負壓風機廠高壓大容量風機和泵類設備的變頻節能汽車空調風機無刷

摘要:喘振現象是具有駝峰型特性的風機、壓縮機、泵類設備的固有特性。本文分析了喘振的具體現象和其　　發生的根本原因，研究了風機、泵類設備變頻節能和防喘振的基本原理，并介紹了一個利用“變頻節能　　與防喘振協調控制器”實現高壓風機、壓縮機和泵變頻調速運行的具體方案。
關鍵詞：風機　泵　變頻節能　喘振

一、概述：
　　近年來，隨著高壓變頻器設計技術和制造技術的不斷完善，高壓變頻器的可靠性已得到很大提高，高壓變頻節能技術已開始進入全面推廣階段，我國目前正掀起一個推廣應用高壓變頻節能技術的熱潮。
　　值得注意的是，高壓容量風機、泵類設備應用變頻器進行改造后，由固定轉速運行方式進入變速運行方式，設備的運行狀態發生了變化，會帶來諸如機械共振、喘振、潤滑不良、絕緣損傷等一系列問題。尤其是大容量離心壓縮機、離心鼓風機、離心泵等設備，駝峰型特性的存在，使其不可避免地會出現喘振問題。大容量風機、泵類設備進行變頻改造時，其可能出現的喘振問題必須引起足夠的重視，稍有不慎，將會引發惡性設備事故，造成數百萬元的經濟損失。
　　多年的變頻節能實踐告訴我們，對于具有駝峰型特性的高壓大容量離心壓縮機、離心鼓風機、離心泵等設備，實施變頻節能改造時，必須同時考慮如下幾個方面的控制問題：
1、流量或壓力控制工程
　設備變頻調速的目的是結合工藝，滿足工藝提出的流量或壓力控制要求，同時實現設備的節能運行，這就要求設置一套流量或壓力自動控制工程。
2、防喘振控制工程
　喘振現象對設備危害極大，必須專門設置一套防喘振控制工程，確保設備運行安全。
3、油路控制工程
　 大型壓縮機、風機和泵類設備都配有一套供油工程，如軸承密封油、潤滑油、閥門的控制油等，需要設置一套油壓、油溫的控制和聯鎖報警工程。對于那些原使用同軸油泵的設備，還必須考慮調速后油壓下降可能造成的危害，需另外設置獨立的工作油泵。
4、綜合故障監控工程
　大型設備如化肥廠氨壓縮機，因其功率大，轉速高，又是單機運行，是工廠的核心生產設備，它的安全運行至關重要，其運行參數如壓力、溫度、振動、噪聲、軸向推力、軸向位移等必須嚴格監控，并與調速控制工程聯鎖，因此有必要設置綜合故障監控工程。
　需要指出是，上述四個控制工程不是孤立的，它們應該相互聯系起來，才能實現整個工程的協調控制。一種新型的全自動控制工程現已推出，稱之為“變頻節能與防喘振協調控制器”，它具有上述四個控制工程的全部功能，是一個小型化、高度自動化的多功能控制裝置。
二、風機、泵變頻節能原理
　　固定轉達速運行的風機和泵類設備為實現工藝要求的流量或壓力控制目的，往往采用閥門節流、排空、旁通回流等負荷控制方式，這些控制方式都造成大量的能量損失。先進的變頻調速控制方案通過改變風機或泵的轉速來實現工藝要求的流量或壓力控制目的，無閥門節流損失，亦無排空或旁通回流損失，節省能源消耗。
　　下面以泵為例，說明變頻調速的節能原理。圖一和圖二給出了閥門調節和變頻調速兩種控制方式下泵的壓力－流量(H-Q)關系及功率一流量（P-Q)關系�！癅”+zt8.as2
