一种串联动力气体压缩机组及串联动力气体压缩机组控制方法与流程

本发明涉及气体压缩领域，尤其涉及一种串联动力气体压缩机组及串联动力气体压缩机组控制方法。

背景技术：

目前大型气体压缩设备，如空气压缩机一般都采一种动力驱动，要么用电动机驱动，或用燃油发电机驱动，现有技术中没有将电动机与发动机形成很好的动力结合。

因此，有必要设计一种串联动力装置及串联动力装置控制方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种串联动力气体压缩机组及串联动力气体压缩机组控制方法，该串联动力气体压缩机组及串联动力气体压缩机组控制方法灵活性好，占地面积小，易于实施，可让燃料和电力完美地实现优势互补。

发明的技术解决方案如下：

一种串联动力气体压缩机组，包括热动力机、电机单元和气体压缩机机组；

所述的电机单元的两端均具有向外伸出的传动轴，包括定子、转子和轴承，其中定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组由多个绕组组成，每个绕组由导线反复缠绕在同一定子铁芯部位而形成。

所述气体压缩机组包括压缩机和外伸的传动轴，用于产生压缩气体，如空气，一般为离心压缩机、螺杆压缩机或活塞式压缩机。

所述热动力机可采用燃料或燃油的内燃机、燃气轮机或蒸汽轮机，或燃气轮机和蒸汽轮机组合形式，其中燃料有柴油、汽油、天然气等。

所述热动力机的传动轴与电机单元的传动轴直接串联连接后，再与压缩机的传动轴连接。所述热动力机与电机单元的第一端外伸的传动轴通过前级连轴装置相连；电机单元的第二端外伸的传动轴通过后级连轴装置与压缩机的传动轴相连，热动力机、电机单元和气体压缩机的三轴串联直驱，效率更高，结构更简单，更于维护。

进一步，当所述电机定子、转子和传动轴处于水平布置时，位于所述电机转子上方的电机定子绕组中包含一个或多个反重力励磁绕组；所述反重力励磁绕组通过在电机定子绕组之间增加引出导线而获得，所述反重力励磁绕组通过引出导线可与其他定子绕组电气分离，形成可独立通电工作的回路，也可接入到定子绕组回路中。

电机转子内主要材料为铁芯，当所述反重力励磁绕组通入电流时，能对电机转子内的铁芯产生向上反重力方向的电磁吸力，该电磁吸力能让电机单元传动轴的水平支撑轴承，或连同热动力机和压缩机传动轴的水平支撑轴承，所受的竖直向下压力减小或为零，此时工况为热动力机驱动压缩机，电机单元既不做电动机也不发电。

由于热动力机、电机单元和空气压缩机均为水平安装，而且在三者中的运动部件，电机转子和传动轴的重量相对其他部件要重的多，传动轴转动时轴承产生的摩擦力只与轴承承受的垂直径向压力有关，而与压缩机负荷和传动轴的转矩大小无关，一旦该压力减小甚至为零，将大大降低轴承转动时的摩擦阻力，同时可降低震动和噪音。这种普通轴承加转子和反重力励磁绕组的结构方式，与磁悬浮轴承结构类似，能使轴承径向方向承受的重力减小甚至到零，相当于处于失重环境下，获得近似于磁悬浮轴承的效果。

由于采用电机与热动力机和空气压缩机直接串联结构，此时整个电机不仅成了连接热动力机与空气压缩机的传动轴和飞轮，还成为能支撑热动力机和空气压缩机自身传动轴的反重力轴承。而且反重力励磁绕组结构，不需要再电机本体上额外增加部件，而是结合电机单元已有轴承、转子和定子，通过优化定子绕组，产生出独特反重力励磁绕组结构，使已有电机单元成为一个庞大的反重力轴承，和一个性能更加优质的反重力惯性飞轮。

