摘要:喘振现象是具有驼峰型特性的风机、压缩机、泵类设备的固有特性。本文分析了喘振的具体现象和其　　发生的根本原因，研究了风机、泵类设备变频节能和防喘振的基本原理，并介绍了一个利用“变频节能　　与防喘振协调控制器”实现高压风机、压缩机和泵变频调速运行的具体方案。
关键词：风机　泵　变频节能　喘振

一、概述：
　　近年来，随着高压变频器设计技术和制造技术的不断完善，高压变频器的可靠性已得到很大提高，高压变频节能技术已开始进入全面推广阶段，我国目前正掀起一个推广应用高压变频节能技术的热潮。
　　值得注意的是，高压容量风机、泵类设备应用变频器进行改造后，由固定转速运行方式进入变速运行方式，设备的运行状态发生了变化，会带来诸如机械共振、喘振、润滑不良、绝缘损伤等一系列问题。尤其是大容量离心压缩机、离心鼓风机、离心泵等设备，驼峰型特性的存在，使其不可避免地会出现喘振问题。大容量风机、泵类设备进行变频改造时，其可能出现的喘振问题必须引起足够的重视，稍有不慎，将会引发恶性设备事故，造成数百万元的经济损失。
　　多年的变频节能实践告诉我们，对于具有驼峰型特性的高压大容量离心压缩机、离心鼓风机、离心泵等设备，实施变频节能改造时，必须同时考虑如下几个方面的控制问题：
1、流量或压力控制工程
　设备变频调速的目的是结合工艺，满足工艺提出的流量或压力控制要求，同时实现设备的节能运行，这就要求设置一套流量或压力自动控制工程。
2、防喘振控制工程
　喘振现象对设备危害极大，必须专门设置一套防喘振控制工程，确保设备运行安全。
3、油路控制工程
　 大型压缩机、风机和泵类设备都配有一套供油工程，如轴承密封油、润滑油、阀门的控制油等，需要设置一套油压、油温的控制和联锁报警工程。对于那些原使用同轴油泵的设备，还必须考虑调速后油压下降可能造成的危害，需另外设置独立的工作油泵。
4、综合故障监控工程
　大型设备如化肥厂氨压缩机，因其功率大，转速高，又是单机运行，是工厂的核心生产设备，它的安全运行至关重要，其运行参数如压力、温度、振动、噪声、轴向推力、轴向位移等必须严格监控，并与调速控制工程联锁，因此有必要设置综合故障监控工程。
　需要指出是，上述四个控制工程不是孤立的，它们应该相互联系起来，才能实现整个工程的协调控制。一种新型的全自动控制工程现已推出，称之为“变频节能与防喘振协调控制器”，它具有上述四个控制工程的全部功能，是一个小型化、高度自动化的多功能控制装置。
二、风机、泵变频节能原理
　　固定转达速运行的风机和泵类设备为实现工艺要求的流量或压力控制目的，往往采用阀门节流、排空、旁通回流等负荷控制方式，这些控制方式都造成大量的能量损失。先进的变频调速控制方案通过改变风机或泵的转速来实现工艺要求的流量或压力控制目的，无阀门节流损失，亦无排空或旁通回流损失，节省能源消耗。
　　下面以泵为例，说明变频调速的节能原理。图一和图二给出了阀门调节和变频调速两种控制方式下泵的压力－流量(H-Q)关系及功率一流量（P-Q)关系。“@”+zt8.as2
