環境模擬風洞高壓動力系統設計研究

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(1.中國航空工業空氣動力研究院，哈爾濱 150001 2.低速高雷諾數航空科技重點實驗室，哈爾濱 150001)

0 引言

環境模擬風洞主要用于開展不同風速、溫度、壓力條件下，被試件的云霧、雨雪、日光和積冰凍雨試驗。國內環境模擬風洞起步較晚，在2009年同濟大學才建成真正意義上的用于汽車試驗的環境模擬風洞，此前一直以空氣動力學風洞為基礎局部改造進行類模擬試驗。目前國內建設的環境模擬風洞，多以研究車輛、自然災害、公共安全等目標對象為主，而動力系統作為能量來源，其具備優良的環境適應性，顯得十分重要。以往的空氣動力學風洞中，多關注轉速控制、調速范圍和自然常規工況的溫升特性[1]，而在不同風速、壓力、溫度、濕度等綜合環境參數影響工況下的研究不多，涉及到動力系統的轉速功率特性、散熱性、軸承特性等多方面設計。

本課題通過對不同風速、溫度條件下多噴口構型的組合式環境風洞動力系統設計，對轉速、功率、散熱、通風、噴口構型等多個特性進行研究，解決了高壓動力系統復雜參數狀態下的環境適應性問題。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統結構

多氣候參數耦合作用實驗平臺是一種模擬風速、溫度、噴霧、雨雪、日光等氣象參數的環境模擬風洞。該風洞采用臥式回流布局，試驗段具有6×5 m、4×3 m兩種構型噴口，主要部件包括動力段、擴散段、拐角段、換熱段、穩定段、收縮段、試驗段等[2]。其中，動力段使空氣在風扇的作用下產生壓增，擴散段使具有湍流和旋渦的較差流態氣流均勻擴散、改善流場，拐角段使氣流以較小的阻力被引導至下一部段，換熱段能夠對氣流進行溫度調節，穩定段內包括蜂窩器和阻尼網對氣流流態進行整流，收縮段使氣流加速流入試驗段噴口。風洞的氣動輪廓構型如圖1和圖2。

圖1 6×5 m試驗段風洞氣動輪廓圖

圖2 4×3 m試驗段風洞氣動輪廓圖

可知，該風洞通過更換不同尺寸的噴口實現對應的試驗段風速范圍，按照設計，6×5 m試驗段最大風速為35 m/s，4×3 m試驗段最大風速為80 m/s，均通過動力段10 kV 4 MW電機驅動、變頻調速實現。此外，溫度模擬是基本參數指標，可實現溫度范圍-40～70 ℃。配套的環境子系統在上述指標下，可分別進行噴霧、雨雪、日光等環境參數試驗。當進行噴霧和雨雪試驗時，洞內的濕度可達95%RH以上。

上述參數條件對動力系統的密閉性、散熱性、功率轉速與風速匹配均形成約束條件。

1.2 動力系統工作原理

動力系統圍繞高壓變頻電機進行設計，主要包括10 kV完美無諧波變頻器、10 kV三相交流異步電機、散熱風機系統、稀油站系統以及溫度傳感器、旋轉編碼器、振動傳感器等。系統的工作原理如圖3所示。

圖3 動力系統工作原理圖

該系統工作包括3大部分。

1)主驅動回路：

10 kV電力經由高壓開關柜輸送至變頻器，變頻器對電力進行整流逆變后，輸出指定電壓、電流，對變頻電機進行矢量調速，從而改變風扇轉速。

主驅動回路是動力系統的核心，為使得變頻電機具備良好的密閉性，將其放置在專用整流罩內，將軸頭伸出罩外，采用軸頭端面法蘭壓緊和軸瓦潤滑油密封方式解決較大濕度工況對電機的絕緣性侵蝕。

2)散熱輔助系統：

散熱輔助系統包括稀油站系統、散熱風機系統和空間加熱器裝置。系統在電機運行前對變頻電機進行除濕烘干，確保絕緣有效。在電機運行時，稀油站系統向前后軸瓦循環注入潤滑油，實現軸承頂起抬升30～50 μm，之后持續按照一定壓力、流量循環注油，維持軸瓦抬升，同時循環的潤滑油對旋轉軸承進行散熱。散熱風機系統通過引風機，將動力段外部自然空氣吸入，將動力段整流罩內熱空氣抽出，實現對電機的風冷。系統調節電機的溫升特性，使系統即便在高溫狀態下工作時維持合理溫度。

