗茨真空泵、罗茨泵支撑架、机架和进气法兰，所述罗茨真空泵通过罗茨泵支撑架固定在机架上，所述进气法兰安装在罗茨真空泵的进气口，其结构特点在于：还包括两级干式真空泵、上下泵连接法兰、电控系统、排气消音器、冷却水进水接头、冷却水回水接头、通讯线接头和电源线接头，所述两级干式真空泵由高压差罗茨真空泵和干式螺杆真空泵组成，该两级干式真空泵安装在机架上，且所述两级干式真空泵位于罗茨真空泵的正下方；所述罗茨真空泵的出气口通过上下泵连接法兰和两级干式真空泵的进气口连接，所述排气消音器和两级干式真空泵的出气口连接；所述两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的壳体和干式螺杆真空泵的壳体均设置有冷却水套，所述冷却水进水接头和冷却水回水接头通过冷却水管与冷却水套连接；所述电控系统、通讯线接头和电源线接头均安装在机架上，该电控系统、通讯线接头和电源线接头均与罗茨真空泵和两级干式真空泵连接。

3、作为优选，本发明所述三级真空泵组还包括脚轮和脚杯，所述脚轮和脚杯均固定在机架的底部。

4、作为优选，本发明所述罗茨真空泵和两级干式真空泵中的驱动电机均为水冷变频一体式电机。

5、作为优选，本发明所述两级干式真空泵的进气口位于罗茨真空泵的出气口的正下方，所述上下泵连接法兰呈竖直状结构。

6、作为优选，本发明所述机架上设置有钣金。

7、一种使用水冷变频一体式电机的三级真空泵组的控制方法，其特点在于：三级真空泵组的气路通过进气法兰和排气消音器与客户端的气体管道连接，实现气体的运输；三级真空泵组的水路通过冷却水进水接头和冷却水回水接头与客户端的冷却水系统相连接，实现冷却水路的循环；三级真空泵组通过电源线接头和通讯线接头分别与客户端的供电系统和上位机电控系统相连接，实现三级真空泵组的运转；

8、所述控制方法的步骤如下：两级干式真空泵中的干式螺杆真空泵先启动，经过电控系统设定的延时启动程序，两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵再启动，最后再经过电控系统设定的延时启动程序，罗茨真空泵最后启动；其中，罗茨真空泵的频率由客户端的上位机电控系统通过通讯线与通讯线接头连接并传输模拟量，给定需要的运行频率，此外，电控系统通过采集罗茨真空泵的运行频率与电流数据调整两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的频率，根据负载自适应调节两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的零频率设定，以此满足大抽速和小抽速的运行工况；同时，电控系统通过算法设置罗茨真空泵与两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的频率，以达到运行频率方案，在满足工艺需求的条件下实现最小能耗。

9、作为优选，本发明电控系统通过采集罗茨真空泵的运行频率与电流数据调整两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的频率，根据负载自适应调节两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的零频率设定，是采用如下方法实现的：

10、当 ibp≤ ith，并且 fbp≤ fth/ k时，fbstr= fth/ k ；

11、当 ibp＞ ith时， fbstr= fbp/ q ；

12、其余情况下，fbstr= fbp/ k ；

13、上述式子中：

14、fbp：罗茨真空泵的运行频率；

15、ibp：罗茨真空泵的运行电流；

16、ith：设定的罗茨真空泵的阈值电流；

17、fth：设定的罗茨真空泵的阈值频率；

18、k：最小功耗时，罗茨真空泵的频率与两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的频率的比值；

19、q：异常情况下，罗茨真空泵的频率与两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的频率的比值；

20、fbstr：两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的运行频率。

21、作为优选，本发明电控系统通过算法设置罗茨真空泵与两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的频率，以达到运行频率方案，在满足工艺需求的条件下实现最小能耗，是采用如下方法实现的：

22、w = wbp+wbstr= vbp* (pmid- pin) + vbstr* (pout- pmid)；

23、pin, pmid, pout= f(fbp, fbstr)；

24、建立最小功耗的目标函数，通过优化算法计算出功耗最低时的罗茨真空泵的运行频率与两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的运行频率的比值 k = fbp/ fbstr；

25、上述式子中：

26、pin：罗茨真空泵的进气压力；

27、pmid：罗茨真空泵的排气压力；

28、pout：两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的排气压力；

29、wbp：罗茨真空泵所需的功；

30、wbstr：两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵所需的功；

31、vbp：罗茨真空泵的排气体积；

32、fbp：罗茨真空泵的运行频率；

33、fbstr：两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵的运行频率；

34、w：三级真空泵组所需的功。

35、本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1、罗茨真空泵和两级干式真空泵之间使用上下泵连接法兰连接，罗茨真空泵使用罗茨泵支撑架进行支撑，两级干式真空泵作为一个整体结构，因此整个三级真空泵组与常规两级真空泵的连接界面一致，整体的刚性更强，能更有效的降低振动和异响的发生，运行更加平稳，故障率更低。平均振动可降低0.5~1mm/s（原振动均值在2.5mm/s左右），能提升20%~40%之间。

36、2、两级干式真空泵中采用高压差罗茨真空泵，在大负载工况下，由两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵承受大部分压差，罗茨真空泵承受小部分压差。如此，罗茨真空泵和两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵不会超过最大允许压差，能够在大负载情况下长期稳定运行。

37、3、三级泵的结构，能够最大程度的降低罗茨真空泵的工作压差，可以有效提升容积效率，可从均值75%提升至均值85%。

38、4、罗茨真空泵与两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵在使用中通过电控系统控制同步调整频率，能够分别控制其运行频率，使机组能够在不做任何调整的情况下同时满足大抽速和小抽速的应用工况，兼顾各种工艺需求。相较于二级同抽速两级真空泵，最低抽速可降低30~35%，由于容积效率的提升，最大抽速可提升5%~10%，因此适应工艺宽度整体提升40%左右。

39、5、机组前级泵采用一体式的两级干式真空泵，整体结构更加紧凑，刚性更强，重心更稳，能够有效降低异常振动和异响的概率，使机组运行更加平稳，减少机组故障率。

40、6、两级干式真空泵的干式螺杆真空泵部分与高压差罗茨真空泵部分的壳体有冷却水套，使作为机组系统中承担较大负载的两级干式真空泵中的高压差罗茨真空泵拥有更好的冷却效果，降低故障率，整体月故障率可降低5%~10%。

41、7、水冷变频一体式电机能够为机组运行提供稳定的动力来源，优异的密封性与高效的散热效果能够保证机组在恶劣工作环境中以及在恶劣的工况下长期稳定运行。

42、8、水冷变频一体式电机使得电机的动力来源与电机的控制来源完全隔离，使得电控柜的设计无需考量变频器的散热需求，能够有效提升电控柜的密封性，如此能够提升整个电气控制系统的稳定性，降低故障率。