其中，曲線１是泵在額定轉速下的H-Q曲線，曲線２５是泵在某一較低速度下的H-Q曲線，曲線３是閥門開度最大時的管路H-Q曲線，曲線４是某一較小閥門開度下的管路H-Q曲線�？梢钥闯�，當實際工況流量由Q1下降到Q2時，如果在泵以額定轉速運轉的條件下調節閥門開度，則工況點沿曲線１由A移動到B；如果在閥門開度最大的條件下用變頻器調節泵的轉速，則工況點沿曲線３由A點移動到C。顯然，B點與C點的流量相同，但C點泵的壓頭要比B點泵的壓頭小得多，即是說，泵在變頻調速運行方式下，節能效果顯著。
　　圖二中曲線5為變頻控制方式下泵的P-Q曲線，曲線6為閥門調節式下的P-Q曲線，可以看出，在相同流量下，變頻控制方式比閥門調節方式能耗更小，二者之差可由下述經驗公式表示：
　　 　　　　　△P=(0.4+0.6Q/Qe-(Q/Qe)3)Pe
　　其中，Q為實際負載流量，Qe為額定負載流量，Pe為額定負載功率，△P為功率節省值。
　　不難看出，當負載流量下降到其額定流量的50%時，節電率將達到57.5%。
三、喘振現象及原因
　　具有駝峰型特性的壓縮機、風機和泵在運行過程中，當負荷減小，負載流量下降到某一定值時，出現工作不穩定現象。這時流量忽多忽少，一會兒向負載排氣，一會兒又從負載吸氣，發出如同哮喘病人“喘氣”的噪聲，同時伴隨著強烈振動，設備上安裝的壓力表、流量表等指示儀表大幅度擺動，并引起管道、廠房振動，設備發出周期性的、間斷的吼叫聲，這種現象稱之為喘振。
　　發生喘振現象的根源是離心壓縮機、離心風機、離心泵所具有的駝峰型特性。圖三給出了具駝峰型特性的離心鼓風機的工作特性曲線。
　　圖中，曲線１是離心鼓風機在某一轉速下的特性曲線，代表出口絕壓P2和入口絕壓P1之比與風機流量之間的關系，是一個駝峰曲線，駝峰點M處的流量為Qm。曲線２是管路特性曲線，正常工作點為A�？梢钥闯觯�在駝峰點右鍘，工作是穩定的。因為任何偶然因素造成的工作點波動（例如流量增加），對于鼓風機特性曲線１而言，壓力會減小，而對于管路特性曲線２而言，壓力會增加，這兩個相互矛盾的結果最終會使工作點返回到原來的位置，在駝峰點M的左側，這種情況正好相反，任何偶然因素造成的工作點波動將使沿鼓風機特性曲線１上的壓力變化趨勢與沿管路特性曲線２上的壓力變化趨勢具有完全的一致性，其結果加劇了工作點的偏移，使之不能返回到原來的工作點上，鼓風機的工作出現不穩定情況。
　　因此，駝峰點M右側的區域為穩定工作區域，駝峰點M左側的區域為不穩定工作區域。負荷下降使處于駝峰右側的工作點向駝峰點靠近，工作點越靠近駝峰點M，越會出現工作不穩定的可能性，駝峰型特性是發生喘振現象的主要原因。"@"+zt81 "@"+zt82
四、防喘振控制思想
　　圖四給出了鼓風機在不同轉速下的特性曲線，可以看出。轉速不同，相應的駝峰點和駝峰流量也不同。轉速越低，駝峰點越向左移，駝峰流量越小。把不同轉速下的駝峰點連接起來，就構成了一條曲線，曲線右側為穩定工作區，曲線左側為喘振區。我們稱駝峰流量為極限流量，相應的駝峰點連接曲線被稱為喘振極限線。
　　顯然，只要在任何轉速下，都能控制鼓風機的流量，使其大于極限流量，則鼓風機便不會發生喘振問題。這就是防喘振控制的基本思想。
　　考慮到吸入氣體的狀態如壓力、溫度、密度等都會引起鼓風機特性曲線的微小變化，因此應考慮一定的安全容量，確保實際工作點不致于太靠近喘振極限，以免發生喘振事故。
　　常用的流量控制方法有：調速

