直驅控制渦旋壓縮機位置識別方法研究*

2022-08-25 02:00:28顏禧龍蔡炯炯蔣加禎

機電工程 2022年8期

顏禧龍,蔡炯炯*,蔣加禎,瞿曉,劉雷

(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(杭州)有限公司,浙江杭州 310023)

0 引言

渦旋壓縮機是20世紀80年代才發展起來的一種新型容積式壓縮機。該型壓縮機具有零件少、體積小、運轉平穩、振動小、效率高等優點,因而被廣泛應用于眾多的工業制造領域中[1-3]。隨著工業技術的進步與發展,業界對于渦旋壓縮機的要求也越來越高。

在渦旋壓縮機的工作過程中,由于氣體會從其動、靜渦盤齒壁間的徑向間隙泄露,這大大阻礙了渦旋壓縮機往高壓力、大容量方向的發展[4]。因此,密封問題一直是渦旋壓縮機研究的關鍵技術難題之一。

渦旋壓縮機動、靜渦旋齒壁間的徑向間隙是其氣體泄漏的主要通道之一。徑向間隙又包含靜態間隙和渦旋壓縮機工作過程中和動態間隙。其中,靜態間隙主要是由動靜渦旋盤的加工誤差、各運動部件的磨損、裝配精度不夠等引起的;動態間隙主要是渦旋壓縮機工作狀態下,因中間傳動環節的傳動誤差和防自轉機構不能完全控制動渦盤的自轉,而由此引起的[5,6]。

近年來,國內外許多學者和專家就渦旋壓縮機的切向泄露和密封相關問題進行了大量研究工作。

PEREIRA E等人[7]對不同氣體、工況和幾何參數下,渦旋壓縮機的切向泄漏問題進行了數值分析。KOHSOKABE H等人[8]對渦旋壓縮機進行了研究,結果發現,利用代數螺線作為渦旋型線有利于減小壓縮機切向泄漏線的長度。劉興旺等人[9]也對渦旋壓縮機進行了研究,結果發現,單位曲柄轉角下的切向泄露量會隨著轉速降低而增大。王海民等人[10]通過對渦旋壓縮機進行的研究,并指出,壓縮機徑向間隙處的密封是靠油膜表面張力來完成。ZHENG S Y等人[11]對渦旋壓縮機進行了研究,在此基礎上指出,通過在靜渦盤側壁上設置連續密封槽,可以減少切向泄露量。KYOBONG K等人[12]考慮了渦旋壓縮機軸和套筒之間的接觸和油膜壓力的影響,對徑向隨變機構進行了動力學研究。

上述研究工作雖然對渦旋壓縮機切向動態密封的改善提供了很多有益的幫助,但是由于大部分的機構比較復雜,且大部分不適用于無油壓縮,其對切向動態密封的改善效果有限。另外,在上述研究工作中,對動、靜渦旋齒間的徑向間隙均無法實現主動控制,結果是在2個渦旋盤之間仍然存在切向泄露和過摩擦現象,給渦旋盤的穩定轉動帶來了新考驗。

為解決上述研究中存在的問題,筆者提出一種基于電流信號的渦旋壓縮機切向主動密封的控制方法,并在平面電機上,利用該控制方法實現對動、靜渦旋齒間徑向間隙的主動控制。

1 渦旋壓縮機直驅主動控制特性

1.1 基于直線電機的直驅式渦旋壓縮機構架

針對渦旋壓縮機側面動態密封問題,筆者提出一種基于平面電機的直驅式渦旋壓縮機構架。平面電機由2個永磁同步直線電機(在運動方向上成90°角)構成XY電機平臺[13],電機帶動動渦盤沿規劃好的運動路徑進行平面運動,即可實現對渦旋壓縮機動靜渦盤間徑向間隙的主動控制。

基于直線電機的直驅構架示意圖如圖1所示。

圖1 基于直線電機的直驅式渦旋壓縮機構架示意圖

相比于傳統的驅動方案,該直驅方案減少了電機與動渦盤之間的傳動環節和防自轉機構,使其結構更為簡單;而且也減少了因中間傳動結構帶來的傳動誤差,能更精準地控制渦旋壓縮機動靜渦旋齒間徑向間隙的大小,從而提高其動態側面密封效果。

