熊建軍，馬 軍，蔣開宇，劉 蓓

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

1 基本情況

Ф5米立式風(fēng)洞是我國自行設(shè)計建造的第一座大型立式風(fēng)洞，采用單回流形式，圓形開口試驗段，試驗段風(fēng)速范圍5～50m/s，主要用于開展飛機(jī)尾旋、降落傘、旋轉(zhuǎn)天平、直升機(jī)垂直升降等試驗技術(shù)研究。風(fēng)洞動力為一臺1800kW交流立式鼠籠異步電動機(jī)（以下簡稱風(fēng)扇電動機(jī)），安裝在離地15m高的封閉整流罩內(nèi)，采用中壓變頻調(diào)速控制，驅(qū)動風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流。風(fēng)扇電動機(jī)運行時產(chǎn)生定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗及附加損耗等，這些損耗轉(zhuǎn)變成熱量，使風(fēng)扇電動機(jī)各部件發(fā)熱、溫度升高。風(fēng)扇電動機(jī)中某些部件，特別是絕緣體，只能在一定的溫度范圍內(nèi)安全可靠工作，同時溫度升高會導(dǎo)致風(fēng)扇電動機(jī)效率降低。為了保證風(fēng)扇電動機(jī)安全運行，需要配套通風(fēng)冷卻系統(tǒng),將風(fēng)扇電動機(jī)運行產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去，使其在允許的溫度范圍內(nèi)運行。

2 其他低速風(fēng)洞通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

風(fēng)扇電動機(jī)作為風(fēng)洞的心臟部位，其性能直接影響風(fēng)洞安全穩(wěn)定運行。受建設(shè)年代、技術(shù)條件等影響，其他現(xiàn)有風(fēng)洞通風(fēng)冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀如下：

（1）風(fēng)扇電動機(jī)安裝環(huán)境封閉，散熱條件差。在其他低速風(fēng)洞中，考慮風(fēng)扇電動機(jī)維護(hù)，少數(shù)低速風(fēng)洞的風(fēng)扇電動機(jī)安裝在風(fēng)洞洞體外，通過長軸或扇齒驅(qū)動。長軸驅(qū)動帶來振動問題不容忽視；扇齒換向降低效率，同時設(shè)備和土建成本高?？紤]上述因素，設(shè)計時將立式風(fēng)洞風(fēng)扇電動機(jī)安裝在風(fēng)扇段內(nèi)，但同時又帶來散熱等其他問題。為保證風(fēng)洞流場性能，風(fēng)扇電動機(jī)安裝在離地 15m高的風(fēng)洞洞體密閉的整流罩內(nèi)，空間狹窄，散熱條件差。風(fēng)洞電動機(jī)安裝位置如圖1所示。

（2）風(fēng)扇電動機(jī)變負(fù)載運行，風(fēng)扇電動機(jī)轉(zhuǎn)子兩端裝設(shè)風(fēng)扇的常規(guī)方法不能滿足冷卻要求。風(fēng)洞試驗每次運行時間幾分鐘，風(fēng)扇電動機(jī)頻繁起停，且不同的試驗項目要求風(fēng)扇電動機(jī)轉(zhuǎn)速不同。如立式風(fēng)洞尾旋試驗要求風(fēng)扇電動機(jī)120r/min左右，對應(yīng)風(fēng)扇電動機(jī)功率不到 100kW；跳傘訓(xùn)練要求風(fēng)扇電動機(jī)340r/min左右，對應(yīng)風(fēng)扇電動機(jī)功率達(dá)到1200kW。

圖1 風(fēng)洞電動機(jī)安裝位置

（3）傳統(tǒng)通風(fēng)機(jī)控制方法常出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。系統(tǒng)設(shè)計過程中，通風(fēng)機(jī)一般按照風(fēng)扇電動機(jī)額定工況選用通風(fēng)機(jī)，同時通風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓考慮了一定的備用系數(shù)。但立式風(fēng)洞風(fēng)扇電動機(jī)處于變負(fù)載運行，負(fù)載變化直接影響風(fēng)扇電動機(jī)的發(fā)熱，負(fù)載越輕，發(fā)熱量越小，負(fù)載越重，發(fā)熱量越大。在其他風(fēng)洞風(fēng)扇電動機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，通風(fēng)機(jī)功率從幾十千瓦到上百千瓦，一般采用全壓起動、Y/△起動、自藕變壓器起動、軟起動器等多種控制方式。通風(fēng)機(jī)起動后工頻運行，在不同的工況下，為了調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量大小，一般采用安裝風(fēng)門、擋板、進(jìn)口導(dǎo)流器等方法調(diào)節(jié)通風(fēng)量，保證通風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量與風(fēng)扇電動機(jī)需要一致。這種控制方法實質(zhì)上是改變風(fēng)道的阻力，為克服風(fēng)道阻力勢必消耗大量的能量，電能浪費嚴(yán)重。同時通風(fēng)機(jī)額定運行噪聲大，影響風(fēng)洞其他崗位人員。