其中，曲线１是泵在额定转速下的H-Q曲线，曲线２５是泵在某一较低速度下的H-Q曲线，曲线３是阀门开度最大时的管路H-Q曲线，曲线４是某一较小阀门开度下的管路H-Q曲线。可以看出，当实际工况流量由Q1下降到Q2时，如果在泵以额定转速运转的条件下调节阀门开度，则工况点沿曲线１由A移动到B；如果在阀门开度最大的条件下用变频器调节泵的转速，则工况点沿曲线３由A点移动到C。显然，B点与C点的流量相同，但C点泵的压头要比B点泵的压头小得多，即是说，泵在变频调速运行方式下，节能效果显著。
　　图二中曲线5为变频控制方式下泵的P-Q曲线，曲线6为阀门调节式下的P-Q曲线，可以看出，在相同流量下，变频控制方式比阀门调节方式能耗更小，二者之差可由下述经验公式表示：
　　 　　　　　△P=(0.4+0.6Q/Qe-(Q/Qe)3)Pe
　　其中，Q为实际负载流量，Qe为额定负载流量，Pe为额定负载功率，△P为功率节省值。
　　不难看出，当负载流量下降到其额定流量的50%时，节电率将达到57.5%。
三、喘振现象及原因
　　具有驼峰型特性的压缩机、风机和泵在运行过程中，当负荷减小，负载流量下降到某一定值时，出现工作不稳定现象。这时流量忽多忽少，一会儿向负载排气，一会儿又从负载吸气，发出如同哮喘病人“喘气”的噪声，同时伴随着强烈振动，设备上安装的压力表、流量表等指示仪表大幅度摆动，并引起管道、厂房振动，设备发出周期性的、间断的吼叫声，这种现象称之为喘振。
　　发生喘振现象的根源是离心压缩机、离心风机、离心泵所具有的驼峰型特性。图三给出了具驼峰型特性的离心鼓风机的工作特性曲线。
　　图中，曲线１是离心鼓风机在某一转速下的特性曲线，代表出口绝压P2和入口绝压P1之比与风机流量之间的关系，是一个驼峰曲线，驼峰点M处的流量为Qm。曲线２是管路特性曲线，正常工作点为A。可以看出，在驼峰点右铡，工作是稳定的。因为任何偶然因素造成的工作点波动（例如流量增加），对于鼓风机特性曲线１而言，压力会减小，而对于管路特性曲线２而言，压力会增加，这两个相互矛盾的结果最终会使工作点返回到原来的位置，在驼峰点M的左侧，这种情况正好相反，任何偶然因素造成的工作点波动将使沿鼓风机特性曲线１上的压力变化趋势与沿管路特性曲线２上的压力变化趋势具有完全的一致性，其结果加剧了工作点的偏移，使之不能返回到原来的工作点上，鼓风机的工作出现不稳定情况。
　　因此，驼峰点M右侧的区域为稳定工作区域，驼峰点M左侧的区域为不稳定工作区域。负荷下降使处于驼峰右侧的工作点向驼峰点靠近，工作点越靠近驼峰点M，越会出现工作不稳定的可能性，驼峰型特性是发生喘振现象的主要原因。"@"+zt81 "@"+zt82
四、防喘振控制思想
　　图四给出了鼓风机在不同转速下的特性曲线，可以看出。转速不同，相应的驼峰点和驼峰流量也不同。转速越低，驼峰点越向左移，驼峰流量越小。把不同转速下的驼峰点连接起来，就构成了一条曲线，曲线右侧为稳定工作区，曲线左侧为喘振区。我们称驼峰流量为极限流量，相应的驼峰点连接曲线被称为喘振极限线。
　　显然，只要在任何转速下，都能控制鼓风机的流量，使其大于极限流量，则鼓风机便不会发生喘振问题。这就是防喘振控制的基本思想。
　　考虑到吸入气体的状态如压力、温度、密度等都会引起鼓风机特性曲线的微小变化，因此应考虑一定的安全容量，确保实际工作点不致于太靠近喘振极限，以免发生喘振事故。
　　常用的流量控制方法有：调速