3)控制與監視系統：

控制與監視系統主要實現中控室內主控計算機、變頻間內控制柜、變頻器控制單元、現場各位置開關和傳感器的綜合聯動與狀態監測。系統裝機功率較大，對于電機的監測除了包括繞組與軸承的溫度，也包括軸振動、軸旋轉編碼器實時獲得的振幅和轉速，以便監測軸升安全范圍和實現高達±0.1%轉速精度的變頻閉環矢量調速。控制系統間的通訊主要采用ModbusTCP現場總線協議，本地控制系統則采用ProfibusDP總線協議，使設備間能夠高速實時交互。

此外，配置了專門的安全聯鎖系統，采用具有SIL3等級的控制器與各開關節點進行硬線聯鎖，當出現不同安全級別的故障狀態時系統及時進行處理，確保可靠運行。

2 動力電機的計算選取

動力電機選取時主要根據風洞的試驗區風速指標和風洞各部段能量損失系數計算得到，其中的關鍵參數包括總損失系數∑K0，風洞能量比ERt、風扇效率ηf。

對于低速風洞，設某部段損失系數K0、入口流速ν1，則通過該部段出口總壓P2與入口總壓P1的總壓差ΔP0與該部段入口的動壓ΔP1的比值計算得出K0，按下列式(1)～式(3)。

ΔP0=P2-P1

(1)

(2)

(3)

試驗段空氣密度ρ、截面積A、風速v，風洞能量比ERt、風扇效率ηf(取值0.85)，電機軸功率P，均為國際標準單位，存在以下關系式(4)～(5)。

(4)

(5)

經過計算，得到風洞在表1和表2兩種狀態下的各部件損失系數K0。

表1 6×5 m試驗段35 m/s時風洞各部件能量損失系數

表2 4×3 m試驗段80 m/s時風洞各部件能量損失系數

可知，按空風洞6×5 m噴口和4×3 m噴口最大試驗風速35 m/s和80 m/s分別計算得到的軸頭功率值為2 542 446.0 W和3 153 958.8 W，則動力系統按照后者數值作為基準配置電機功率。此時，電機轉速為440 rpm，軸功率3.2 MW(轉速440 rpm時軸功率不小于3.154 MW)，承受52 130 N軸向力和71 358 N·m的扭矩。

綜合考慮被試件對試驗段造成的阻塞度(5%～10%之間)，預留1.25倍冗余系數，則實際選用的電機功率為4 MW。

3 電機實際參數選擇與特性分析

由于所選電機容量較大，用10 kV電壓等級較為適宜，對于縮小線徑有利，適于遠距離電力傳輸，對于電網的諧波無污染相對低壓變頻更小。

表3是電機的基本參數表，根據風洞動力系統的設計，滿足額定值440 rpm的軸頭功率3.2 MW要求，選擇電機的額定工作點在48.3 Hz、4 000 kW。

表3 電機基本參數

圖4給出了電機電流、轉矩和轉速特性曲線，可以看出，電機啟動時，有高達6倍的額定電流產生，隨著轉速提高，電流逐步下降，在額定轉速480 rpm時電流降至額定。電機的轉矩特性不同，在啟動后至270 rpm時，轉矩不斷提高接近2.5倍值，之后開始快速下降，轉速至400 rpm時，轉矩降至1倍以下。

圖4 電流、轉矩與轉速特性曲線

圖5可以看出，隨著電機功率增大，功率因數和效率不斷提高。在電機啟動后0.4～1.05額定功率時，功率因數從0.57提高到0.81，0.55～0.97額定功率時效率從93.5%提高到96%。0.6倍額定功率以后，電機的功率因數和效率有明顯提升。

圖5 功率因數、效率與功率特性曲線

以上特性表明，電機自然啟動對電網沖擊電流較大，低功率運行時效率和功率因數較低，須考慮軟啟或變頻方式驅動以發揮電機最大效能。

4 完美無諧波變頻驅動方式

圖6給出了48脈波整流的工作原理。完美無諧波變頻，輸入采用多重化移相變壓器和輸出采用多電平移相式PWM的單元串聯多電平技術方案，滿足IEEE 519電流諧波失真要求，兼容供電系統。采用了移相變壓器技術，即多副邊繞組移相的隔離變壓器，變壓器的原邊繞組采用星形接法，而副邊有多個繞組，采用延邊三角形接法，輸出電壓為750 V，根據已安裝的24個功率單元，形成優于48 脈沖的電源質量。變頻器能夠消除電源諧波失真，在沒有濾波器或諧波抑制設備時，也能滿足電能質量標準。

