环境模拟风洞高压动力系统设计研究

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(1.中国航空工业空气动力研究院，哈尔滨 150001 2.低速高雷诺数航空科技重点实验室，哈尔滨 150001)

0 引言

环境模拟风洞主要用于开展不同风速、温度、压力条件下，被试件的云雾、雨雪、日光和积冰冻雨试验。国内环境模拟风洞起步较晚，在2009年同济大学才建成真正意义上的用于汽车试验的环境模拟风洞，此前一直以空气动力学风洞为基础局部改造进行类模拟试验。目前国内建设的环境模拟风洞，多以研究车辆、自然灾害、公共安全等目标对象为主，而动力系统作为能量来源，其具备优良的环境适应性，显得十分重要。以往的空气动力学风洞中，多关注转速控制、调速范围和自然常规工况的温升特性[1]，而在不同风速、压力、温度、湿度等综合环境参数影响工况下的研究不多，涉及到动力系统的转速功率特性、散热性、轴承特性等多方面设计。

本课题通过对不同风速、温度条件下多喷口构型的组合式环境风洞动力系统设计，对转速、功率、散热、通风、喷口构型等多个特性进行研究，解决了高压动力系统复杂参数状态下的环境适应性问题。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统结构

多气候参数耦合作用实验平台是一种模拟风速、温度、喷雾、雨雪、日光等气象参数的环境模拟风洞。该风洞采用卧式回流布局，试验段具有6×5 m、4×3 m两种构型喷口，主要部件包括动力段、扩散段、拐角段、换热段、稳定段、收缩段、试验段等[2]。其中，动力段使空气在风扇的作用下产生压增，扩散段使具有湍流和旋涡的较差流态气流均匀扩散、改善流场，拐角段使气流以较小的阻力被引导至下一部段，换热段能够对气流进行温度调节，稳定段内包括蜂窝器和阻尼网对气流流态进行整流，收缩段使气流加速流入试验段喷口。风洞的气动轮廓构型如图1和图2。

图1 6×5 m试验段风洞气动轮廓图

图2 4×3 m试验段风洞气动轮廓图

可知，该风洞通过更换不同尺寸的喷口实现对应的试验段风速范围，按照设计，6×5 m试验段最大风速为35 m/s，4×3 m试验段最大风速为80 m/s，均通过动力段10 kV 4 MW电机驱动、变频调速实现。此外，温度模拟是基本参数指标，可实现温度范围-40～70 ℃。配套的环境子系统在上述指标下，可分别进行喷雾、雨雪、日光等环境参数试验。当进行喷雾和雨雪试验时，洞内的湿度可达95%RH以上。

上述参数条件对动力系统的密闭性、散热性、功率转速与风速匹配均形成约束条件。

1.2 动力系统工作原理

动力系统围绕高压变频电机进行设计，主要包括10 kV完美无谐波变频器、10 kV三相交流异步电机、散热风机系统、稀油站系统以及温度传感器、旋转编码器、振动传感器等。系统的工作原理如图3所示。

图3 动力系统工作原理图

该系统工作包括3大部分。

1)主驱动回路：

10 kV电力经由高压开关柜输送至变频器，变频器对电力进行整流逆变后，输出指定电压、电流，对变频电机进行矢量调速，从而改变风扇转速。

主驱动回路是动力系统的核心，为使得变频电机具备良好的密闭性，将其放置在专用整流罩内，将轴头伸出罩外，采用轴头端面法兰压紧和轴瓦润滑油密封方式解决较大湿度工况对电机的绝缘性侵蚀。

2)散热辅助系统：

散热辅助系统包括稀油站系统、散热风机系统和空间加热器装置。系统在电机运行前对变频电机进行除湿烘干，确保绝缘有效。在电机运行时，稀油站系统向前后轴瓦循环注入润滑油，实现轴承顶起抬升30～50 μm，之后持续按照一定压力、流量循环注油，维持轴瓦抬升，同时循环的润滑油对旋转轴承进行散热。散热风机系统通过引风机，将动力段外部自然空气吸入，将动力段整流罩内热空气抽出，实现对电机的风冷。系统调节电机的温升特性，使系统即便在高温状态下工作时维持合理温度。

