渦旋式空氣壓縮機軸向力電磁動態平衡控制研究*

蔡炯炯，祝 亮，劉 雷，施彥濤，瞿 曉

(1.浙江科技學院 自動化與電氣工程學院，浙江 杭州 310023；2.思科渦旋科技(杭州)有限公司，浙江 杭州 310053)

0 引 言

渦旋壓縮機主要是指渦旋式空氣壓縮機、渦旋式膨脹機、渦旋式真空泵等渦旋式機械。渦旋壓縮機以容積式方式工作，具有容積效率高、轉矩平穩、噪音小、結構簡單緊湊等諸多優點，在制冷、熱泵、列車制動、新能源燃料電池，甚至航空航天等領域具有獨特的競爭優勢[1-5]。

但在高速運行工況下，渦旋壓縮機在平動方向和軸向易發生泄露，這給渦旋壓縮機的設計和加工帶來了極大挑戰，阻礙了其往高壓力、大容量、長壽命和無油方向的發展[6-8]。以壓縮機為例，就軸向而言，其軸向氣體分離力隨主軸轉角和壓縮機出口氣體壓力的變化而大幅度變化，過壓密封會導致渦盤嚴重磨損，欠壓密封會導致氣體泄漏，壓縮效率降低[9-12]。

因此，如何對渦旋壓縮機的軸向氣體分離力進行動態平衡，實現高性能的軸向動態密封，已成為渦旋壓縮機領域的研究熱點[13-19]。

針對目前渦旋壓縮機軸向力的平衡問題，有學者提出了高推力密度的電磁動態平衡方案。該方案結構簡單，且動態響應快，利用電磁機構產生動態變化的電磁力，來平衡渦旋壓縮機內部的軸向氣體力。但由于對電磁力的控制上存在著滯后的問題[20-25]，使得其軸向氣體力的平衡效果不佳，導致渦旋壓縮機易發生漏氣或者磨損現象。為解決這個問題，該學者提出了自適應提前跟蹤算法進行跟蹤控制，最后對于該滯后問題進行了優化。

本文在自適應提前跟蹤算法的基礎上，研究高推力密度電磁動態平衡方案，針對不同轉速或者頻率工況下，電磁力跟蹤滯后特性的不同，提出全轉速范圍自適應參數電磁動態跟蹤方法，并進行相關的模擬實驗，來驗證該控制方法的有效性，為渦旋壓縮機軸向的動態密封控制提供有益的參考。

1 渦旋機軸向力電磁平衡控制

渦旋壓縮機工作時，壓縮腔內的軸向氣體力有使得動、靜渦旋盤分離和軸向間隙增大的趨勢，導致制冷劑和壓縮氣體泄漏增加。因此，針對目前渦旋壓縮機動靜渦盤間軸向動態密封性不足的問題，筆者提出一種渦旋機軸向力電磁動態平衡機構，從而改善渦旋壓縮機軸向的動態密封性能。

渦旋壓縮機軸向力電磁動態平衡機構的工作原理是，利用環型電磁鐵產生的電磁吸力平衡軸向氣體力。

渦旋壓縮機主要由動靜渦旋盤、電磁鐵、壓力傳感器、被吸銜鐵等機構組成，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 渦旋壓縮機軸向氣體力電磁動態平衡機構示意圖1-壓力傳感器；2-被吸銜鐵；3-電磁鐵；4-靜渦卷；5-動渦卷；6-壓縮腔；7-機架

圖1所示的電磁平衡機構中，靜渦盤與被吸銜鐵剛性連接可縱向移動；壓力傳感器和電磁鐵相連固定在機架上。

其中，傳感器檢測電磁吸力大小，電磁鐵產生快速變化的電磁吸力動態平衡渦旋機產生的軸向力，實現近零摩擦力動態接觸密封。

2 全轉速范圍自適應參數電磁動態跟蹤方法

針對電磁力動態跟蹤渦旋機軸向氣體力的問題，有文獻提出了自適應提前跟蹤PID算法(一種針對相位滯后而提出的能有效優化相位滯后誤差的算法)[26]。基于該算法，該研究者分別研究了轉速頻率在30 Hz～50 Hz情況下的跟蹤效果，實驗結果顯示：轉速頻率越高提前補償的步數也越多。

由于該算法是固定轉速情況下的電磁力動態控制算法，對于渦旋機變工況工作時的電磁力動態跟蹤難以實現。因此，筆者在自適應提前跟蹤PID算法的基礎上，提出了全轉速范圍自適應參數電磁跟蹤控制方法。該控制方法的步驟如下：

首先，該方法提前自動尋優不同轉速下最優的提前步數，并建立轉速與最優提前步數關系的數據庫；然后，根據渦旋機不同轉速工況，進行快速跟蹤補償，從而進一步改善渦旋壓縮機變工況情況下的動態密封性能。

2.1 全轉速范圍提前量數據庫建立方法

全轉速范圍提前量數據庫主要是，通過改變主軸電機轉速的大小，自動記錄當前轉速下的最優提前步數，然后將不同轉速下的最優提前量N統計成數據庫，并保存到系統內存。

該算法的具體流程如圖2所示。

圖2 全頻率范圍提前量N自適應生成算法流程圖

其具體步驟如下：

開始運行時，該算法首先對提前步長閾值M、提前提前步數N、轉速范圍n等變量做初始化處理，在確定主軸轉速和跟蹤的軸向力曲線后，運行PID，記入當前軸向力曲線一個周期內的實際誤差；

