高速磁懸浮離心式壓縮機(jī)及其控制方法

劉佰達(dá)

(上海偌托新能源科技有限公司，上海 201612)

1 技術(shù)背景

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人民生活水平的不斷提高，磁懸浮技術(shù)已成為保證人類生活質(zhì)量的一項(xiàng)必要手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)異步低轉(zhuǎn)速原動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)設(shè)備所消耗的能源，已占總能源的35%左右。將為國家節(jié)省大量能源消耗。磁懸浮離心式壓縮機(jī)是一種完全不需要使用潤滑油的壓縮機(jī)，高鐵民用高端技術(shù)的電磁軸承被用來取代傳統(tǒng)壓縮機(jī)中的機(jī)械軸承。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、驅(qū)動(dòng)軸，以及離心葉輪都被電磁軸承的磁場(chǎng)懸浮，處于沒有直接接觸的懸浮狀態(tài)，因此消除了機(jī)械摩擦，以及所產(chǎn)生的效率損失、震動(dòng)和噪聲。電動(dòng)機(jī)為直流同步永磁電機(jī)，通過直流變頻技術(shù)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速可以在10000～50000 r/min內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，運(yùn)行范圍廣。

2 設(shè)計(jì)方法內(nèi)容

2.1 高速磁懸浮離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)，包括殼體、定子、轉(zhuǎn)子、主軸、第一端蓋和第二端蓋，主軸穿出第一端蓋和第二端蓋，主軸的一端設(shè)置有一級(jí)葉輪和二級(jí)葉輪；

磁懸浮軸承組件，用于對(duì)主軸進(jìn)行徑向支撐和軸向限位；因而整體性能達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。位移傳感組件，用于檢測(cè)主軸在旋轉(zhuǎn)過程中相對(duì)于磁懸浮軸承組件的軸線在徑向方向和軸向方向的位置偏移量。

軸承控制器，用于根據(jù)位移傳感組件檢測(cè)到的主軸偏移量控制磁懸浮軸承組件的電流，以調(diào)整主軸在徑向和軸向方向上的位置。

變頻控制器，與軸承控制器聯(lián)動(dòng)，用于根據(jù)用氣需求對(duì)空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、流量、壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)并進(jìn)行防喘振控制。

通過采用上述技術(shù)方案，永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主軸能夠在無摩擦情況下高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，使得空氣壓縮機(jī)能夠產(chǎn)生高速高壓空氣，還能夠根據(jù)用氣需求對(duì)輸出的壓縮空氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并防止進(jìn)入喘振狀態(tài)。

二級(jí)蝸殼遠(yuǎn)離永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一端與主軸對(duì)應(yīng)部分設(shè)置有第一備降軸承，主軸穿設(shè)于第一備降軸承內(nèi).

第二端蓋與主軸對(duì)應(yīng)的部分設(shè)置有第一備降軸承，主軸穿設(shè)于第一備降軸承內(nèi)。

通過采用上述技術(shù)方案，能夠在空氣壓縮機(jī)運(yùn)輸過程中對(duì)主軸進(jìn)行支承或者當(dāng)軸承控制器發(fā)生故障時(shí)支承主軸并逐漸減速至停止，對(duì)主軸和軸承控制器進(jìn)行保護(hù)。

磁懸浮軸承組件包括第一徑向磁懸浮軸承、第二徑向磁懸浮軸承和軸向限位磁懸浮軸承；

其中，第一徑向磁懸浮軸承設(shè)置于殼體內(nèi)靠近第一端蓋一側(cè)，第二徑向磁懸浮軸承設(shè)置于殼體內(nèi)靠近第二端蓋一側(cè)，軸向限位磁懸浮軸承設(shè)置于主軸遠(yuǎn)離一級(jí)葉輪的一端。

通過采用上述技術(shù)方案，能夠?qū)χ鬏S進(jìn)行徑向支撐和軸向限位。

位移傳感組件包括第一傳感器環(huán)和第二傳感器環(huán)，第一傳感器環(huán)和第二傳感器環(huán)均包括用于檢測(cè)主軸在X軸、Y軸和Z軸方向位移的位移傳感器；