1.2 側面密封接觸壓力與電流信號特征

在渦旋壓縮機的工作過程中,其內部動靜渦旋盤的嚙合情況(即徑向間隙的大小)不能直接得到,因此,筆者在該處采用電機電流變化來間接判斷動靜渦旋盤的嚙合情況。

在理想的情況下,設通入繞組的三相電流為:

(1)

式中：Im—電流幅值；ω—電流角頻率；θ0—A相電流初始相位角。

設A相線圈初始位置為X0，到t時刻空間位移為xt，則A相線圈反電勢為[14-16]：

(2)

式中：n—線圈匝數；Bm—磁場強度；l—疊厚；τ—極距。

動子速度為：

(3)

(4)

此外，對永磁同步電機有:

(5)

即永磁同步直線電機的推力公式可表示為:

(6)

但實際上直驅電機平臺除了對負載輸出力之外，還要平衡摩擦力、本身的開斷引起的端部力等，其機械運動方程可表示為:

F=MpV+Ff+Fr+Fd

(7)

式中：F—電磁推力；M—動子質量；p—微分算子；Ff—摩擦力；Fr—由于端部效應、齒槽效應和其他因素引起的波動力，其占比隨著負載程度略有變化；Fd—負載力。

由于電磁推力存在波動和三相反電勢非正弦，所以三相電流也非正弦，對每個位置仍采用通入三相對稱電流的控制方案，則式(6)變為:

(8)

則三相電流表達式為:

(9)

由式(4,8,9)可知：在速度V不變的情況下，三相反電勢(Ea、Eb、Ec)在每個確定的位置(θ)處為不變恒定量，因此，電流幅值(I)和電磁推力(F)成比例關系。所以筆者可以通過三相電流(ia、ib、ic)的大小來獲知電磁推力(F)的大小。并且電磁推力會隨著側面密封接觸壓力的變化而變化，所以可以通過電機某相電流的大小來反映出側面密封接觸壓力的變化。

1.3 直驅式切向主動密封控制方法

基于上文對渦旋壓縮機側面密封接觸壓力與電機電流信號的分析可知,當電機電流增大時,其側面密封接觸壓力也隨之增大。

因此,筆者提出一種基于電流信號的渦旋壓縮機切向主動密封的控制方法。

基于電流信號的直驅控制方法流程圖如圖2所示。

圖2 基于電流信號的直驅控制方法流程圖

該控制方法的流程是先進行冷態位置識別,再進行熱態位置識別。因為與熱態時相比,冷態時渦旋壓縮機的零部件形變小,受溫度影響小,所以對其進行控制的難度更小。并且冷態位置識別可以為熱態位置識別奠定基礎。[17]

2 冷態運動軌跡識別

冷態位置識別過程主要分為4部分:

(1)建立離線電流數據庫;(2)確定電流差值閾值;(3)確定靜渦盤圓心;(4)確定動渦盤運動軌跡。

冷態運動軌跡識別算法流程圖,如圖3所示。

冷態運動軌跡詳細識別步驟如下:

(1)建立離線電流數據庫(如圖3框1部分所示)?；谇捌趯﹄姍C電流信號的分析可知,當負載和速度一定時,電機相電流值在每個固定位置是確定的,因此,筆者提出構建離線電流數據庫;

(2)確定電流差值閾值(如圖3框2部分所示)。通過將當前電流值與數據庫中相同位置的電流值進行比較，得到電流差值Δi1，再以電流差值Δi1為評價指標，以此來判斷動靜渦盤的嚙合情況，電流差值Δi1=|當前電流i-數據庫電流i0|；

圖3 冷態運動軌跡識別算法流程圖

為了確定電流差值的閾值，筆者先控制電機往X軸正方向運動，直到二維力傳感器數值達到一定值時停止，記錄此時的電流值，選取合適的電流差值使力傳感器數值最小。其他3個方向也是如此，最后選取最大值確定為電流差值閾值I1；