摘要： 通過對汽車空調風機的無級調速工程仿真結果的分析，表明模糊 PI 控制優于傳統的 PI 控制，證明了該無級調速工程仿真模型的正確性。得出了調速工程方案是可行的結論。

關鍵詞： 汽車空調風機； 無刷直流；模糊 PI ；無級調速

中圖分類號： TP273 + .4 　　　　文獻標識碼 :B

文章編號： 1006 - 8155 （ 2008 ） 02-0054-07

The Stepless Speed Regulating System Adjusted by Double Fuz zy PI with Brushless Direct Current and Used in Automotive Air -conditioning Fans

Abstract: The analysis on the simulation results in stepless speed regulating system of automotive air -conditioning fan shows that the fuz zy PI control is be tt er than the conventional PI control. The accuracy of simulation model of the stepless speed regulating system is demonstrated. The conclusion is that this speed regulating system scheme is feasible.

Key words : automotive air -conditioning fan; brushless direct current; fuz zy PI; stepless speed regulating

0 引言

　　當前的汽車空調風機大多還是采用有刷直流電動機進行調速的。雖然有刷直流電動機具有運行效率高和調速性能好等優點，但由于它存在許多固有的缺陷：采用電刷和換向器等機械的方法進行換向，壽命短、噪聲大、維護困難、成本高以及容易引起火災等安全隱患，故限制了它的進一步發展。而采用異步電動機對汽車空調風機進行調速，雖然異步電動機具有結構簡單、堅固耐用、維護工作量小、運行效率高等許多優點，但因其功率因數低、控制精度差、制造工藝要求高等諸多因素，也逐漸被 近年來隨著永磁材料、現代電力電子技術、計算機技術和現代控制理論的迅猛發展而成熟起來的永磁無刷直流電動機（ Brushless Direct Current Motor-BLDCM ）調速工程所取代 [1-7] 。永磁無刷直流電動機具有體積小、質量輕、效率高、噪聲低且可靠性高的特點， 因而得到了廣泛的應用 [8-9] 。在調速工程中 , 一般都采用 PID 控制策略，因為 PID 控制器具有結構簡單、穩定性好、穩定精度高等優點，但是常規的 PID 控制器的設計過分依賴于控制對象，參數魯棒性較差，且抗負載擾動能力也不太強；而模糊控制器具有不依賴對象的數學模型，便于利用人的經驗知識，魯棒性強等優點，它能很好地克服調速工程中模型參數變化及非線性等不確定因素給工程性能帶來的不利影響，但是模糊控制器具有一個較大的缺點就是穩態精度低 [10-15] 。因此，針對這種情況，本文把兩種控制器的優點結合起來，

　　設計一種模糊 PID 控制器。但是，由于無刷直流電動機調速工程是一個多干擾工程， D 環節的加入又減弱了調速工程的抗干擾能力。因此，在 BLDCM 調速工程中，采用模糊 PI 控制器來實現工程轉速的調節。

1 　速度控制器的設計 [16-19]

1.1 　確定模糊 PI 控制器的輸入、輸出變量及其他相關參數

　　速度環節采用的模糊 PI 控制器選模糊自調整 PI 控制器，它的結構圖如圖 1 所示， PI 參數的校正部分實質上就是一個模糊控制器。

1.2 　確定 PI 參數模糊控制規則

　　確定 PI 參數的模糊控制規則就是找出在不同時刻 PI 兩個參數與輸入 e 和 ec 之間的模糊關系。通過在運行中不斷檢測 e 和 ec ，根據模糊控制原理來對兩個參數進行在線調整，以滿足不同 e 和 ec 對控制參數的不同要求，而使被控對象具有良好的動態和靜態性能。

　　下面根據一般工程的階躍響應曲線（如圖 3 所示），進一步分析在不同的輸入 e 和 ec 時，對參數 k p 、 k i 的要求。

3 　工程總體仿真模型

　　為了驗證所設計的控制器的準確性 , 可以設計出整個汽車空調風機無刷直流電動機調速工程的仿真模型如圖 9 所示。

　　該仿真模型由電機本體、電源和逆變器、速度調節器、電流調節器和示波器等幾個部分組成，各個部分中又含有相應的子工程。為了提高工程的調速性能，整個工程采用雙閉環控制，其中電流環為內環，速度環為外環，電流環和速度環所采用的控制策略就是上面所介紹的模糊 PI 控制策略。

4 　仿真結果及其討論

4.1 仿真參數

額定輸出功率： P N =116W

額定電壓： U N =24V( DC )

額定電流 : I N =5.6A ，極對數： p = 4

電勢常數： K e =0.01V/(r/min)

電機電樞電阻 : R　=　0.9

每套繞組的電感： ( L － M )=12.5 × 10 -3 H

轉動慣量： J =10 × 10 -3 kg · m 2

給定轉速： n =1000 r/min

4.2 仿真結果分析及比較

4.2.1 轉速

　　從圖可知，雙模糊 PI 調節器對轉速的調節穩態精度高，當出現擾動時，能更快的恢復到穩定狀態，具有更高的抗干擾能力。

4.2.2 轉矩比較

　　圖 11 是無刷直流調速工程采用雙 PI 調節器時的轉矩波形，圖 12 是調速工程采用雙模糊 PI 調節器時的轉矩波形。從兩圖的比較可知，兩圖中都出現一定程度的轉矩脈動，這是由于電流換向引起的，但是圖 12 中的轉矩脈動明顯小于圖 11 ，而且在未進行換向時，轉矩的波動也更小，這是因為在雙模糊 PI 調節的調速工程中，調節器的 PI 參數是根據電流偏差和偏差變化率的大小自動進行在線修正的，使電機的電流能夠更快的跟蹤給定電流的變化，從而使轉矩的波動減小。另外圖中出現的剛開始時刻轉矩幅值較大的情況，是由于電機啟動的原因造成的，這些在雙 PI 調節和雙模糊 PI 調節中不存在較大的差別。

4.2.3 電流比較

　　雙 PI 調節的調速工程三相電流仿真波形分別如圖 13a 、 b 、 c 所示。

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