进一步，所述的电机单元为发电机、电动机、复合型电机或电机组；复合型电机是指该电机单元既能作为发电机使用又能作为电动机使用；电机组为包括依次串联的至少两个子电机单元。如电机单元采用两台电机同轴串联，其中一台电机连接电动机模块，作动力输出的电动机，另一台电机与发电模块接通，作电力输出的发电机；或采用双定子共一个转子的电机，其中一个定子与电动机模块接通，作输入电源的电动机定子，另一个定子与发电模块接通，作输出电源的发电机定子。

所述电机单元还可以作为热动力机启动的动力：在热动力机启动前，让电机单元接通电动机模块，电机单元工作在电动机模式，通过电机单元带动热动力机转动；当热动力机启动完成之后，电机单元与电动机模块断开。

进一步，前级连轴装置为连轴器或离合器；后级连接装置为连轴器或离合器。

连轴装置安装在传动轴之间，传递传动轴之间的力矩，包括热动力机与电机单元之间的前级连轴装置，电机单元与压缩机之间的后级连轴装置；连轴器是指用法兰盘和螺栓将两根传动轴连接起来，采用连轴器连接是一种固定的连接方式，采用离合器连接是一种灵活的连接方式。

连轴装置采用电控离合器或机械可控离合器，如手动控制的机械离合器。离合器包括主动盘和从动盘，分别嵌套固定在所对应的传动轴上，当传动控制模块控制离合器吸合时，主动盘和从动盘同步转动，使得两个传动轴同步转动；离合器分离时，两个传动轴之间不传递转矩。

另一种连轴装置为法兰盘连轴器，包括主动盘、中间连接段和从动盘，其中中间连接段的两侧还可设有柔性连接片，主动盘和从动盘分别嵌套固定在所对应的传动轴上；当主动盘、柔性连接片、中间连接段和从动盘之间用螺栓螺帽连接固定后，主动盘和从动盘同步转动，并带动两个传动轴同步转动，反之拆除螺栓螺帽，两个传动轴分离；主动盘和从动盘结构完全一样可以互换；所述的连轴装置的前级和后连轴装置也可分别采用电控离合器和法兰盘连轴器。

进一步，所述前级或后级连轴装置上还设置有用于转速或转向变换的变速装置，当热动力机的转速或转向与压缩机的转速不一致时，通过变速装置使二者转速或转向达到一致，一般采用齿轮变速箱或皮带轮结构。

进一步，所述的串联动力气体压缩机组还包括电控系统；包括热动力控制模块、电机控制模块和气体压缩机组控制模块；

（1）热动力控制模块用于控制热动力机的运行；

（2）电机控制模块包括电动机模块、发电模块或反重力控制模块中的至少一种。

所述电动机模块的输出端连接电机单元，电动机模块的输入端连接外部电源，用于从外部电源获取电能为电机中的电动机供电；电动机模块还可采用频率可调电源，能根据压缩机负荷自动调整电机转速。所述发电模块的输入端与电机单元连接，发电模块的输出端与外部用电负荷连接；用于将发电机产生的电能输出到外部负载。

当电控系统控制电动机模块与电机单元接通时，电机单元工作在电动机模式；当电控系统控制发电模块与电机单元接通时，电机单元工作在发电机模式。电动机模块和发电模块也可集成合为一个电机控制模块。

所述反重力控制模块输出端与反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为电机定子的反重力励磁绕组提供电源，并控制对电机转子电磁吸力的方向和大小；当切换单元断开时，电机单元工作在反重力轴承模式，励磁单元与反重力励磁绕组接通，即使电机转子被其他设备带动旋转，也能对转子产生持续的反重力方向的电磁吸力；当切换单元闭合时，将反重力励磁绕组恢复到电动机或发电机的定子绕组中，电机单元恢复到电动机模式或发电机模式。

