高速磁悬浮离心式压缩机及其控制方法.pdf

优化设计磁悬浮离心式压缩机的整体机构、双级气动流体、磁轴承传感器、系统能量调节方式、随能效随负荷变化整机控制逻辑算法等。使磁悬浮离心式压缩机组可以在 负荷内实现大范围的符合连续调节。同时压缩机具备各种自动控制和保护功能，能使压缩机组在各种不同负荷条件下，达到最高能效，使机器实现 左右的能效节约。磁悬浮离心机由于特有的节能减排优势，将会逐步替代传统的离心式压缩机和螺杆式压缩机，具有广阔的市场应用前景。关键词：高速；磁悬浮；高能效气动设计；喘振；磁轴承；控制方法中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：（，）：，：；技术背景随着科学技术的不断进步，人民生活水平的不断提高，磁悬浮技术已成为保证人类生活质量的一项必要手段。据统计，传统异步低转速原动机和压缩机设备所消耗的能源，已占总能源的 左右。将为国家节省大量能源消耗。磁悬浮离心式压缩机是一种完全不需要使用润滑油的压缩机，高铁民用控 制 技 术 年 期（总第 期）高端技术的电磁轴承被用来取代传统压缩机中的机械轴承。电动机转子、驱动轴，以及离心叶轮都被电磁轴承的磁场悬浮，处于没有直接接触的悬浮状态，因此消除了机械摩擦，以及所产生的效率损失、震动和噪声。电动机为直流同步永磁电机，通过直流变频技术驱动，转速可以在 内连续调节，运行范围广。设计方法内容 高速磁悬浮离心式压缩机结构永磁驱动电机，包括壳体、定子、转子、主轴、第一端盖和第二端盖，主轴穿出第一端盖和第二端盖，主轴的一端设置有一级叶轮和二级叶轮；磁悬浮轴承组件，用于对主轴进行径向支撑和轴向限位；因而整体性能达到最优化设计。位移传感组件，用于检测主轴在旋转过程中相对于磁悬浮轴承组件的轴线在径向方向和轴向方向的位置偏移量。轴承控制器，用于根据位移传感组件检测到的主轴偏移量控制磁悬浮轴承组件的电流，以调整主轴在径向和轴向方向上的位置。变频控制器，与轴承控制器联动，用于根据用气需求对空气压缩机的转速、流量、压力进行调节并进行防喘振控制。通过采用上述技术方案，永磁驱动电机的主轴能够在无摩擦情况下高速稳定旋转，使得空气压缩机能够产生高速高压空气，还能够根据用气需求对输出的压缩空气参数进行调整并防止进入喘振状态。二级蜗壳远离永磁驱动电机的一端与主轴对应部分设置有第一备降轴承，主轴穿设于第一备降轴承内第二端盖与主轴对应的部分设置有第一备降轴承，主轴穿设于第一备降轴承内。通过采用上述技术方案，能够在空气压缩机运输过程中对主轴进行支承或者当轴承控制器发生故障时支承主轴并逐渐减速至停止，对主轴和轴承控制器进行保护。磁悬浮轴承组件包括第一径向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承和轴向限位磁悬浮轴承；其中，第一径向磁悬浮轴承设置于壳体内靠近第一端盖一侧，第二径向磁悬浮轴承设置于壳体内靠近第二端盖一侧，轴向限位磁悬浮轴承设置于主轴远离一级叶轮的一端。通过采用上述技术方案，能够对主轴进行径向支撑和轴向限位。位移传感组件包括第一传感器环和第二传感器环，第一传感器环和第二传感器环均包括用于检测主轴在 轴、轴和 轴方向位移的位移传感器；其中，第一传感器环设置于第一端盖与第一径向磁悬浮轴承之间，第二传感器环设置于第二端盖与第二径向磁悬浮轴承之间。通过采用上述技术方案，能够对主轴在运转过程中的运动状态进行实时检测，以便于轴承控制器能够对主轴的位置进行调整。