空调机组磁悬浮压缩机控制方法研究与应用

空调机组磁悬浮压缩机控制方法研究与应用

夏陈云

远大空调有限公司  湖南 长沙410199

摘要：本文分析了磁悬浮离心式压缩机配套远大空调机组运行时磁悬浮压缩机极易发生喘振的原因。对喘振发生的机理、原因、预防措施以及远大ICS控制系统存在的问题进行了多方面的分析探讨。针对磁悬浮压缩机特性，采用优化改进后的模糊控制算法替代PID控制算法，能较好的计算并修正水温波动与压缩机控制需求之间的系数，通过大量数据及多工况测试验证，改进后的控制算法既能满足《远大中央空调控制规格书》中对机组出口水温±0.1℃的控制要求，又大大的降低磁悬浮压缩机的喘振发生机率，达到了提高空调机组稳定运行的目的。

关键词：磁悬浮；喘振；PID；控制器；模糊控制算法

Research and Application of Control Algorithm for Magnetic Levitation Compressor in Air Conditioning Units

XIA Chenyun(Broad Air Conditioning,Changsha,410199,hunan,china)

Abstract：This article analyzes the reasons why the magnetic levitation centrifugal compressor is prone to surge during the operation of the Yuanda air conditioning unit. A comprehensive analysis and discussion were conducted on the mechanism, causes, preventive measures, and problems of the Far East ICS control system for the Occurre-

nce of wheezing. Based on the characteristics of the magnetic levitation compressor, an optimized and improved fuzzy control algorithm is adopted instead of the PID control algorithm, which can effectively calculate the coef-

ficient between the correction of water temperature fluctuations and the compressor control requirements. Throu-

gh a large amount of data and multi operating condition testing verification, the improved control algorithm can not only meet the control requirements of ± 0.1 ℃ for the outlet water temperature of the unit in the Far East Central Air Conditioning Control Specification, but also greatly reduce the probability of surging of the magnetic levitation compressor, achieving the goal of improving the stable operation of the air conditioning unit.

Keywords：Oil free centrifugal ;Surge ;Pid; Controller ;Fuzzy control algorithm

引言

伴随着社会经济的快速发展和城市规模的不断扩大，政府对节能减排要求越来越苛刻，中央空调节能被人们日益重视。磁悬浮离心式制冷机组使用了代表21世纪高效制冷压缩机最高水平的无油磁悬浮离心式压缩机。这是一种完全不需要使用润滑油的压缩机，航天级尖端技术的电磁轴承被用来取代压缩机中的机械轴承。永磁体电动机转子与驱动轴以及离心叶轮都被电磁轴承的磁立场托起，处于没有直接接触的磁悬状态，因此消除了机械摩擦以及所产生的效率损失、震动和噪音。制冷系统中没有了润滑油，因此省去了油泵、供油系统，同时也避免了润滑油随制冷剂进入换热器后，引起换热器的换热效率损失。磁悬浮离心式压缩机采用变频调速和IGV进口导叶来调节机组的制冷量，具有非常大的制冷量调节范围，一般磁悬浮离心式制冷机组可以在

10%~100%的范围内实现无级调节。然而当制冷剂的压力、流量、温度发生变化时，磁悬浮离心式压缩机极易发生喘振。特别在机组制冷负荷较低时，冷水机组的控制系统不能迅速跟随外界温度、流量变化时，压缩机发生喘振现象十分常见。由于目前磁悬浮压缩机单机头制冷量普遍不大，故磁悬浮机组水系统也不大，因此机组出口水温对空调末端负荷变化非常敏感，一旦空调末端负荷变化水温立即就会波动，随之造成磁悬浮压缩机吸排气温度及压力发生较大变化，压缩机也极容易发生喘振。喘振对磁悬浮压缩机造成较大伤害，大大降低磁悬浮离心式制冷机组的可靠性。因此从空调机组控制系统方面研究怎么解决或减少磁悬浮压缩机发生喘振，具有十分重要的意义。