摘要： 通过对汽车空调风机的无级调速工程仿真结果的分析，表明模糊 PI 控制优于传统的 PI 控制，证明了该无级调速工程仿真模型的正确性。得出了调速工程方案是可行的结论。

关键词： 汽车空调风机； 无刷直流；模糊 PI ；无级调速

中图分类号： TP273 + .4 　　　　文献标识码 :B

文章编号： 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

　　当前的汽车空调风机大多还是采用有刷直流电动机进行调速的。虽然有刷直流电动机具有运行效率高和调速性能好等优点，但由于它存在许多固有的缺陷：采用电刷和换向器等机械的方法进行换向，寿命短、噪声大、维护困难、成本高以及容易引起火灾等安全隐患，故限制了它的进一步发展。而采用异步电动机对汽车空调风机进行调速，虽然异步电动机具有结构简单、坚固耐用、维护工作量小、运行效率高等许多优点，但因其功率因数低、控制精度差、制造工艺要求高等诸多因素，也逐渐被 近年来随着永磁材料、现代电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的迅猛发展而成熟起来的永磁无刷直流电动机（ Brushless Direct Current Motor-BLDCM ）调速工程所取代 [1-7] 。永磁无刷直流电动机具有体积小、质量轻、效率高、噪声低且可靠性高的特点， 因而得到了广泛的应用 [8-9] 。在调速工程中 , 一般都采用 PID 控制策略，因为 PID 控制器具有结构简单、稳定性好、稳定精度高等优点，但是常规的 PID 控制器的设计过分依赖于控制对象，参数鲁棒性较差，且抗负载扰动能力也不太强；而模糊控制器具有不依赖对象的数学模型，便于利用人的经验知识，鲁棒性强等优点，它能很好地克服调速工程中模型参数变化及非线性等不确定因素给工程性能带来的不利影响，但是模糊控制器具有一个较大的缺点就是稳态精度低 [10-15] 。因此，针对这种情况，本文把两种控制器的优点结合起来，

　　设计一种模糊 PID 控制器。但是，由于无刷直流电动机调速工程是一个多干扰工程， D 环节的加入又减弱了调速工程的抗干扰能力。因此，在 BLDCM 调速工程中，采用模糊 PI 控制器来实现工程转速的调节。

1 　速度控制器的设计 [16-19]

1.1 　确定模糊 PI 控制器的输入、输出变量及其他相关参数

　　速度环节采用的模糊 PI 控制器选模糊自调整 PI 控制器，它的结构图如图 1 所示， PI 参数的校正部分实质上就是一个模糊控制器。

1.2 　确定 PI 参数模糊控制规则

　　确定 PI 参数的模糊控制规则就是找出在不同时刻 PI 两个参数与输入 e 和 ec 之间的模糊关系。通过在运行中不断检测 e 和 ec ，根据模糊控制原理来对两个参数进行在线调整，以满足不同 e 和 ec 对控制参数的不同要求，而使被控对象具有良好的动态和静态性能。

　　下面根据一般工程的阶跃响应曲线（如图 3 所示），进一步分析在不同的输入 e 和 ec 时，对参数 k p 、 k i 的要求。

3 　工程总体仿真模型

　　为了验证所设计的控制器的准确性 , 可以设计出整个汽车空调风机无刷直流电动机调速工程的仿真模型如图 9 所示。

　　该仿真模型由电机本体、电源和逆变器、速度调节器、电流调节器和示波器等几个部分组成，各个部分中又含有相应的子工程。为了提高工程的调速性能，整个工程采用双闭环控制，其中电流环为内环，速度环为外环，电流环和速度环所采用的控制策略就是上面所介绍的模糊 PI 控制策略。

4 　仿真结果及其讨论

4.1 仿真参数

额定输出功率： P N =116W

额定电压： U N =24V( DC )

额定电流 : I N =5.6A ，极对数： p = 4

电势常数： K e =0.01V/(r/min)

电机电枢电阻 : R　=　0.9

每套绕组的电感： ( L － M )=12.5 × 10 -3 H

转动惯量： J =10 × 10 -3 kg · m 2

给定转速： n =1000 r/min

4.2 仿真结果分析及比较

4.2.1 转速

　　从图可知，双模糊 PI 调节器对转速的调节稳态精度高，当出现扰动时，能更快的恢复到稳定状态，具有更高的抗干扰能力。

4.2.2 转矩比较

　　图 11 是无刷直流调速工程采用双 PI 调节器时的转矩波形，图 12 是调速工程采用双模糊 PI 调节器时的转矩波形。从两图的比较可知，两图中都出现一定程度的转矩脉动，这是由于电流换向引起的，但是图 12 中的转矩脉动明显小于图 11 ，而且在未进行换向时，转矩的波动也更小，这是因为在双模糊 PI 调节的调速工程中，调节器的 PI 参数是根据电流偏差和偏差变化率的大小自动进行在线修正的，使电机的电流能够更快的跟踪给定电流的变化，从而使转矩的波动减小。另外图中出现的刚开始时刻转矩幅值较大的情况，是由于电机启动的原因造成的，这些在双 PI 调节和双模糊 PI 调节中不存在较大的差别。

4.2.3 电流比较

　　双 PI 调节的调速工程三相电流仿真波形分别如图 13a 、 b 、 c 所示。

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