一级叶轮和二级叶轮出口的相对宽度采用以下公式计算获得：根据叶轮进口速度和出口速度三角形见图 、，有 式中，；在理论流量下，叶轮进口气体无冲击、无旋转地进入叶道，此时 ，；则气体流过叶轮的理论能量头为 图 叶轮进口速度和出口速度示意图图 叶轮进口速度和出口速度三角形示意图控 制 技 术 年 期（总第 期）由于 ()，则：()（）其中，为叶轮的流量系数，（）为叶轮周向分速度系数；连续方程在叶轮出口处的表达式为 ()则叶轮出口的相对宽度为（）()式中 叶轮外径 叶轮出口处的轴向宽度 质量流量 体积流量 气流密度第二方面，本技术提供一种前述空气压缩机的控制方法采用如下的技术方案：一种空气压缩机的控制方法，包括以下步骤：步骤 ：轴承控制器对磁悬浮轴承组件和位移传感组件的工作状态进行检测和确认，当工作状态正常时，允许变频控制器控制永磁驱动电机启动；步骤 ：设定压缩机工况参数，启动永磁驱动电机运行；步骤 ：变频控制器根据工况参数计算瞬时状态下的叶轮效率、气动功率、叶轮有效功率、质量流量、体积流量，并调节转速、出口流量、出口压力、出口温度、永磁驱动电机电流和放空时间。叶轮效率的计算公式为 式中 气体多变指数 等熵指数气动功率的计算公式为气动 式中 变频控制器的电功率 永磁驱动电机的效率叶轮有效功率的计算公式为 气动 质量流量的计算公式为 式中 多变压缩功体积流量的计算公式为 式中 气体压强 气体常量 绝对温度本技术提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤 ：轴承控制器对主轴的对中性进行实时监测，当主轴在径向和轴向的偏移量超过位移阈值时，轴承控制器调整输出至磁悬浮轴承组件的电流大小对轴承的位置进行调整。本技术提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤 ：变频控制器对空气压缩机的喘振点进行实时追踪，当空气压缩机的工作状态接近喘振点或处于喘振状态时，变频控制器通过调整转速、打开放空阀或调节出口流量的方式使空气压缩机避开喘振点或从喘振状态恢复正常运行。综上，本技术至少具有以下一种技术效果：（）高速运行条件下采用磁悬浮轴承组件对主轴进行支承，降低了永磁驱动电机的摩擦功耗；（）轴承控制器能够实时调整主轴的对中性，从而保证空气压缩机能够稳定运行；（）变频控制器能够根据设定工况自动调整空气压缩机的运行状态以满足用气需求，同时能够实现智能防喘振控制，进一步提高空气压缩机的稳定性。高速磁悬浮离心式压缩机的控制方法控制方法通过以下步骤见图 ：步骤 ：轴承控制器 对磁悬浮轴承组件 和位移传感组件 的工作状态进行检测和确认，当工作状态正常时，允许变频控制器 控制永磁驱动电机 启动。在步骤 中，轴承控制器 检测与磁悬浮轴承组件 的连接状态以及位移传感器 的信号输出是否正常，当磁悬浮轴承组件 和位移传感器 均处于正常工作状态时，轴承控制器 输控 制 技 术 年 期（总第 期）图 空气压缩机的控制原理框图出控制信号使得磁悬浮轴承组件 通电将主轴 抬起。同时，位移传感器 检测主轴 的悬浮状态并将信号反馈至轴承控制器 ，当主轴 的偏移量处于允许永磁驱动电机 启动的范围内时，轴承控制器 输出许可信号给系统控制器 ，此时在系统控制器 的控制下，变频控制器 可以控制永磁驱动电机 运行。步骤 ：设定压缩机工况参数和工作模式，永磁驱动电机 运行。