除反重力励磁绕组，或将反重力励磁绕组恢复到电动机或发电机的定子绕组中；

（3）所述气体压缩机组控制模块与气体压缩机组连接，控制其运行。

（4）当连轴装置采用电控离合器时，电控系统还包括用于控制离合器连接和分离的传动控制模块。传动控制模块与前级和后级连轴装置连接，控制其连接和分离。电控系统可与外部通信单元相连；外部通信单元用于在现场或远程控制控制电控系统。如通过现场的现场总线控制电控系统，或通过远程无线（3g、4g或4g等）或有线（因特网）控制电控系统。

进一步，反重力励磁绕组为电机定子中独立设置的绕组。

一种串联动力气体压缩机组控制方法，采用前述的串联动力气体压缩机组；控制串联动力气体压缩机组工作在以下任一工作模式中：

（1）模式1、热动力单独驱动压缩机；

同时接通电机单元与热动力机和压缩机之间的前级连轴装置和后级连轴装置，并将电机单元与外部电路断开（即不发电也不向电机供电）或将电机单元与反重力控制模块接通；运行热动力机，热动力机的传动轴同步驱动电机转子和压缩机，电机处于转子被动空转状态；

（2）模式2、电力单独驱动压缩机；

让电机单元与压缩机之间的后级连轴装置接通，而让电机单元与热动力机之间的前级连轴装置分离，热动力机不工作；电机单元接入电控系统中的电源模块，电机处于电动机模式；由外部电源输电通过电机单元驱动压缩机；

（3）模式3、热动力与电力混合驱动压缩机

同时接通电机单元与热动力机和压缩机之间的前级连轴装置和后级连轴装置；

运行热动力机，电机单元接入电源模块，并与外部电源接通，电机处于电动机模式；热动力机与电机单元联合驱动压缩机；

（4）模式4、热动力驱动压缩机并驱动电机发电

同时接通电机单元与热动力机和气体压缩机之间的前级连轴装置和后级连轴装置；运行热动力机，同步驱动电机转子和气体压缩机；电机处于发电模式，电机单元接入发电模块，向外部用电负荷输送电能；

（5）模式5、单发电输出

让电机单元与压缩机之间的后级连轴装置分离，而让电机单元与热动力机之间的前级连轴装置接通，电机单元接入发电模块，电机处于发电模式；运行热动力机，驱动电机单元，通过发电模块，专门向外部用电负荷输送电能。

有益效果：

本发明公开了一种串联动力气体压缩机组及串联动力气体压缩机组控制方法。本发明主要创新点如下：

1.本发明创新之一：电机转子当传动飞轮，系统简化。

当只用热动力机驱动压缩机时，现有技术认为此时电机完全无用，一般都采用复杂的装置将电机与热动力机和压缩机脱离，而在本发明中却将热动力机、电机和气体压缩机三者传动轴直接串联，当单独采用燃料驱动压缩机时，热动力机必须先驱动电机，再驱动压缩机，此时电机既不产生动力也不发电，看似多余，完全超出了电机的常规用法，然而通过对热动力机、电机和气体压缩机的各自特点做了深入分析后发现：

气体压缩机组的压缩机，尤其是大功率气体压缩机组都采用离心压缩机，离心压缩机内的叶轮转速高达一万多转，内部结构配合十分精密，对传动轴的平稳性，即轴向震动和径向震动要求很高。

热动力机较常用的有内燃机、燃料轮机、汽轮机，其中热内燃机转速较低,由多个活塞气缸交替推动，和电动机驱动相比，其输出力矩有一定的脉动性，存在一定量的轴向和径向震动，有时甚至会出现爆震；燃料轮机和汽轮机转速较高，但在运行中负荷变化时很难避免有现喘震现象，其输出轴必然会也有剧烈震动。

因此若用热动力机直接驱动离心压缩机，现有工艺下，由于热动力机无法达到与电动机一样的平稳性，离心压缩机内高速叶轮、高速轴承等部件将无法承受热动力机的震动，而且离心压缩机本身在低负荷下也会出现喘震，会反过来也影响热动力机的安全运行，这也是该技术目前没有真正应用的原因之一。