(3)確定靜渦盤圓心(如圖3框3部分所示)。當安裝好動靜渦盤時,其圓心位置可由光柵反饋得到,而靜渦盤圓心位置無法得知,因此就無法進行動渦盤運動軌跡識別。確定靜渦盤圓心分為兩步,即先初步確定圓心坐標,再在此基礎上,多次測量求平均,確定最終的圓心坐標。

確定靜渦盤圓心示意圖如圖4所示。

圖4 確定靜渦盤圓心示意圖

圖4(a)為初步確定靜渦盤圓心坐標，在確定X軸中心坐標時，電機的Y軸不動，只移動X軸，控制電機先向X軸正方向移動，當檢測到電流差值大于閾值時，記錄該點坐標為電機X軸正邊界坐標。同理，可以得到電機X軸負邊界坐標，然后將兩坐標求中間值，就得到了X軸中心坐標(Y軸中心坐標也是如此測得)。

為了減小誤差，筆者以初步測得的圓心為測量起點，X軸和Y軸各重復測量5次，如圖4(b，c)所示，將所得結果求平均確定為靜渦盤圓心；

(4)確定動渦盤運動軌跡(如圖3框4部分所示)。由于存在加工誤差和裝配誤差,需要對壓縮機動渦盤運動軌跡進行識別確定。

冷態位置識別示意圖如圖5所示。

圖5 冷態位置識別示意圖

筆者將理論的壓縮機動渦盤運動軌跡均勻分為等份,算出待測n個點的坐標,如圖5(a)所示,按角度將動渦盤運動軌跡平均分為4個部分。如圖5(b)所示,測量第一部分的點，電機X軸不動,移動電機往Y軸正方向運動,每前進一步測量一次電機電流,當檢測到電流差值大于閾值時，記錄并保存該點坐標;

其他3部分也是類似的操作,直至測量完所有點的位置,最后將所有測得的點坐標組合而成為動渦盤運動軌跡坐標。

3 熱態運動軌跡識別

在渦旋壓縮機運行時,由于氣體壓縮發熱,會導致壓縮機的動、靜渦盤受熱變形,仍沿冷態軌跡運動會出現過摩擦或切向泄露,因此,需要修正其運動軌跡。

熱態位置識別主要分為確定熱態運動初始軌跡、確定電流差值閾值和修正動渦盤運動軌跡3部分。

熱態軌跡識別流程圖如圖6所示。

圖6 熱態軌跡識別流程圖

熱態軌跡識別步驟如下:

(1)熱態初始運動軌跡的確定(如圖6框1部分所示)。熱態運動初始軌跡是在已有的冷態運動軌跡基礎上的適度縮減,其目的是為了防止渦旋壓縮機在運行過程中發生熱膨脹等磨損現象。

為了確保壓縮機動渦盤沿熱態初始軌跡運行時不會和靜渦盤發生接觸,需用二維力傳感器來進行檢測。

筆者將冷態運動軌跡往內回縮一定距離,控制電機按回縮后軌跡以一定速度順時針運動,若力傳感器有數值變化則需要再縮減一定距離,直至力傳感器無變化,即認為動、靜渦盤無接觸,保存運動軌跡為熱態運動初始軌跡。

筆者確定其熱態初始軌跡示意圖如圖7所示;

圖7 確定熱態初始軌跡示意圖

(2)電流差值閾值的確定(如圖6框2部分所示)。與冷態運動不同,熱態運動軌跡識別的評價指標是以當前位置電流值和上一位置電流值的進行比較,得到的電流差值Δi2作為評價指標。其中,電流差值Δi2=|當前位置電流ip-上一位置電流iq|。

筆者從初始軌跡上選取4個端點,先將X軸正向端點橫坐標每次增加一定距離,其余點不變,控制電機按更改后軌跡,以一定速度順時針運動;根據待測點電流值和二維力傳感器數值確定動靜渦盤在待測點處剛接觸和未接觸時的電流差值閾值;再將其他3點進行上述操作,得到另外3個電流差值閾值,并取其中最大值作為熱態電流差值閾值I2;

(3)動渦盤運動軌跡的修正(如圖6框3部分所示)。

熱態位置識別示意圖如圖8所示。