在步骤 中，在永磁驱动电机 可以运行的前提下，变频控制器 首先检测进气温度、排气温度、进气压力、排气压力等是否正常，在所检测的温度、压力正常的情况下，变频控制器 控制放空阀开启并启动永磁驱动电机 运行，以便实现空载启动。当永磁驱动电机 启动后，关闭放空阀以进行加载。其中，在步骤 中，压缩机工况参数可以通过与系统控制器 连接的上位机设备进行设定，工作模式包括恒压力模式、恒流量模式、恒转速模式和恒电流模式。步骤 ：变频控制器 根据工况参数计算瞬时状态下的叶轮效率、气动功率、叶轮有效功率、质量流量、体积流量，并调节转速、出口流量、出口压力、出口温度、永磁驱动电机 电流和放空时间，以满足用气需求。在本技术中，等熵指数、叶轮效率、气动效率、质量流量、体积流量和多变能量头等参数经计算推导后通过编程设置于变频控制器 内，计算推导过程如下：根据伯努利方程式，气体比容 ，同时流体的位能 （），则叶轮上的机械做功为 式中 流体的压缩功 流体的动能 流体的摩擦损失功在实际的叶轮机械中，每级间的气流存在的损失不只是摩擦损失 ，还有泄漏损失 和轮组损失 ，因此，总损失为 可得叶轮上的机械总输入功为 式中 叶轮消耗的总功 级内每千克气体获得的总能量头叶轮上的总输入功应等于叶轮总消耗功，包括泄漏损失和轮组损失，则有 其中，泄漏损失为叶轮盖处介质泄漏产生的能量损失，为 式中 泄漏系数轮阻损失为叶轮内外壁面与气体的摩擦损失 式中 轮阻系数，。则 （）压缩机温度计算对于压缩机而言，可假设气流流速较快的情况下，其温度变化差值为恒定，对外界可按无热能 交换，即 。设压缩机进口温度为 、进口压力为 、进口速度为 、进口流量为 ，任意截面的气流温度为、压力为、速度为、流量为，由 （），可得压缩机进口到任意截控 制 技 术 年 期（总第 期）面的温度差为 ()式中 等熵指数 气体常量压缩机压力计算：对于压缩机而言，级内压力随位置不同而不同，即各截面上的压力都不相同，并且气体多变指数 也在变化，为计算方便一般取 的平均值。在多变过程中，()，可得任意截面上的压力比为 由此可得 ()，经换底可得 ，变频控制器 程序为 。压缩机在压缩过程中，压缩机和外界一定发生热交换，但由于压缩过程非常短，故可近似把压缩机压缩过程当作一个绝热压缩过程，即等熵过程。常温下等熵指数 ，则有 变频控制器 程序为 。根据 和 得叶轮效率为 变频控制器 程序为 压缩机的气动功率可由变频器的电功率 和电机的效率 计算得到气动 根据叶轮效率 ，则叶轮有效功率为 气动 变频控制器 程序为 叶轮的有效功率等于有效功剩余质量流量，即 则叶轮的质量流量 。变频控制器 程序为 叶轮的质量流量 ，式中 为体积流量，为流体密度。由理想气体方程得出空气的密度在不同压力和温度下的压强 有：式中 气体密度 气体常量 绝对温度由上式变换得 ，代入 得 （单位为 ）变频控制器 程序为 在步骤 中，根据用气流量、压力、温度、湿度的要求，变频控制器 根据所编写的程序对叶轮效率、气动功率、叶轮有效功率、质量流量、体积流量等参数进行推算，并根据推算结果对永磁驱动电机 的转速、进气导叶的偏转角度、出口流量调节阀的开口度和放空阀的打开时间进行实时调整，从而使空气压缩机的排气参数满足用气需求。例如，当空气压缩机的排气压力低于设定的用控 制 技 术 年 期（总第 期）气压力时，变频控制器 根据推算结果控制进气导叶增大开度以提高进气量；当排气压力高于设定的用气压力时，变频控制器 根据推算结果控制进气导叶减小开度以减少进气量，由此能够提高系统压力的控制精度，使系统稳定运行。