1  磁悬浮离心式压缩机喘振的机理

   喘振是流体机械及其管道中介质的周期性震荡，是介质受到周期性吸入和排出的激励作用而产生的机械震动。在离心式压缩机中，喘振是压缩机运行中的常见故障之一，是旋转失速的进一步发展。当离心式压缩机的负荷降低到一定程度时，离心式压缩机的流量大幅减小，叶轮或叶片扩压器内流动恶化，将会首先在叶轮的非工作面产生气流脱离，形成脱离团。随着脱离团的扩大或数量增多，不仅使流量损失大大增加效率下降，还会导致出口压力大大下降，以致于低于背压，气流倒回压缩机，引起排气阀单向阀片与阀座的强烈撞击和机身剧烈震荡，并发出撞击的声音。倒流使叶轮或扩压器内流量过小的问题暂时缓解，流动改善，压缩机出口压力回升，而冷凝器中由于气体倒流压力瞬间下降，低于压缩机出口压力，所以压缩机重新向冷凝器供气。正常供气会提高冷凝器压力，使系统流量再次减少，叶轮或扩压器内流动再次恶化，压缩机出口压力再次下降，冷凝器中的气体再次向压缩机倒流。这种系统内周期性、低频率、大振幅的气流震荡现象称为喘振。

2磁悬浮离心式压缩机喘振的原因

磁悬浮离心式压缩机喘振本质上是因为进入压缩机的制冷剂蒸气流量不足以使压缩机产生足够的压

力，以至于冷凝器的冷凝背压大于压缩机的内部压力。因此，产生喘振故障主要可以通过制冷剂流量小、冷凝压力高和机组控制系统跟随性等方面来分析。

2.1 制冷机组冷冻水流量小

空调系统冷冻水泵故障、Y型过滤器脏堵等使得冷冻水流量小，使得蒸发器换热量小，制冷剂液体蒸发不足，导致磁悬浮离心式压缩机的制冷剂蒸气流量小。

2.2 蒸发器结垢严重

蒸发器水质差或清洗不及时，导致蒸发器换热管结垢严重，换热恶化，制冷剂液体蒸发不足，导致磁悬浮离心式压缩机的制冷剂蒸气流量小。

2.3 制冷机组冷却水流量小或冷却风机风量小

对于水冷机组，空调系统冷却水泵故障、Y型过滤器脏堵等使得冷却水流量小，或冷却塔风机故障，使得冷凝器换热量小，导致冷凝压力升高。

2.4 冷凝器结垢严重

水冷冷凝器水质差、冷凝器换热管长期未得到清洗，结垢严重，换热恶化，导致冷凝压力升高。

2.5 空调末端负荷低且负荷不稳定控制不稳定

空调末端负荷极低且冷冻水系统非常小，低于磁悬浮离心式压缩机的最小容量调节范围。压缩机还未完成启动即到达冷冻水设定温度，空调末端负荷稍微波动造成机组冷冻水入口温度波动频繁导致空调机组控制系统控制超调，极易发生喘振。

3磁悬浮离心式压缩机喘振的预防措施

(1)磁悬浮轴承安装有5个自由度方向的位置传感器，实时探测轴的运转轨迹，如果轴的运转轨迹超

过压缩机允许的正常范围，则快速提高压缩转速避免喘振；如果轴的运转轨迹超过控制器设定的极限值，则停止压缩机运转。

(2)在磁悬浮离心式压缩机一级叶轮的进气口位置安装有入口导流片IGV。当压缩机的制冷剂蒸汽流量减小时，调小IGV角度，增加叶轮入口的正预旋速度，延缓叶轮非工作面的旋转脱离，防止喘振。

(3)在压缩机排气口上安装一个单向阀，防止和减小制冷剂在压缩机喘振期间发生回流，直接冲击

叶轮和磁轴承。

(4）在制冷机组的高低压侧安装热气旁通阀，增大压缩机的流量。当末端实际负荷降低到接近磁悬浮离心式压缩机的最小容量调节范围时，开启热气旁通阀，增大压缩机的流量。此时压缩机的实际流量会大于制冷系统的制冷剂流量，使压缩机的实际流量大于喘振流量，避免发生喘振。