其中，第一傳感器環(huán)設(shè)置于第一端蓋與第一徑向磁懸浮軸承之間，第二傳感器環(huán)設(shè)置于第二端蓋與第二徑向磁懸浮軸承之間。

通過采用上述技術(shù)方案，能夠?qū)χ鬏S在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以便于軸承控制器能夠?qū)χ鬏S的位置進(jìn)行調(diào)整。

一級(jí)葉輪和二級(jí)葉輪出口的相對(duì)寬度采用以下公式計(jì)算獲得：

根據(jù)葉輪進(jìn)口速度和出口速度三角形見圖1、2，有

圖1 葉輪進(jìn)口速度和出口速度示意圖

圖2 葉輪進(jìn)口速度和出口速度三角形示意圖

式中，c1r=c1sinα1，c1u=c1cosα1，c2r=c2sinα2，c2u=c2cosα2；

在理論流量下，葉輪進(jìn)口氣體無沖擊、無旋轉(zhuǎn)地進(jìn)入葉道，此時(shí)c1=c1r，c1u=0，α1=90°，β1=β1A，β2=β2A；

則氣體流過葉輪的理論能量頭為

Hth=Lth=u2c2u-u1c1u=u2c2u

連續(xù)方程在葉輪出口處的表達(dá)式為

則葉輪出口的相對(duì)寬度為

式中D2——葉輪外徑

b2——葉輪出口處的軸向?qū)挾?/p>

qm——質(zhì)量流量

qv2——體積流量

ρ2——?dú)饬髅芏?/p>

第二方面，本技術(shù)提供一種前述空氣壓縮機(jī)的控制方法采用如下的技術(shù)方案：

一種空氣壓縮機(jī)的控制方法，包括以下步驟：

步驟S1：軸承控制器對(duì)磁懸浮軸承組件和位移傳感組件的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和確認(rèn)，當(dāng)工作狀態(tài)正常時(shí)，允許變頻控制器控制永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)；

步驟S2：設(shè)定壓縮機(jī)工況參數(shù)，啟動(dòng)永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；

步驟S3：變頻控制器根據(jù)工況參數(shù)計(jì)算瞬時(shí)狀態(tài)下的葉輪效率、氣動(dòng)功率、葉輪有效功率、質(zhì)量流量、體積流量，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、出口流量、出口壓力、出口溫度、永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流和放空時(shí)間。

葉輪效率的計(jì)算公式為

式中m——?dú)怏w多變指數(shù)

k——等熵指數(shù)

氣動(dòng)功率的計(jì)算公式為

P氣動(dòng)=Pint·ηmotor

式中Pint——變頻控制器的電功率

ηmotor——永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率

葉輪有效功率的計(jì)算公式為

Pth=P氣動(dòng)·ηpol

質(zhì)量流量的計(jì)算公式為

式中Lpol——多變壓縮功

體積流量的計(jì)算公式為

式中p——?dú)怏w壓強(qiáng)

R——?dú)怏w常量

T——絕對(duì)溫度

本技術(shù)提供的空氣壓縮機(jī)的控制方法還包括步驟S4：軸承控制器對(duì)主軸的對(duì)中性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)主軸在徑向和軸向的偏移量超過位移閾值時(shí)，軸承控制器調(diào)整輸出至磁懸浮軸承組件的電流大小對(duì)軸承的位置進(jìn)行調(diào)整。

本技術(shù)提供的空氣壓縮機(jī)的控制方法還包括步驟S5：變頻控制器對(duì)空氣壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，當(dāng)空氣壓縮機(jī)的工作狀態(tài)接近喘振點(diǎn)或處于喘振狀態(tài)時(shí)，變頻控制器通過調(diào)整轉(zhuǎn)速、打開放空閥或調(diào)節(jié)出口流量的方式使空氣壓縮機(jī)避開喘振點(diǎn)或從喘振狀態(tài)恢復(fù)正常運(yùn)行。

綜上，本技術(shù)至少具有以下一種技術(shù)效果：

(1)高速運(yùn)行條件下采用磁懸浮軸承組件對(duì)主軸進(jìn)行支承，降低了永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)的摩擦功耗；

(2)軸承控制器能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整主軸的對(duì)中性，從而保證空氣壓縮機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；