通過改變提前步數N，使得N值在0到閾值M區間內迭代尋優，并記錄每次N改變后的實際誤差，比較得出最優提前步數N；

最后根據不同轉速n對應的最優提前步數統計，生成全轉速范圍的提前量數據庫。

2.2 提前量自適應電磁動態跟蹤方法

提前量自適應電磁動態跟蹤方法算法流程圖如圖3所示。

圖3 全頻率范圍自適應電磁力動態跟蹤算法流程圖

其具體步驟如下：

開始運行時，該算法首先對提前步長閾值、提前量、主軸轉速頻率，以及由圖2算法所生成的“轉速-N”數據庫等數據，做初始化處理；

在確定了跟蹤的軸向力曲線后，通過查表法查找數據庫中的數據，每當檢測到當前轉速與數據庫中轉速相等時，系統就輸出相應N加入到變頻率時電磁力動態跟蹤算法中，進行提前跟蹤運算，實現快速跟蹤軸向氣體力(注：該算法中步長閾值M取359，轉速增量值dn為10，k_max為360)。

2.3 電磁動態跟蹤半實物實驗及結果

為了驗證理論分析和提出的控制方法，筆者搭建了基于電磁動態平衡機構的半實物模擬實驗平臺，如圖4所示。

圖4 實驗平臺概況

其實驗參數如表1所示。

表1 半實物實驗模擬平臺參數

其中，高推力密度電磁補償機構由圓形電磁鐵、被吸銜鐵和壓力傳感器組成；在渦旋機工作時，采用圖2和圖3的控制算法對電磁鐵進行控制，產生的電磁力為靜渦盤提供動態的背壓力，模擬平衡動靜渦盤受到的軸向氣體力，使得動靜渦盤實時緊密嚙合，實現在全轉速范圍內渦旋機軸向動態密封。

旋轉變壓器檢測渦旋壓縮機的轉速頻率，為自適應控制算法提供反饋信號。

2.3.1 全轉速范圍最優提前步數數據庫

筆者根據全頻率范圍提前量N自適應生成算法，建立最優提前步數數據庫，如表2所示。

表2 全轉速范圍提前步數數據庫

由表2可知：在渦旋機所需轉速頻率范圍內，隨著轉速頻率的增加，最優提前步數N逐步增加；同時，也反應出不同轉速情況電磁力滯后逐漸變大。

由此可知，轉速變化時，固定轉速電磁力動態跟蹤算法無法適合實際的工作要求。

2.3.2 跟蹤結果及其評價

本文提出的全頻率范圍自適應參數電磁力動態跟蹤方法，其主要目的是在多轉速工況下，對軸向氣體力進行有效的動態跟蹤，實現渦旋機軸向的動態密封。

電磁力動態跟蹤效果如圖5所示。

圖5 電磁力動態跟蹤效果

從圖5中可以看出：對于不同轉速工況，所建立的表2數據庫都能及時、準確地提供所需的提前步數，并進行相應的提前補償；另一方面，也驗證了圖3所示算法適用不同轉速情況，采用該算法能進一步優化電磁力的動態跟蹤效果，改善渦旋機的軸向動態密封性能。

全轉速范圍電磁力動態跟蹤數據如表3所示。

表3 全轉速范圍電磁力動態跟蹤數據

表3以標準誤差作為電磁力跟蹤誤差的計算標準，記錄了不同轉速工況下，渦旋機采用全轉速范圍自適應參數電磁力動態跟蹤算法，電磁力的跟蹤誤差。

從實驗數據上可以看出：轉速頻率在25 Hz～70 Hz范圍內，電磁力的動態跟蹤性能較好，準確度較高；采用全頻率范圍自適應參數電磁動態跟蹤方法，在低頻工況下能有效地改善渦旋機的軸向動態密封，但隨著轉速頻率的增加跟蹤誤差會逐漸變大。經分析，導致跟蹤誤差會逐漸變大的原因，可能是轉速提高后電磁力的跟蹤點數減少，導致累計誤差變大，影響了實驗結果。

3 結束語

本文針對渦旋機軸向的動態密封問題進行深入研究，設計了一種軸向氣體分離力的電磁平衡機構，并提出了一種基于自適應提前跟蹤PID算法的全轉速范圍的渦旋機軸向力電磁跟蹤控制方法;通過理論分析并搭建模擬實驗平臺進行實驗驗證，得到以下結論：

(1)針對渦旋機工作時軸向氣體力的平衡問題，本文設計的電磁平衡機構能有效地平衡渦旋機動態變化的軸向氣體力;

(2)不同轉速工況下，基于全頻率范圍內提前量N自適應生成算法所建立的數據庫能及時準確地為電磁力動態跟蹤提供所需的最優提前步數，驗證了該算法的有效性;

(3)全頻率范圍自適應參數電磁動態跟蹤算法能有效地適應渦旋機不同轉速工況下的工作情況，改善渦旋壓縮機的軸向動態密封性能。

在后續的研究中，筆者將對上述問題繼續進行實驗，進一步研究高頻率時，渦旋機軸向氣體力的電磁跟蹤特性，增加其實際應用價值。