(5)磁悬浮离心式制冷机组一般采用多台磁悬浮压缩机，当空调负荷降低时，可以减少压缩机运行台数，提高单台压缩机的运行负荷，使单台压缩机的流量远离喘振流量。

(6)降低冷凝压力，以避免压缩机流量降低时冷凝背压高于压缩机内部压力。磁悬浮离心式制冷机组可以实现从10%到100%之间连续能量调节，有利于实现水泵的变水流量调节，以节省水泵功率消耗。但冷却水泵变流量不利于降低冷凝压力，防止喘振。在实际应用中，冷却水流量需至少在额定流量30%以上，以保证尽可能低的冷凝背压，避免或延缓喘振发生，并保证机组高能效运行。

(7)压缩机内置吸排气压力传感器，实时探测压缩机运行的工况，并根据实际运行工况实时计算当时工况下压缩机的喘振转速，压缩机控制需求需保证实际转速不会低于喘振转速，从而避免压缩机喘振。

以上七个预防喘振措施，无论是磁悬浮压缩机转速控制还是IGV进口导叶开度控制以及热气旁通阀开启时刻等等均与空调机组控制系统逻辑有关。如何将压缩机IGV开度以及转速控制在合理范围内，确保压缩机时刻工作在喘振线以上是我们空调机组电气控制系统必须着重考虑的问题。远大空调机组电气控制系统最早采用PID控制器计算压缩机控制量，经过反复整定PID参数均没有解决压缩机喘振问题，尤其在压缩机加减载机头以及空调末端负荷波动频繁的时候，PID计算值完全处于超调的状态，导致压缩机经常发生喘振。

4常规PID控制算法的缺陷

PID是一个经典的控制器，它在许多领域广泛应用。远大传统溴化锂非电空调直燃机机组也一直采用PID控制器用来调节燃烧机的火焰大小。溴化锂机组制冷工艺流程较复杂，冷冻水出口水温变化对燃烧机燃烧量影响滞后性较大，使用PID控制器用来跟踪水温变化然后调节燃烧机燃烧量效果一直非常不错。但是将PID控制器用在磁悬浮离心式压缩机机组上，PID控制器“广而不专”的特点就显而易见了，磁悬浮压缩机机组相对溴化锂机组制冷量较小，并且水温变化对磁悬浮压缩机需求变化影响非常敏感，机组出口水温稍有波动，磁悬浮压缩机就瞬间开始加载或者降载，引起超调。磁悬浮机组采用PID控制其局限性和不足之处主要包括以下几点。

(1)产生误差的方式不太合理，当空调机组负荷较小时，控制的“机组出口水温”在运行过程中可以“跳变”，但是被控对象输出“压缩机需求量”的变化都有惯性，不可能跳变，要求让缓变的变量“压缩机需求量”来跟踪能够跳变的变量“出口水温”，初始误差很大，易引起超调，很不合理。

(2)对于误差的微分信号的产生没有太好的办法。由于微分器物理不可实现，只能近似实现。在磁悬浮空调机组PLC中PID控制器微分只能预测机组水温变化趋势，因磁悬浮离心式压缩机喘振线受速度与IGV开度双重影响，故对磁悬浮压缩机本身需求没有任何趋势预测，而压缩机自身控制器一旦监测压缩机即将发生喘振时，控制器便会干预，提高转速或者加大IGV开度等方法避免喘振，而此时PID可能根据水温变化还在反向调节，背道而驰。

(3) 误差积分反馈的引入有很多负作用在PID控制中，误差积分反馈的作用是消除静差，提高系统响应的准确性，但同时误差积分反馈的引入，使闭环变得迟钝，容易产生振荡，易产生由积分饱和引起的控制量饱和。

(4) 线性组合不一定是最好的组合方式。PID控制器给出的控制量是误差的现在、过去、将来三者的线性组合。大量工程实践表明，线性组合不一定是最好的组合方式，能否在非线性领域找到更合适的组合方式是值得探索的。磁悬浮离心式压缩机启动、负荷调节过程、多机头加减载、停机过程压缩机需要控制量尽快加载到避开喘振线时，而此时PID又缓慢的根据水温调节，不利于压缩机快速启动避开喘振线区间，从而极易发生喘振。