(3)變頻控制器能夠根據(jù)設(shè)定工況自動(dòng)調(diào)整空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以滿足用氣需求，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)智能防喘振控制，進(jìn)一步提高空氣壓縮機(jī)的穩(wěn)定性。

2.2 高速磁懸浮離心式壓縮機(jī)的控制方法

控制方法通過以下步驟見圖3：

圖3 空氣壓縮機(jī)的控制原理框圖

步驟S1：軸承控制器60對(duì)磁懸浮軸承組件20和位移傳感組件50的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和確認(rèn)，當(dāng)工作狀態(tài)正常時(shí)，允許變頻控制器70控制永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)10啟動(dòng)。

在步驟S1中，軸承控制器60檢測(cè)與磁懸浮軸承組件20的連接狀態(tài)以及位移傳感器503的信號(hào)輸出是否正常，當(dāng)磁懸浮軸承組件20和位移傳感器503均處于正常工作狀態(tài)時(shí)，軸承控制器60輸出控制信號(hào)使得磁懸浮軸承組件20通電將主軸101抬起。同時(shí)，位移傳感器503檢測(cè)主軸101的懸浮狀態(tài)并將信號(hào)反饋至軸承控制器60，當(dāng)主軸101的偏移量處于允許永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)10啟動(dòng)的范圍內(nèi)時(shí)，軸承控制器60輸出許可信號(hào)給系統(tǒng)控制器80，此時(shí)在系統(tǒng)控制器80的控制下，變頻控制器70可以控制永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)10運(yùn)行。

步驟S2：設(shè)定壓縮機(jī)工況參數(shù)和工作模式，永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)10運(yùn)行。

在步驟S2中，在永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)10可以運(yùn)行的前提下，變頻控制器70首先檢測(cè)進(jìn)氣溫度、排氣溫度、進(jìn)氣壓力、排氣壓力等是否正常，在所檢測(cè)的溫度、壓力正常的情況下，變頻控制器70控制放空閥開啟并啟動(dòng)永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)10運(yùn)行，以便實(shí)現(xiàn)空載啟動(dòng)。當(dāng)永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)10啟動(dòng)后，關(guān)閉放空閥以進(jìn)行加載。

其中，在步驟S2中，壓縮機(jī)工況參數(shù)可以通過與系統(tǒng)控制器80連接的上位機(jī)設(shè)備進(jìn)行設(shè)定，工作模式包括恒壓力模式、恒流量模式、恒轉(zhuǎn)速模式和恒電流模式。

步驟S3：變頻控制器70根據(jù)工況參數(shù)計(jì)算瞬時(shí)狀態(tài)下的葉輪效率、氣動(dòng)功率、葉輪有效功率、質(zhì)量流量、體積流量，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、出口流量、出口壓力、出口溫度、永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)10電流和放空時(shí)間，以滿足用氣需求。

在本技術(shù)中，等熵指數(shù)、葉輪效率、氣動(dòng)效率、質(zhì)量流量、體積流量和多變能量頭等參數(shù)經(jīng)計(jì)算推導(dǎo)后通過編程設(shè)置于變頻控制器70內(nèi)，計(jì)算推導(dǎo)過程如下：

Hhyd——流體的摩擦損失功

在實(shí)際的葉輪機(jī)械中，每級(jí)間的氣流存在的損失不只是摩擦損失Hhyd，還有泄漏損失HL和輪組損失Hdf，因此，總損失為

Hloss=Hhyd+HL+Hdf

可得葉輪上的機(jī)械總輸入功為

式中Ltot——葉輪消耗的總功

Htot——級(jí)內(nèi)每千克氣體獲得的總能量頭

葉輪上的總輸入功應(yīng)等于葉輪總消耗功，包括泄漏損失和輪組損失，則有

Ltot=Htot=Hth+HL+Hdf

其中，泄漏損失為葉輪蓋處介質(zhì)泄漏產(chǎn)生的能量損失，為

HL=βL·Hth=βL·Lth

式中βL——泄漏系數(shù)