考慮立式風(fēng)洞現(xiàn)場條件和維護(hù)性能，風(fēng)扇電動機(jī)采用外部強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方法，外部自然風(fēng)經(jīng)過濾處理，經(jīng)過通風(fēng)機(jī)驅(qū)動，從風(fēng)扇電動機(jī)兩端進(jìn)入轉(zhuǎn)子肋空間、轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝、氣隙、定子通風(fēng)溝，由定子鐵心背部再排到出風(fēng)口，以此保證風(fēng)扇電動機(jī)運行時產(chǎn)生的熱量能及時帶走，確保風(fēng)扇電動機(jī)安全穩(wěn)定長期有效運行。

3 立式風(fēng)洞通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計

通風(fēng)冷卻系統(tǒng)主要包括通風(fēng)管路、通風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)。

3.1 通風(fēng)管路

通風(fēng)管路包括風(fēng)洞外管道和風(fēng)洞內(nèi)管部段。根據(jù)《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50243-2002），對于風(fēng)壓超過1500Pa的高壓通風(fēng)管路，最好采用鍍鋅鋼板，鋼板風(fēng)管材料厚度不低于1.2mm。結(jié)合現(xiàn)場條件，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)風(fēng)洞外管道采用矩形風(fēng)管，尺寸 1000mm×800mm，風(fēng)管采用 2mm厚鍍鋅鋼板焊接制作、連接。

風(fēng)洞內(nèi)管部段與風(fēng)扇段結(jié)構(gòu)有關(guān)，采用鋼結(jié)構(gòu)件制作。風(fēng)扇段進(jìn)風(fēng)部段入口為兩個截面1435mm×170mm的直管道，經(jīng)過一道直角拐進(jìn)入扇形腔，扇形腔中有孔板、截面變換和筋板，然后再經(jīng)過直角拐分成兩個截面800mm×360mm的管道進(jìn)入電機(jī)冷卻腔。冷卻氣流在冷卻腔與電機(jī)進(jìn)行熱交換后進(jìn)入出風(fēng)管，最后分流成三個管道排入大氣。出風(fēng)部段結(jié)構(gòu)與進(jìn)風(fēng)部段類似。

外部自然風(fēng)經(jīng)帶鋼絲網(wǎng)百葉窗初步過濾，再經(jīng)過36目不銹鋼網(wǎng)除塵過濾后進(jìn)入離心通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口，離心通風(fēng)將過濾的空氣送入風(fēng)洞外主管道，主管道分二支路送入風(fēng)洞內(nèi)管部段，再經(jīng)電機(jī)進(jìn)風(fēng)口過濾網(wǎng)后送入電機(jī)冷卻腔，最后沿出風(fēng)管道自然排出電機(jī)外。

3.2 通風(fēng)機(jī)選擇

通風(fēng)機(jī)選型與風(fēng)量和管路壓力損失密切相關(guān)。依據(jù)風(fēng)扇電動機(jī)設(shè)計制造單位提供的技術(shù)資料，冷卻風(fēng)量不小于4m3/s，供風(fēng)管風(fēng)速控制在10m/s左右，氣流經(jīng)過電機(jī)冷卻腔的壓力損失為ΔP電機(jī)腔=700.0Pa。氣流在風(fēng)管內(nèi)壓力損失主要由直管道損失、截面突變損失、截面漸變損失、匯流及分流損失、孔板損失和配流箱損失等組成。經(jīng)計算，各管段風(fēng)阻依次為：進(jìn)風(fēng)段壓力損失 ΔP進(jìn)風(fēng)道=617.0Pa；出風(fēng)管段壓力損失 ΔP出風(fēng)道=617.0Pa。

根據(jù)以上參數(shù)，通風(fēng)機(jī)選用三相交流變頻調(diào)速離心式通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號 4-72-11NO8C，最大風(fēng)量Q=17643m3/h，風(fēng)機(jī)功率P=22kW，風(fēng)機(jī)全壓H=2478Pa，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1600r/min。

通風(fēng)機(jī)安裝在風(fēng)洞廠房三樓，為減輕振動及消聲，通風(fēng)機(jī)按照國標(biāo)配套安裝減震臺座，風(fēng)機(jī)房由建筑專業(yè)考慮消音裝修，并設(shè)隔音密閉門。