5磁悬浮压缩机控制策略方案优化

模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制算法。模糊控制首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。

模糊控制的过程如下图所示。

上图中，包括了模糊控制的主要过程。关于模糊控制的基本原理，在很多文章中都有介绍，本文不过多的解读，我们主要是介绍机空调机组水温变化率及磁悬浮离心式压缩机控制量应用方法。

5.1 温度变化率计算方法

采用“回归直线方程”计算温度变化率（直线斜率），公式如下：

间隔1s采集1个温度数据, 采集n个温度数据计算温度变化率（n为偶数）；

数据采集时间为X，单位为s，X1 ~Xn分别为n，n-1，…1（X1为最新数据）；

温度数据为Y ，Y1 ~Yn为采集保存的n个温度数据（Y1为最新数据）；

将以上数据代入变化率计算公式，简化后可得下式；

10/20/30s温度变化率

间隔1s采集1个温度数据，采集10/20/30个数据计算温度变化率；

最近10/20/30次计算的温度变化率平均值作为当前温度变化率；

5.2 模糊控制表如下：

参数说明：

偏差——冷水出口温度-冷水出口目标温度

Q——压缩机实际需求值

t——调节间隔时间

D1、D2、D3、D4、D5——加权参数，D1

猛升——变化率>Vmax

快升——Vmid<变化率≤Vmax

中升——Vmin<变化率≤Vmid

慢升——0<变化率≤Vmin

不变——变化率=0

慢降——-Vmin≤变化率<0

中降——-Vmid≤变化率<-Vmin

快降——-Vmax≤变化率<-Vmid

猛降——变化率<-Vmax

Vmax、Vmid、Vmin——变化率参数，Vmax最大变化率参数0.005～0.1可设；Vmid中间变化率参数0.003～0.05可设；Vmin最小变化率参数0.001～0.02可设；t为调整间隔可设。

例如：当冷水出口温差+0.8℃；冷水出口温度变化率+0.043℃/S；Vmax设置为：0.040；Vmid设置为：0.020；

Vmin设置为：0.010；加权参数D1设置为：0.02；D2设置为：0.04；D3设置为：0.08；D4设置为：0.20；

D5设置为：0.40；Q压缩机实际值为：40.8%。对应模糊控制表中+0.9～+0.5、猛升条件。猛升计算调整值为：调整系数*平均实际需求=0.50*40.8%=20.4%，故水温模糊计算此时需求为：压缩机实际需求+超高调整系数值=40.8%+20.4%=61.2%。两秒调整间隔后压缩机需求变成61.2%。采用上述模糊控制优化方案进行跟随试验，在1h内将末端负荷从10%-100%之间连续调节，压缩机跟随性良好，未发生压缩机喘振现象，满足了设计要求。

6结语

磁悬浮离心式制冷机组需定期维护好空调末端系统水路清洁，确保机组两器换热管不结垢。机组在设计时需在制冷系统上对机组和压缩机采取防止压缩机流量不足和冷凝背压高等防喘振设计。空调机组电气控制系统控制算法必须确保压缩机需求值与空调机组冷冻水出口温度值有非常科学的跟随性。模糊控制算法出厂参数几乎能满足绝大多数的用户末端系统控制要求，但针对个别非常特殊的用户系统，服务工程师现场需对加权参数简单调整即可满足特殊用户末端系统调节需求。

参考文献：

[1] 祁大同.离心式压缩机原理 [M] .北京：机械工业出版社，2017.

[2] 吴业正.制冷原理及设备 [M] .西安：西安交通大学出版社，1997.

[3] 尉迟斌.实用制冷与空调工程手册 [M] .北京：机械工业出版社，2002.

[4] 宋海成.离心式压缩机的防喘振控制 [J] .自动化技术与应用，2015，34(12)：9-14.

[5]模糊控制算法. 百度百科

1