輪阻損失為葉輪內(nèi)外壁面與氣體的摩擦損失

Hdf=βdf·Lth

式中βdf——輪阻系數(shù)，βL+βdf=0.02～0.04。

則

Ltot=Htot=Hth+HL+Hdf=(1+βL+βdf)Hdf

壓縮機(jī)溫度計(jì)算

對(duì)于壓縮機(jī)而言，可假設(shè)氣流流速較快的情況下，其溫度變化差值為恒定，對(duì)外界可按無熱能q交換，即q=0。

式中k——等熵指數(shù)

R——?dú)怏w常量

壓縮機(jī)壓力計(jì)算：

對(duì)于壓縮機(jī)而言，級(jí)內(nèi)壓力隨位置不同而不同，即各截面上的壓力都不相同，并且氣體多變指數(shù)m也在變化，為計(jì)算方便一般取m的平均值。

DEDIV Pi Pin Pout

DEDIV Ti Tin Tout

DLOG Pout Plog

DLOG Tout Tlog

DEDIV Plog Tlog D0。

壓縮機(jī)在壓縮過程中，壓縮機(jī)和外界一定發(fā)生熱交換，但由于壓縮過程非常短，故可近似把壓縮機(jī)壓縮過程當(dāng)作一個(gè)絕熱壓縮過程，即等熵過程。常溫下等熵指數(shù)k=1.4，則有

變頻控制器70程序?yàn)?/p>

DEMOV E1.4 D2

DESUB D2 E1.0 D4

DEDIV D2 D4 D6。

變頻控制器70程序?yàn)?/p>

DESUM D6 D2 D8

DESUM D8 K100 D10

壓縮機(jī)的氣動(dòng)功率可由變頻器的電功率Pint和電機(jī)的效率ηmotor計(jì)算得到

P氣動(dòng)=Pint·ηmotor

根據(jù)葉輪效率ηpol，則葉輪有效功率為

Pth=P氣動(dòng)·ηpol

變頻控制器70程序?yàn)?/p>

DESUM D12 D14 D1

DESUM D16 D8 D18

葉輪的有效功率等于有效功剩余質(zhì)量流量，即

Nth=qmLth=qmHth

變頻控制器70程序?yàn)?/p>

DEDIV D34 D18 D36

葉輪的質(zhì)量流量qm=ρ·Vs，式中Vs為體積流量，ρ為流體密度。

由理想氣體方程得出空氣的密度在不同壓力和溫度下的壓強(qiáng)P有：

P=ρRT

式中ρ——?dú)怏w密度

R——?dú)怏w常量

T——絕對(duì)溫度

變頻控制器70程序?yàn)?/p>

DEDIV Pi R D38

DEDIV D38 Ti D40

DEDIV D36 D40 D42

DEMUL D42 E60 D44

在步驟S3中，根據(jù)用氣流量、壓力、溫度、濕度的要求，變頻控制器70根據(jù)所編寫的程序?qū)θ~輪效率、氣動(dòng)功率、葉輪有效功率、質(zhì)量流量、體積流量等參數(shù)進(jìn)行推算，并根據(jù)推算結(jié)果對(duì)永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)10的轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣導(dǎo)葉的偏轉(zhuǎn)角度、出口流量調(diào)節(jié)閥的開口度和放空閥的打開時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而使空氣壓縮機(jī)的排氣參數(shù)滿足用氣需求。

例如，當(dāng)空氣壓縮機(jī)的排氣壓力低于設(shè)定的用氣壓力時(shí)，變頻控制器70根據(jù)推算結(jié)果控制進(jìn)氣導(dǎo)葉增大開度以提高進(jìn)氣量；當(dāng)排氣壓力高于設(shè)定的用氣壓力時(shí)，變頻控制器70根據(jù)推算結(jié)果控制進(jìn)氣導(dǎo)葉減小開度以減少進(jìn)氣量，由此能夠提高系統(tǒng)壓力的控制精度，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，系統(tǒng)壓力控制精度的提高使管網(wǎng)具有更窄的壓力段和更低的平均工作壓力，從而能夠降低能耗。

當(dāng)管網(wǎng)的用氣流量減少時(shí)，由于空氣壓縮機(jī)的排氣流量大于用氣流量，為保持系統(tǒng)穩(wěn)定，出口流量調(diào)節(jié)閥在變頻控制器70的控制下打開將部分壓縮空氣放空，從而降低進(jìn)入管網(wǎng)的壓縮空氣流量。