3)控制与监视系统：

控制与监视系统主要实现中控室内主控计算机、变频间内控制柜、变频器控制单元、现场各位置开关和传感器的综合联动与状态监测。系统装机功率较大，对于电机的监测除了包括绕组与轴承的温度，也包括轴振动、轴旋转编码器实时获得的振幅和转速，以便监测轴升安全范围和实现高达±0.1%转速精度的变频闭环矢量调速。控制系统间的通讯主要采用ModbusTCP现场总线协议，本地控制系统则采用ProfibusDP总线协议，使设备间能够高速实时交互。

此外，配置了专门的安全联锁系统，采用具有SIL3等级的控制器与各开关节点进行硬线联锁，当出现不同安全级别的故障状态时系统及时进行处理，确保可靠运行。

2 动力电机的计算选取

动力电机选取时主要根据风洞的试验区风速指标和风洞各部段能量损失系数计算得到，其中的关键参数包括总损失系数∑K0，风洞能量比ERt、风扇效率ηf。

对于低速风洞，设某部段损失系数K0、入口流速ν1，则通过该部段出口总压P2与入口总压P1的总压差ΔP0与该部段入口的动压ΔP1的比值计算得出K0，按下列式(1)～式(3)。

ΔP0=P2-P1

(1)

(2)

(3)

试验段空气密度ρ、截面积A、风速v，风洞能量比ERt、风扇效率ηf(取值0.85)，电机轴功率P，均为国际标准单位，存在以下关系式(4)～(5)。

(4)

(5)

经过计算，得到风洞在表1和表2两种状态下的各部件损失系数K0。

表1 6×5 m试验段35 m/s时风洞各部件能量损失系数

表2 4×3 m试验段80 m/s时风洞各部件能量损失系数

可知，按空风洞6×5 m喷口和4×3 m喷口最大试验风速35 m/s和80 m/s分别计算得到的轴头功率值为2 542 446.0 W和3 153 958.8 W，则动力系统按照后者数值作为基准配置电机功率。此时，电机转速为440 rpm，轴功率3.2 MW(转速440 rpm时轴功率不小于3.154 MW)，承受52 130 N轴向力和71 358 N·m的扭矩。

综合考虑被试件对试验段造成的阻塞度(5%～10%之间)，预留1.25倍冗余系数，则实际选用的电机功率为4 MW。

3 电机实际参数选择与特性分析

由于所选电机容量较大，用10 kV电压等级较为适宜，对于缩小线径有利，适于远距离电力传输，对于电网的谐波无污染相对低压变频更小。

表3是电机的基本参数表，根据风洞动力系统的设计，满足额定值440 rpm的轴头功率3.2 MW要求，选择电机的额定工作点在48.3 Hz、4 000 kW。

表3 电机基本参数

图4给出了电机电流、转矩和转速特性曲线，可以看出，电机启动时，有高达6倍的额定电流产生，随着转速提高，电流逐步下降，在额定转速480 rpm时电流降至额定。电机的转矩特性不同，在启动后至270 rpm时，转矩不断提高接近2.5倍值，之后开始快速下降，转速至400 rpm时，转矩降至1倍以下。

图4 电流、转矩与转速特性曲线

图5可以看出，随着电机功率增大，功率因数和效率不断提高。在电机启动后0.4～1.05额定功率时，功率因数从0.57提高到0.81，0.55～0.97额定功率时效率从93.5%提高到96%。0.6倍额定功率以后，电机的功率因数和效率有明显提升。

图5 功率因数、效率与功率特性曲线

以上特性表明，电机自然启动对电网冲击电流较大，低功率运行时效率和功率因数较低，须考虑软启或变频方式驱动以发挥电机最大效能。

4 完美无谐波变频驱动方式

图6给出了48脉波整流的工作原理。完美无谐波变频，输入采用多重化移相变压器和输出采用多电平移相式PWM的单元串联多电平技术方案，满足IEEE 519电流谐波失真要求，兼容供电系统。采用了移相变压器技术，即多副边绕组移相的隔离变压器，变压器的原边绕组采用星形接法，而副边有多个绕组，采用延边三角形接法，输出电压为750 V，根据已安装的24个功率单元，形成优于48 脉冲的电源质量。变频器能够消除电源谐波失真，在没有滤波器或谐波抑制设备时，也能满足电能质量标准。