同时，系统压力控制精度的提高使管网具有更窄的压力段和更低的平均工作压力，从而能够降低能耗。当管网的用气流量减少时，由于空气压缩机的排气流量大于用气流量，为保持系统稳定，出口流量调节阀在变频控制器 的控制下打开将部分压缩空气放空，从而降低进入管网的压缩空气流量。本技术提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤 ，轴承控制器 对主轴 的对中性进行实时监测，当主轴 在径向和轴向的偏移量超过位移阈值时，轴承控制器 调整输出至磁悬浮轴承组件 的电流大小对轴承的位置进行调整。具体调整过程已在前文进行陈述，此处不再赘述。本技术提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤 ，变频控制器 对空气压缩机的喘振点进行实时追踪，当空气压缩机的工作状态接近喘振点或处于喘振状态时，变频控制器 通过调整转速、打开放空阀或调节出口流量的方式使空气压缩机避开喘振点或从喘振状态恢复正常运行。其中，喘振点体现叶轮的固有特性，喘振点与叶轮的进气压力、排气压力、流量和转速相关。喘振线为直线，叶轮的喘振点均应位于喘振线的左侧，由此，喘振线的右侧为叶轮不发生喘振的稳定工作区域。根据喘振点对应的进气压力、排气压力、排气流量和转速等参数，可通过变频控制器 编程得到喘振线。在压缩机运行过程中，变频控制器 实时接收检测进气压力、排气压力、转速、进气流量和排气流量的传感器传回的数据并进行处理，当空气压缩机的实时工作状态接近喘振点时，变频控制器 可控制永磁驱动电机 快速提高转速、短时间打开放空阀或通过出口流量调节阀调整排气流量，使压缩机避开喘振点。当空气压缩机进入喘振状态时，变频控制器 控制放空阀放空打开直至停机。结论通过积极的使用经验、长期试验运行数据反馈并结合数学空间解析，本设计有以下 点明显优势：（）允许转子达到很高的转速磁悬浮轴承的转子可以在超临界、每分钟数万转的工况下运行，其圆周速度只受转子材料强度的限制。通常在相同的轴颈直径下，磁悬浮轴承支承的转子能达到的转速比滚动轴承支承的转子大约高倍，比滑动轴承支承的转子大约高 倍。（）摩擦功相对传统轴承非常耗小，维护成本低、寿命长。由于磁悬浮轴承是靠磁场力来悬浮轴颈，相对运动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，而电子元器件的可靠性在额定工作条件下大大高于机械零部件，所以磁悬浮轴承的寿命和可靠性均高于传统轴承。（）无需润滑。磁悬浮轴承不存在润滑剂对环境的污染。在真空、超净无菌室和禁止润滑剂介质污染的应用场合，磁悬浮轴承具有无可比拟的优势。在一般应用场合，由于省掉了润滑油的存储、过滤、外冷却循环等设施，在价格和占有空间位置上也具有较强的竞争优势。最后，机组系统在各种不同负荷条件下，达到最高能效，使机器实现整体 左右节能，同时也可大幅度提高机组的使用寿命、效率及可靠性。参考文献：祁大同 离心式压缩机原理 北京：机械工业出版社，俞吉祥 离心压缩机喘振原因分析与控制探析 中国石油和化工标准与质量，（）：李克翔，邓智泉，刘程子 五自由度磁悬浮轴承系统的扰动补偿控制系统设计 航空动力学报，（）：，（）：（）熊剑，赵雷 电磁轴承转子轴向位移的径向测量研究 北京：清华 大 学，：，（）欧特尔 普朗特流体力学基础 北京：科学出版社，作者简介：刘佰达，男，高级工程师，主要研究方向为高速磁悬浮离心式压缩机和无油螺杆压缩机。：