[发明专利]基于磁悬浮轴向位置控制的压缩机喘振预测控制方法

说明书

本发明提供一种基于磁悬浮轴向位置控制的压缩机喘振预测控制方法，通过采集不同转速下压缩机出口压力值与流量值来绘制喘振曲线，通过建立压缩机数学模型推导出压升与质量流量的函数关系，建立压缩机出口压力预测模型来确定压缩机下一时刻的运行点坐标，当运行点坐标与喘振曲线相交时说明下一刻将发生喘振，需要对压缩机中轴承的轴向和径向分别进行调节来消除喘振，即调整转子轴向叶轮与蜗壳间距，增大转子径向控制电流以消除喘振，本发明方法能够预测磁悬浮压缩机下一刻是否发生喘振进而调整控制策略，以使磁悬浮压缩机能够始终保持紧靠在喘振线的右侧运行，有效缩小了喘振裕度，使压缩机既能够有效避免喘振的发生，又能够在最高效率点运行。

技术领域

本发明属于磁悬浮电机控制技术领域，具体涉及一种基于磁悬浮轴向位置控制的压缩机喘振预测控制方法。

背景技术

压缩系统广泛应用于燃气涡轮发动机、涡轮增压发动机和工业压缩设备。为了提高工作效率，压缩机的机械结构发生了很大改变。普通离心压缩机一般以感应电机作为驱动源，通过增速齿轮连接到压缩机的叶轮，以获得压缩机叶轮的高转速。然而，由于增加了齿轮和轴承，使这种高速系统产生了很大的摩擦损失，所以需要一个润滑循环系统来润滑这些装置，这使得整个压缩机系统十分庞大。

为了克服这个问题，需要取消增速齿轮和增加的轴承以减小摩擦，这就要求驱动电机有足够高的转速，无需增速也能带动叶轮高速旋转，以满足工业要求。永磁同步电机控制技术的成熟完美地解决了这个问题，高速、高容量的表面永磁同步电机(SPMSM)本身就具有高效率的优点，以及随后去掉了离心压缩机中的增速齿轮，大大提高了压缩机的效率，机械结构的减少同样缩小了压缩机系统的尺寸，并且舍弃了润滑系统。

近年来，随着磁悬浮轴承控制技术的逐渐成熟，磁悬浮轴承逐渐应用到各种旋转器械中。磁悬浮轴承作为一种新型高性能轴承，它利用可控磁场力使转子稳定的悬浮在固定的位置，与传统轴承相比，使用磁悬浮轴承的优点包括机械损失减少使效率提高、无需润滑消除了维护工作，转子转速高缩小了系统规模等优越性能。这使得磁悬浮轴承在压缩机、鼓风机、飞轮储能等方向拥有广阔的应用前景。集成化压缩机是将SPMSM与压缩机合二为一，并同时采用磁悬浮轴承作为支承，具有结构简单，系统紧凑，效率高，污染低等优点。

为了继续提供系统的运行效率，出现了几种优化方案，一种是增加喘振流量的方法，比如多级叶轮的压缩机，多级与单级相比，整机的喘振流量增大，堵塞流量减小，但整机的性能曲线形状变陡，稳定工况范围变窄，增加了控制难度。另一种是当无法提高压缩机的最高效率时，尽可能的提高非设计运行工况的效率，而非设计运行工况是指在喘振区对压缩机进行控制，这就不可避免的要考虑对喘振的控制。

离心压缩机在运行过程中，若流量减小到一定程度时，将发生非正常工况下的流动失稳，即喘振。喘振作为压缩机的一种固有特性，在对压缩机内部造成巨大冲击的同时也使整个机组产生强烈振动，可使压缩机转子和定子受交变力作用断裂，从而引起叶片飞出，甚至发生机毁人亡的事故。磁悬浮压缩机消除喘振的主要控制方法主要是通过质量流量传感器的反馈控制使压缩机在压力临界点以下运行或在排气口加入节流阀控制。但这两种方法要么在低转速下工作范围被严重限制，要么降低了系统的效率造成了能量损失。若是能够在喘振发生前对扰动进行消除，就能很好的抑制喘振，因此，寻找一种准确快速的喘振识别及预测方法是保证压缩机高效运行的必要条件。

发明内容

基于上述问题，本发明提出一种基于磁悬浮轴向位置控制的压缩机喘振预测控制方法，通过采集不同转速下压缩机出口压力值与流量值来绘制喘振曲线，通过建立压缩机数学模型推导出压升与质量流量的函数关系，建立压缩机出口压力预测模型来确定压缩机下一时刻的运行点坐标，当运行点坐标与喘振曲线相交时说明下一刻将发生喘振，需要对压缩机中轴承的轴向和径向分别进行调节来消除喘振，即调整转子轴向叶轮与蜗壳间距，增大转子径向控制电流以消除喘振；包括：

步骤1：控制磁悬浮压缩机在不同转速下进行实验，得到压缩机不同转速下的特性曲线以生成喘振曲线；