圖6 48脈波整流逆變原理

圖7給出了48脈波完美無諧波變頻器的電能質量情況曲線。對于輸入電能，電壓總失真THDv小于2%，電流總失真THDi小于5%。動力系統功率因數在92%～97%之間，效率在95%～97%之間，很大程度上提高了電機自然啟動時對電網的質量影響。

圖7 48脈波整流多電平串聯逆變的諧波情況

在對電機從零速度加速調整的過程中，逐漸增加輸出功率，保持額定輸出轉矩，從而降低電機輸入涌流和機械應力，使得電機平穩啟動運行。

5 控制系統實現

5.1 ModbusTCP通訊

MODBUS/TCP是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設備的通訊協議，它覆蓋了使用TCP/IP協議的Internet環境中MODBUS報文的用途。Modbus主要的優點為公開無版權要求，無須支付額外費用、硬件要求簡單容易部署、使用廣泛便于系統集成。Modbus采用半雙工的通訊方式，由1個子站和多個從站組成，允許多個設備連接在同一個網絡上進行通訊。

本系統中，主控計算機通訊程序采用LabVIEW編寫，通過程序庫中ModbusTCP協議與本地控制系統PLC、變頻器進行實時通訊。

圖8為ModbusTCP通訊的主程序，使用了NI Modbus.llb文件，通過指定IP地址和端口號，打開Modbus TCP/IP連接與指定設備建立通訊，WRITE VR向保持寄存器地址(例如40001)寫入整型或浮點型數據，READ VR向該地址讀取數據值，最后關閉Modbus TCP/IP連接完成通訊。

圖8 LabVIEW ModbusTCP通訊程序

相比ModbusRTU協議需要對數據進行CRC校驗，ModbusTCP由于TCP/IP協議的封裝無須額外校驗，系統可以較高的可靠性完成對目標設備的控制和狀態監視。

5.2 控制系統軟件流程

控制系統系統軟件流程如圖9所示，主要分為3個階段，即準備階段、運行階段和結束階段。

圖9 系統系統工作流程圖

在準備階段，系統各電氣設備上電進行自檢，包括本地PLC控制柜、變頻器、稀油站控制柜、主控計算機，確保設備處于正常工作狀態。

在運行階段，各設備通過自檢并進入準備就緒狀態后，首先對高壓電氣設備啟動空間加熱器進行加熱除濕，同時打開散熱風機系統對設備內進行通風，始終監測高壓設備內的溫濕度狀態、進出風道溫度是否正常；另外，稀油站系統開始工作，通過高低壓油循環管路，向主電機前后軸瓦注油頂起、實現軸升，同時稀油站的冷卻水系統運行，實時對油路進行換熱。當檢測到溫度濕度、軸升等各參數指標正常后，系統進入到允許氣動狀態。操作員可通過主控機向本地控制系統發送轉速指令，變頻器按照預定轉速開始運行直至達到轉速狀態，到達轉速后根據新的指令要求調整至下一轉速。系統運行期間，實時監視電機溫升、軸振動、轉速等狀態，當發現異常時，根據故障代碼對異常位置進行檢查排故。

在結束階段，主風機停車，變頻器進入待機狀態，之后散熱風機系統、稀油站系統依次停止，最后進行系統下電。

6 實驗結果與分析

動力系統在6×5試驗段和4×3試驗段兩種構型條件下，進行試驗溫度-40 ℃～70 ℃和最大風速工況，驗證輸出功率、電機溫升、稀油站供油壓力參數變化。

6.1 不同試驗段噴口下最大風速時的電機功率對比

圖10給出了6×5噴口最大風速35 m/s和4×3噴口最大風速80 m/s時，電機軸功率隨著試驗段溫度變化的特性。可以看出，4×3噴口在極限溫度-40 ℃時電機軸功率3.8 MW，接近滿功率，而6×5噴口在極限低溫試驗時達到3 MW軸功率，動力系統的電機選型滿足試驗要求。從變化趨勢上，兩個噴口的軸功率隨著試驗溫度的變化基本相同，只有溫度參量發生變化。