图6 48脉波整流逆变原理

图7给出了48脉波完美无谐波变频器的电能质量情况曲线。对于输入电能，电压总失真THDv小于2%，电流总失真THDi小于5%。动力系统功率因数在92%～97%之间，效率在95%～97%之间，很大程度上提高了电机自然启动时对电网的质量影响。

图7 48脉波整流多电平串联逆变的谐波情况

在对电机从零速度加速调整的过程中，逐渐增加输出功率，保持额定输出转矩，从而降低电机输入涌流和机械应力，使得电机平稳启动运行。

5 控制系统实现

5.1 ModbusTCP通讯

MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的通讯协议，它覆盖了使用TCP/IP协议的Internet环境中MODBUS报文的用途。Modbus主要的优点为公开无版权要求，无须支付额外费用、硬件要求简单容易部署、使用广泛便于系统集成。Modbus采用半双工的通讯方式，由1个子站和多个从站组成，允许多个设备连接在同一个网络上进行通讯。

本系统中，主控计算机通讯程序采用LabVIEW编写，通过程序库中ModbusTCP协议与本地控制系统PLC、变频器进行实时通讯。

图8为ModbusTCP通讯的主程序，使用了NI Modbus.llb文件，通过指定IP地址和端口号，打开Modbus TCP/IP连接与指定设备建立通讯，WRITE VR向保持寄存器地址(例如40001)写入整型或浮点型数据，READ VR向该地址读取数据值，最后关闭Modbus TCP/IP连接完成通讯。

图8 LabVIEW ModbusTCP通讯程序

相比ModbusRTU协议需要对数据进行CRC校验，ModbusTCP由于TCP/IP协议的封装无须额外校验，系统可以较高的可靠性完成对目标设备的控制和状态监视。

5.2 控制系统软件流程

控制系统系统软件流程如图9所示，主要分为3个阶段，即准备阶段、运行阶段和结束阶段。

图9 系统系统工作流程图

在准备阶段，系统各电气设备上电进行自检，包括本地PLC控制柜、变频器、稀油站控制柜、主控计算机，确保设备处于正常工作状态。

在运行阶段，各设备通过自检并进入准备就绪状态后，首先对高压电气设备启动空间加热器进行加热除湿，同时打开散热风机系统对设备内进行通风，始终监测高压设备内的温湿度状态、进出风道温度是否正常；另外，稀油站系统开始工作，通过高低压油循环管路，向主电机前后轴瓦注油顶起、实现轴升，同时稀油站的冷却水系统运行，实时对油路进行换热。当检测到温度湿度、轴升等各参数指标正常后，系统进入到允许气动状态。操作员可通过主控机向本地控制系统发送转速指令，变频器按照预定转速开始运行直至达到转速状态，到达转速后根据新的指令要求调整至下一转速。系统运行期间，实时监视电机温升、轴振动、转速等状态，当发现异常时，根据故障代码对异常位置进行检查排故。

在结束阶段，主风机停车，变频器进入待机状态，之后散热风机系统、稀油站系统依次停止，最后进行系统下电。

6 实验结果与分析

动力系统在6×5试验段和4×3试验段两种构型条件下，进行试验温度-40 ℃～70 ℃和最大风速工况，验证输出功率、电机温升、稀油站供油压力参数变化。

6.1 不同试验段喷口下最大风速时的电机功率对比

图10给出了6×5喷口最大风速35 m/s和4×3喷口最大风速80 m/s时，电机轴功率随着试验段温度变化的特性。可以看出，4×3喷口在极限温度-40 ℃时电机轴功率3.8 MW，接近满功率，而6×5喷口在极限低温试验时达到3 MW轴功率，动力系统的电机选型满足试验要求。从变化趋势上，两个喷口的轴功率随着试验温度的变化基本相同，只有温度参量发生变化。