本技術(shù)提供的空氣壓縮機(jī)的控制方法還包括步驟S4，軸承控制器60對(duì)主軸101的對(duì)中性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)主軸101在徑向和軸向的偏移量超過位移閾值時(shí)，軸承控制器60調(diào)整輸出至磁懸浮軸承組件20的電流大小對(duì)軸承的位置進(jìn)行調(diào)整。具體調(diào)整過程已在前文進(jìn)行陳述，此處不再贅述。

本技術(shù)提供的空氣壓縮機(jī)的控制方法還包括步驟S5，變頻控制器70對(duì)空氣壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，當(dāng)空氣壓縮機(jī)的工作狀態(tài)接近喘振點(diǎn)或處于喘振狀態(tài)時(shí)，變頻控制器70通過調(diào)整轉(zhuǎn)速、打開放空閥或調(diào)節(jié)出口流量的方式使空氣壓縮機(jī)避開喘振點(diǎn)或從喘振狀態(tài)恢復(fù)正常運(yùn)行。

其中，喘振點(diǎn)體現(xiàn)葉輪的固有特性，喘振點(diǎn)與葉輪的進(jìn)氣壓力、排氣壓力、流量和轉(zhuǎn)速相關(guān)。喘振線為直線，葉輪的喘振點(diǎn)均應(yīng)位于喘振線的左側(cè)，由此，喘振線的右側(cè)為葉輪不發(fā)生喘振的穩(wěn)定工作區(qū)域。根據(jù)喘振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣壓力、排氣壓力、排氣流量和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，可通過變頻控制器70編程得到喘振線。

在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，變頻控制器70實(shí)時(shí)接收檢測(cè)進(jìn)氣壓力、排氣壓力、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量和排氣流量的傳感器傳回的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，當(dāng)空氣壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)接近喘振點(diǎn)時(shí)，變頻控制器70可控制永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)10快速提高轉(zhuǎn)速、短時(shí)間打開放空閥或通過出口流量調(diào)節(jié)閥調(diào)整排氣流量，使壓縮機(jī)避開喘振點(diǎn)。當(dāng)空氣壓縮機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)時(shí)，變頻控制器70控制放空閥放空打開直至停機(jī)。

3 結(jié)論

通過積極的使用經(jīng)驗(yàn)、長期試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋并結(jié)合數(shù)學(xué)空間解析，本設(shè)計(jì)有以下3點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)：

(1)允許轉(zhuǎn)子達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速

磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子可以在超臨界、每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的工況下運(yùn)行，其圓周速度只受轉(zhuǎn)子材料強(qiáng)度的限制。通常在相同的軸頸直徑下，磁懸浮軸承支承的轉(zhuǎn)子能達(dá)到的轉(zhuǎn)速比滾動(dòng)軸承支承的轉(zhuǎn)子大約高2倍，比滑動(dòng)軸承支承的轉(zhuǎn)子大約高3倍。

(2)摩擦功相對(duì)傳統(tǒng)軸承非常耗小，維護(hù)成本低、壽命長。

由于磁懸浮軸承是靠磁場(chǎng)力來懸浮軸頸，相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間沒有接觸，不存在摩擦、磨損和接觸疲勞產(chǎn)生的壽命問題，而電子元器件的可靠性在額定工作條件下大大高于機(jī)械零部件，所以磁懸浮軸承的壽命和可靠性均高于傳統(tǒng)軸承。

(3)無需潤滑。

磁懸浮軸承不存在潤滑劑對(duì)環(huán)境的污染。在真空、超凈無菌室和禁止?jié)櫥瑒┙橘|(zhì)污染的應(yīng)用場(chǎng)合，磁懸浮軸承具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。在一般應(yīng)用場(chǎng)合，由于省掉了潤滑油的存儲(chǔ)、過濾、外冷卻循環(huán)等設(shè)施，在價(jià)格和占有空間位置上也具有較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢(shì)。

最后，機(jī)組系統(tǒng)在各種不同負(fù)荷條件下，達(dá)到最高能效，使機(jī)器實(shí)現(xiàn)整體30%左右節(jié)能，同時(shí)也可大幅度提高機(jī)組的使用壽命、效率及可靠性。