圖10 最大風速時不同噴口和試驗溫度的電機軸功率

6.2 不同試驗段噴口最大風速下的溫升特性

由于電機通過密封和保溫結構嚴格放置與整流罩內，與風洞內氣流的熱交換可以忽略，主要發熱和溫升仍來自于本身的熱損耗，通過試驗比較常壓時不同噴口最大風速時連續運行30分鐘的溫升特性。散熱風機此時的工作狀態為進風溫度28 ℃、通風量9.5 m3/s，持續通風，電機的溫升特性如圖11所示。

圖11 不同噴口最大風速時電機溫升特性

可知，電機在不同噴口試驗時輸出的軸功率存在差異，4×3噴口試驗時消耗更大的軸功率，隨著時間的變化，溫升增加較快，通過控制系統監測獲得的熱損耗量143.39 kW；更換為6×5噴口后，溫升相對平緩，此時軸功率也降低為2.29 MW，監測熱損耗量為109.1 kW。總體上，熱損耗在最大功率負荷的4%～5%，對于較大軸功率狀態時，電機溫升隨快，仍在安全范圍內，距離報警溫度80 ℃和切斷溫度90 ℃，仍有較大的使用裕度。

6.3 不同試驗段噴口最大風速下的供油壓力對比

試驗段溫度-40～70 ℃變化，測試動力系統在最大風速狀態時稀油站供油壓力對比情況，實驗結果如圖12所示。

圖12 最大風速時不同噴口和試驗溫度軸升供油壓力

可以看出，在維持相同的軸升高度30 μm，動力系統在兩種噴口最大風速時開展試驗段溫度由低向高試驗時，軸升供油壓力不斷下降，隨著電機軸功率的降低而降低。在變化范圍上，4×3 m噴口由10.58 MPa下降到9.4 MPa，6×5 m噴口由9.7 MPa下降到9 MPa。上述特性表明，應根據試驗溫度調整合適的供油壓力，確保軸升高度與動力系統的風洞軸線重合。

7 結束語

本文通過對環境模擬風洞的動力系統的設計，完成以下研究內容：

1)根據風洞的氣動輪廓，對動力系統的電機功率進行了計算選取。分別按照6×5 m試驗段和4×3 m試驗段兩種噴口的損失系數和能量比，得出對應噴口最大風速時所需的電機功率。

2)根據計算結果，對電機進行了選型和特性分析，給出了48脈波變頻調速后的電能質量改善情況。對于10 kV 4 MW的電機，自然啟動和通過完美無諧波變頻器驅動兩種方式比較，對于電能質量的影響較大，給出了應用后者方式后最佳的電能情況。

3)設計了控制系統的通訊程序和軟件工作流程。主控系統網絡與本地控制系統通過國際通用的第三方ModbusTCP協議實現，以太網的封裝屬性和物理層實現確保了通訊網絡的可靠性。同時，給出了稀油站、散熱風機、主風機的控制邏輯關系流程，以安全合理運行系統，發揮動力系統效能。

本文進一步研究了環境模擬風洞動力系統幾方面關鍵參數特性：

1)通過實驗測試，分析了不同噴口最大風速狀態時電機軸功率運行情況，通過與設計點比較，表明設計過程正確，冗余系數選取合理。

2)另外通過實驗，測試了電機溫升特性和軸升供油壓力特性。電機溫升對10 kV高壓電機絕緣性影響較大，測試結果表明，現有的強制風冷和密封隔熱措施對電機起到良好的散熱效果，溫升曲線增加緩慢。控制系統應根據試驗溫度適當調節供油壓力，以確保軸承中心線與風洞中心線吻合。

本次研究仍有以下遺留問題需要進一步完善驗證：

1)增加雨雪、噴霧、日光模擬試驗后，電機軸功率相比未增加前的變化對比情況；

2)通過對現有動力系統的持續運行數據積累，控制系統進一步增加故障診斷和健康管理功能可行性并驗證效果。

本設計研究具有以下應用前景：

1)對于環境模擬風洞動力系統的設計過程提供了思路方法。可根據所提的方法開展類似的環境風洞動力系統設計；

2)對于動力系統的關鍵特性給出了分析思路和測試結果。可參考進行變頻驅動的功率、轉速、功率因數、效率監測控制，優化電能利用、提高系統轉速性能；

3)對環境模擬風洞動力系統的關鍵參數特性給出了分析思路和測試結果。可參考獲得不同的噴口構型、溫度變化后的動力系統特性，作為基礎數據，開展更為復雜的環境模擬試驗。