然而本发明中在气体压缩机和热动力机之间增加一个同等功率的电机，由于电机定子绕组开路、无电流，定子对转子无转矩，转子处于自由状态，受热动力机驱动时，仅只有少量的转子轴承摩擦力。同时电机转子被动高速转动时，相当于在气体压缩机与热动力机之间增加一个惯性飞轮，而且通过电机单元前后的两组轴承，可牢牢锁定转子的轴向位移动和径向位移，正好可充分吸收热动力机的震动，保证输入给气体压缩机的扭矩在轴向和径向的平稳，从而在气体压缩机与热动力机形成良好的缓冲隔离，其平稳性可达到与电动机直驱动压缩机同等效果。

因此看似不合常理的做法，其实是建立在真正了解离心压缩机、热动力机、电机的工作特点基础之上所采用的最佳技术方案，是本发明的创新所在。此时虽没有用到电机常规的电气特性，却巧妙的利用了电机的机械结构，让电机转子被动空转，在热动力机与离心压缩机之间充当具有缓冲、稳定的惯性飞轮。

相对于其他采用热动力机与电机并联的系统，发动机驱动压缩机时将电机分离，虽然可减少电机空转的摩擦，但是结构复杂，实用性差。而采用机械串联的布局结构实现热动力机直驱压缩机载，传动效率高，不仅便于电机燃气热泵装置，也便于发动机独立发电，使整个装置结构简单可靠，同时可方便嫁接现有且十分成熟的燃料发电机和气体压缩机载技术，使本发明具有很好的实用性。

本发明创新之二：电机转变成反重力轴承，系统高效。

当电机仅作传动轴和惯性飞轮时，由于转子重量较重，会产生一定的摩擦能耗，而由于在电机中采用反重力励磁绕组的结构，不仅不会增加摩擦力，反而还会减少整个系统的摩擦阻力。

通过在电机定子中增加引出导线，在定子绕组上部中分离出一组或多组绕组，作为反重力励磁绕组，并对其单独通电，利用定子铁芯和转子铁芯，形成一个能将转子往上吸引的电磁铁结构，通过控制电流，使电磁吸引力大小能让电机单元传动轴的水平支撑轴承或连同热动力机和气体压缩机传动轴的水平支撑轴承所受的竖直向下压力减小或为零。

由于热动力机、电机和气体压缩机均为卧式安装，而且在三者中的运动部件，电机转子和传动轴的重量相对其他部件要重的多，传动轴转动时轴承产生的摩擦力只与轴承承受的垂直径向压力有关，而与气体压缩机负荷和传动轴的转矩大小无关，一旦该压力减小甚至为零，将大大降低轴承转动时的摩擦阻力，同时可降低震动和噪音。

这种普通轴承加转子和反重力励磁绕组的结构方式，与磁悬浮轴承结构类似，能使轴承径向方向承受的重力减小甚至到零，相当于处于失重环境下，获得近似于磁悬浮轴承的效果。

由于采用电机与热动力机和气体压缩机直接串联结构，此时整个电机不仅成了连接热动力机与气体压缩机的传动轴和飞轮，连轴装置采用刚性连接时，或当电机、热动力机和气体压缩机采用同一个传动轴时，还成为能支撑热动力机和气体压缩机自身传动轴的反重力轴承，因而将这种产生反重力效果的整体命名为反重力轴承。

电机变轴承，反重力励磁绕组结构看似很复杂，但其实并不需要在电机本体上再额外增加部件，轴承、转子和定子都是电机本身已有的，只是通过优化定子绕组，增加引出导线，产生出独特反重力励磁绕组结构，使已有电机成为一个庞大的反重力轴承，和一个更优质的零重力惯性飞轮，而成本却只有磁悬浮轴承的千分之几，这正是本发明巧妙之处。