图10 最大风速时不同喷口和试验温度的电机轴功率

6.2 不同试验段喷口最大风速下的温升特性

由于电机通过密封和保温结构严格放置与整流罩内，与风洞内气流的热交换可以忽略，主要发热和温升仍来自于本身的热损耗，通过试验比较常压时不同喷口最大风速时连续运行30分钟的温升特性。散热风机此时的工作状态为进风温度28 ℃、通风量9.5 m3/s，持续通风，电机的温升特性如图11所示。

图11 不同喷口最大风速时电机温升特性

可知，电机在不同喷口试验时输出的轴功率存在差异，4×3喷口试验时消耗更大的轴功率，随着时间的变化，温升增加较快，通过控制系统监测获得的热损耗量143.39 kW；更换为6×5喷口后，温升相对平缓，此时轴功率也降低为2.29 MW，监测热损耗量为109.1 kW。总体上，热损耗在最大功率负荷的4%～5%，对于较大轴功率状态时，电机温升随快，仍在安全范围内，距离报警温度80 ℃和切断温度90 ℃，仍有较大的使用裕度。

6.3 不同试验段喷口最大风速下的供油压力对比

试验段温度-40～70 ℃变化，测试动力系统在最大风速状态时稀油站供油压力对比情况，实验结果如图12所示。

图12 最大风速时不同喷口和试验温度轴升供油压力

可以看出，在维持相同的轴升高度30 μm，动力系统在两种喷口最大风速时开展试验段温度由低向高试验时，轴升供油压力不断下降，随着电机轴功率的降低而降低。在变化范围上，4×3 m喷口由10.58 MPa下降到9.4 MPa，6×5 m喷口由9.7 MPa下降到9 MPa。上述特性表明，应根据试验温度调整合适的供油压力，确保轴升高度与动力系统的风洞轴线重合。

7 结束语

本文通过对环境模拟风洞的动力系统的设计，完成以下研究内容：

1)根据风洞的气动轮廓，对动力系统的电机功率进行了计算选取。分别按照6×5 m试验段和4×3 m试验段两种喷口的损失系数和能量比，得出对应喷口最大风速时所需的电机功率。

2)根据计算结果，对电机进行了选型和特性分析，给出了48脉波变频调速后的电能质量改善情况。对于10 kV 4 MW的电机，自然启动和通过完美无谐波变频器驱动两种方式比较，对于电能质量的影响较大，给出了应用后者方式后最佳的电能情况。

3)设计了控制系统的通讯程序和软件工作流程。主控系统网络与本地控制系统通过国际通用的第三方ModbusTCP协议实现，以太网的封装属性和物理层实现确保了通讯网络的可靠性。同时，给出了稀油站、散热风机、主风机的控制逻辑关系流程，以安全合理运行系统，发挥动力系统效能。

本文进一步研究了环境模拟风洞动力系统几方面关键参数特性：

1)通过实验测试，分析了不同喷口最大风速状态时电机轴功率运行情况，通过与设计点比较，表明设计过程正确，冗余系数选取合理。

2)另外通过实验，测试了电机温升特性和轴升供油压力特性。电机温升对10 kV高压电机绝缘性影响较大，测试结果表明，现有的强制风冷和密封隔热措施对电机起到良好的散热效果，温升曲线增加缓慢。控制系统应根据试验温度适当调节供油压力，以确保轴承中心线与风洞中心线吻合。

本次研究仍有以下遗留问题需要进一步完善验证：

1)增加雨雪、喷雾、日光模拟试验后，电机轴功率相比未增加前的变化对比情况；

2)通过对现有动力系统的持续运行数据积累，控制系统进一步增加故障诊断和健康管理功能可行性并验证效果。

本设计研究具有以下应用前景：

1)对于环境模拟风洞动力系统的设计过程提供了思路方法。可根据所提的方法开展类似的环境风洞动力系统设计；

2)对于动力系统的关键特性给出了分析思路和测试结果。可参考进行变频驱动的功率、转速、功率因数、效率监测控制，优化电能利用、提高系统转速性能；

3)对环境模拟风洞动力系统的关键参数特性给出了分析思路和测试结果。可参考获得不同的喷口构型、温度变化后的动力系统特性，作为基础数据，开展更为复杂的环境模拟试验。