“一拖三”氦压缩机低成本控制实现❋

2014-12-31冯欣宇黄阿娟武义锋

机械工程与自动化 2014年2期

冯欣宇，黄阿娟，武义锋

（中国电子科技集团第十六研究所万瑞冷电科技有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

制冷机低温泵是以小型低温制冷机作为冷源、气体在低温表面冷凝或被低温吸附剂吸附而抽气的真空泵。压缩机是压缩式制冷与热泵系统的心脏，工作介质通过压缩机而加入有效能，并进行周而复始的循环，由此实现连续的制冷或供热［1］。为获得低于20K的温度，需使用高压氦气作为工质实现制冷循环。因此，研制具有大气量输出的氦压缩机，可以同时满足多台G-M制冷机的需求，是国产集成电路装备零部件量产应用工程中制冷机真空泵产业化应用的关键设备。

本文为某型国产“一拖三”氦压缩机设计了控制方案，具备供电、压缩机保护、本地和远程监控等模块。采用国产主控芯片及电气元件，在满足控制功能和可靠性的基础上，有效控制了系统成本。

1 氦压缩机工作流程

国产新型氦压缩机可以提供质量分数为99.999%、流速达120m3/h的高纯氦气。它主要由压缩泵、换热器、油气分离器、吸附器、储气罐组成，其工作流程如图1所示。

压缩泵首先将储气罐提供的低压氦气压缩至80℃、2.0MPa，再由换热器将高温高压氦气冷却至40℃左右。经冷却后的氦气含有约0.5%（质量分数）的油及油蒸汽，需经油气分离器将油气分离。分离后的油经过滤器返回压缩泵，分离后的氦气则经吸附器进一步纯化后输送到制冷机；从制冷机返回的氦气经止回阀返回到储气罐，一个循环结束。

图1中节流孔用来增大压差，使密度较大的油可以顺利返回压缩泵；过滤器用以去除油中的固体杂质；止回阀可以防止氦气倒灌入制冷机；电磁阀在待机状态下用来保持内部压力平衡；旁通阀在氦气压力过高时将氦气直接输至储气罐。储气罐侧的自密封接头用来补充高纯氦气，压缩泵侧的自密封接头用来补充润滑油（经过滤器流入压缩泵）。

图1 氦压缩机工作流程图

2 氦压缩机控制系统组成

控制电路根据用户指令启停氦压缩机和制冷机，并根据压缩机出口压力、温度及冷却水流量自动实现保护功能，保证压缩机在正常的工况下工作，延长压缩机使用寿命。整个控制系统组成如图2所示。

图2中，使用国际标准“三火一地”电源为压缩泵提供380V交流电。考虑到控制电与动力电隔离和电源保护的需要，供电及电源保护模块中包括空气开关、电压相序多功能保护器、交流接触器和热过载继电器。电压相序多功能保护器可以起到断相、错相、电压不平衡、过压和欠压保护的作用，本设计设定电压波动超出±12%时保护器动作。热过载继电器在压缩机发生堵转等故障、瞬间产生较大电流时动作，可及时切断压缩机电源。微控制器通过检测相序保护器及热过载继电器的常开触点，实时反馈其状态。

图2 控制系统框图

根据制冷机电机及控制电路功率，电源变换模块选用合适容量的小型变压器，将380V电压变换为220V电压。微控制器及集成电路供电还需使用AC-DC模块及LM7805，提供隔离后的＋12V和＋5V电压。在设计时使压缩机接入电源后控制器即通电，可以显示压缩机累计运行时间、三相电相序状态等参数，方便用户使用。

3 控制电路设计

STC89C52是由宏晶公司生产的8位增强型兼容51内核微控制器，价格为6元/片，拥有8kB Flash程序存储器，512字节RAM数据存储器，＋5V供电，最高时钟频率可达80MHz［2］，完全可以作为主控芯片满足系统要求。微控制器输出的控制信号经驱动器后，作用于电路印刷板用继电器，继电器控制220V交流输出，以此实现对交流接触器的控制，达到对压缩机和制冷机控制的目的。

图3为单片机输出驱动电路，因驱动芯片ULN2003内部具有反向器，为保持编程时逻辑电平使用一致，前级加入了反向器芯片74HC14。当单片机输出“0”时继电器动作，继电器两组常开触点控制220 V交流电压输出。

图3 单片机输出驱动电路

当压力变送器给出1V～5V直流信号时，环境噪声会使信号值漂动、准确度下降，因此需使用滤波器将噪声滤掉。如果噪声密度相同，则频率越高对总噪声电压的影响就越大，所以去除高频噪声能够明显地降低总噪声电压。同时，在模数转换时为防止混叠误差的产生，利用低通滤波器使信号输入成分在1/2采样频率以上的范围低于系统的分辨率。借助FilterLab＠2.0软件可快速地完成Shallen－Key结构巴特沃斯特性的二阶低通滤波器设计，截止频率经使用现场试验后选取10kHz，滤波电路如图4所示。

图4 Shallen－Key二阶低通滤波电路

滤波后的电压由AD7911转换为数字量，再经微控制器做标度变换后显示。AD7911具有10位分辨率，使用SPI接口通讯，可以节约微控制器管脚资源。模数转换电路如图5所示，其输入VIN0为滤波电路AD8610的输出。滤波电路及模数转换电路的电源均需经过模拟－数字隔离处理。

为判断压缩机内部的温度状态，需要测量压缩机油循环管路及出气口管路上的温度。压缩机正常工作温度应低于80℃，当温度超过设定值时应具备自动停机保护功能。测温传感器选用价格低廉的单总线数字温度传感器DS18B20，测温范围为－55℃ ～＋125℃，精度±0.5℃，内置EEPROM可存储用户报警设定值，测温电路如图6所示。为保证单总线传输可靠，可在单片机输出管脚加10kΩ上拉电阻。

图5 模数转换电路

图6 DS18B20测温电路

活塞式固定流量水流开关用来判断冷却水循环是否异常，对水流开关加入5V直流电压，微控制器根据输入电平来判断水流开关状态，实现缺水保护。

压缩机累时记录功能通过微控制器内部计时器和EEPROM实现。计时上限为99 999.9h，计时数据用户不可重置。显示设备采用工业级12 864显示屏，＋5V供电，使用寿命长、亮度高、适合中文字体显示。远程控制通过RS232接口完成，当通讯距离较远时可降低波特率或使用RS485转接口来满足要求，接口电路如图7所示。