当电机需要作在电动机模式或发电机模式时，通过反重力控制模块中的切换单元，对反重力励磁绕组的引线进行切换，将反重力励磁绕组立即恢复到电动机或发电机的定子绕组中。

综上所述，本发明的串联动力气体压缩机组及串联动力气体压缩机组控制方法易于实施，结构简单。操作灵活，能源利用率高，适合推广应用。

附图说明

图1为串联动力气体压缩机组的总体结构示意图；

图2为连轴装置接通示意图；

图3为连轴装置分离的示意图；

图4为电控系统示意图；

图5为电机单元的定子绕组处于电动机或发电机模式的示意图；

图6为电机单元的定子处于反重力模块控制的示意图；

图7为双电机组成电机单元示意图；

图8为双定子电机示意图；

图9为法兰连轴器接通示意图；

图10为法兰连轴器分离的示意图；

图11为变速装置设置在前级连轴装置时的状态图；

图12为变速装置设置在后级连轴装置时的状态图；

图13为热动力机驱动压缩机模式示意图；

图14为电力驱动压缩机模式示意图；

图15为热动力机和电力联合驱动压缩机模式示意图；

图16为热动力机驱动压缩机同步发电模式示意图；

图17为热动力驱动发电模式示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

首先所述热动力机可采用燃气或燃油的内燃机、燃气轮机或蒸汽轮机，或燃气轮机和蒸汽轮机组合形式，其中燃气最佳采用天然气。

实施例1：如图1，串联动力气体压缩机组中，包括热动力机1、电机单元2、压缩机30、连轴装置和电控系统，其中热动力机1带有动力输出的传动轴101，其中电机单元2包括转子20和定子21，转子两端均有伸出的传动轴201。其中连轴装置安装在传动轴之间，包括前级连轴装置41和后级连轴装置42，参照图2和图3分别为连轴装置接通和分离的示意图。热动力机1、电机单元2、压缩机30为串联布置，电机单元传动轴201的一端与压缩机传动轴301通过连轴装置42直接连接，同时电机单元传动轴201的另一端通过连轴装置41与热动力机传动轴10直接连接。电机单元2采用一个电机，包括一个转子20和一个定子21，可运行在电动机模式，也可运行在发电机模式。

参照图4，电控系统包括热动力机控制模块、电动机模块、发电模块、反重力控制模块、传动控制模块和气体压缩机组控制模块。其中热动力机控制模块与热动力机1连接，控制其启动及运行。其中电动机模块的输出端连接电机单元2，电动机模块的输入端连接外部电源。发电模块的输入端与电机单元2连接，发电模块的输出端与外部用电负荷连接；当电机单元2需要工作在电动机模式时，电控系统控制电动机模块与电机单元2接通；当电机单元2需要工作在发电机模式时，电控系统控制发电模块与电机单元接通。气体压缩机组控制模块控制气体压缩机组运行。

参照图5、图6，其中电机单元包括传动轴201、转子20、定子绕组21，反重力模块包括励磁单元和切换单元，其输出端连接到位于电机单元定子绕组顶部的反重力励磁绕组211，其输入端连接外部电源。其中传动控制模块分别与前后级连轴装置41和42连接，控制其连接和分离。本实施例中前后级连轴装置41和42均采用电控离合器，包括主动盘和从动盘，分别嵌套固定在所对应的传动轴上，当传动控制模块控制离合器吸合时，主动盘和从动盘同步转动，并带动两个传动轴同步转动，反之亦然。主动盘和从动盘结构完全一致，可以互换。

电机单元2可以作为热动力机1启动的动力：在热动力机1启动前，让电机单元2接通电动机模块，电机单元2工作在电动机模式，通过电机单元2带动热动力机1转动；当热动力机1启动完成之后，电机单元2与电动机模块断开。

实施例2

与实施例1的区别在于，电动机模块采用频率可调的电源，可以根据压缩机30负荷自动调整电机转速。

实施例3

参照图7，与实施例1的区别在于，电机单元2采用两个独立电机共轴串联，其中一个电机可作动力输出的电动机，一个电机可作为电力输出的发电机。

实施例4

参照图8，与实施例1的区别在于，采用2个定子21共一个转子20的电机，其中一个定子可作输入电源的电动机定子，另一个定子可作输出电源的发电机定子。

实施例5

参照图9和图10，与实施例1的区别在于，前级连轴装置41和后级连轴装置42均采用无传动控制模块的法兰盘连轴器，包括主动盘401、两套柔性连接片402、中间连接段403、从动盘404、连接螺栓405和螺帽406。主动盘401、柔性连接片402、中间连接段403和从动盘404上均开有若干通孔，可通过螺栓。其中一套柔性连接片402上通过螺栓405螺帽406交替与主动盘401和中间连接段403固定；另一套柔性连接片402上通过螺栓405螺帽406交替与从动盘404和中间连接段403固定。

当主动盘401、柔性连接片402、中间连接段403和从动盘404之间用螺栓405螺帽406连接固定后，主动盘401和从动盘404同步转动，并带动两个传动轴同步转动；反之拆除螺栓405螺帽406，两个传动轴分离；主动盘401和从动盘404结构完全一样可以互换。

实施例6

与实施例1的区别在于，前级连轴装置41采用电控离合器，前级连轴装置42采用法兰盘连轴器。

实施例7

与实施例1的区别在于，前级连轴装置41采用法兰盘连轴器，前级连轴装置42采用电控离合器。

实施例8

参照图11，与实施例1的区别在于，前级连轴装置41上还设置有用于转速或转向变换的变速装置50，变速装置50位于前级连轴装置41的热动力机1一侧，此时电机单元2与压缩机30的转速一致。

实施例9

参照图12，与实施例1的区别在于，后级连轴装置42上还设置有用于转速或转向变换的变速装置50，变速装置50位于后级连轴装置42的压缩机30一侧，此时电机单元2与热动力机1的转速一致。

实施例10

与实施例1的区别在于，电动机模块、发电模块和反重力控制模块集成为一个电机控制模块。

根据上述实施例，本装置由热动力机1、电机单元2、压缩机、连轴装置和电控系统组成，可制冷和发电，其操作方法如下：

模式1、热动力驱动压缩机

参照图13，同时接通电机单元2与热动力机1和压缩机30之间的前后级连轴装置41和42，电机单元2的反重力励磁绕组211与反重力控制模块接通。运行热动力机1，热动力机1的传动轴同步驱动电机转子20和压缩机30，电机处于转子被动空转状态，整个转子20作为一个飞轮运行，同时转子20和传动轴受到上方反重力励磁绕组211的电磁吸引力，使传动轴上的轴承22所受的径向压力减小或为零，减少轴承22摩擦阻力和噪音。

模式2、电力驱动压缩机

参照图14，让电机单元2与压缩机30之间的后级连轴装置42接通，而让电机单元2与热动力机之间的前级连轴41装置分离，电机单元2接入电动机模块，电机处于电动机模式。外部电源输电通过电机单元2驱动压缩机30。

模式3、热动力与电力联合驱动压缩机

参照图15，同时接通电机单元2与热动力机和压缩机30之间的前级连轴装置41和后级连轴装置42，电机单元2接入电动机模块，并与外部电源接通，电机处于电动机模式。

运行热动力机，与电机单元2联合驱动压缩机30。

模式4、热动力驱动压缩机同步发电

参照图16，同时接通电机单元2与热动力机1和压缩机30之间的前级连轴装置41和后级连轴装置42，电机单元2接入发电模块，电机处于发电模式，通过发电模块向外部用电负荷输送电能。运行热动力机，驱动压缩机运行。

模式5、纯发电输出模式

参照图17，让电机单元2与压缩机30之间的后级连轴装置42分离，而让与热动力机1之间的前级连轴装置41接通，电机单元2接入发电模块，电机处于发电模式。运行热动力机1，驱动电机单元2，通过发电模块，专门向外部用电负荷输送电能。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动、变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均属于本发明的保护范围。