3.3 通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)風(fēng)扇電動機(jī)運行工況和風(fēng)洞運行流程，風(fēng)洞試驗期間，通風(fēng)機(jī)一般都是班前起動，中途不停車,當(dāng)班結(jié)束通風(fēng)機(jī)停車。由于風(fēng)洞試驗變換模型狀態(tài)頻繁，風(fēng)扇電動機(jī)間隙工作，因此通風(fēng)機(jī)并不需要連續(xù)運行。風(fēng)扇電動機(jī)運行時，直接反映是定子繞組溫度升高。定子繞組溫度與環(huán)境溫度、負(fù)載類型、運行條件等參數(shù)有關(guān)，在其他條件相對穩(wěn)定條件下，定子繞組溫升與電流平房成正比。通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計中,采用交流變頻調(diào)速方案，在風(fēng)扇電動機(jī)定子繞組上安裝溫度傳感器Pt100，感知定子溫度信號，并將溫度信號送入控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)扇電動機(jī)定子溫度變化，分析計算通風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)頻率，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通訊，將通風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)頻率輸出至變頻器，從而控制通風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小。為提高控制系統(tǒng)自動化程度，將通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)嵌入動力監(jiān)控系統(tǒng)自動化環(huán)境，利用動力監(jiān)控系統(tǒng)的 PLC、通訊網(wǎng)絡(luò)，以S7-400為主站，通風(fēng)控制變頻器為從站。通風(fēng)冷卻系統(tǒng)既是一個獨立的子系統(tǒng)，又可與動力監(jiān)控系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)本地/遠(yuǎn)程、變頻/工頻切換控制通風(fēng)機(jī)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 通風(fēng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 通風(fēng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.3.1 變頻器選型

通用變頻器分為三種類型。普通功能型u/f控制變頻器，具有轉(zhuǎn)矩控制功能變頻器和矢量控制功能變頻器。根據(jù)通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)要求，通風(fēng)機(jī)為風(fēng)機(jī)負(fù)載，低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，隨轉(zhuǎn)速升高，負(fù)載迅速增加?？紤]系統(tǒng)后期擴(kuò)展及通訊協(xié)議，通風(fēng)機(jī)控制變頻器采用西門子MM440矢量控制通用變頻器。MM440變頻器采用高性能的矢量控制技術(shù)，具有良好的動態(tài)特性，滿足廣泛的應(yīng)用場合。變頻器型號6SE6440-2AD32-2DA1，適配電機(jī)功率22kW，與通風(fēng)機(jī)驅(qū)動電機(jī)功率一致。同時配置DP通訊模板，將通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)作為子站嵌入動力監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)

動力監(jiān)控系統(tǒng)分兩級網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，PLC與通風(fēng)機(jī)控制變頻器之間通過Profibus-DP協(xié)議通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控，PLC與監(jiān)控計算機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊。PLC控制程序采用西門子編程軟件STEP7 V5.4編寫，監(jiān)控程序用WinCC V6.2中文版開發(fā)工具包設(shè)計。通風(fēng)機(jī)控制程序作為一個功能塊 FC，由 PLC控制程序組織塊OB1調(diào)用。監(jiān)控軟件完成組態(tài)參數(shù)初始化、運行控制、變頻器狀態(tài)參數(shù)以及風(fēng)扇電動機(jī)定子繞組溫度監(jiān)控，操作人員通過鍵盤和鼠標(biāo)完成各種功能，監(jiān)控畫面簡單、實時、直觀。在風(fēng)扇電動機(jī)不同運行狀態(tài)，通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)通過監(jiān)控程序和PLC控制程序，用中斷采集方式實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)機(jī)冷卻風(fēng)量控制，用中斷通訊方式實現(xiàn)監(jiān)控操作命令的接收，用查詢方式實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)頻率的實時修正。通風(fēng)機(jī)監(jiān)控界面如圖4所示。

為保證風(fēng)扇電動機(jī)散熱，系統(tǒng)調(diào)試階段，在不同運行工況下，分段標(biāo)定定子繞組溫升與進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口溫升的函數(shù)關(guān)系。由于風(fēng)扇電動機(jī)定子繞組溫升有滯后效應(yīng)，控制系統(tǒng)采用二次拉格郎日插值預(yù)估方法進(jìn)行滯后補(bǔ)償，將采樣周期、滯后時間代入插值公式，得到定子繞組溫度預(yù)估值，提前改變通風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)頻率，更好地滿足風(fēng)扇電動機(jī)通風(fēng)冷卻要求。

3.3.3 變頻器參數(shù)設(shè)置

MM440變頻器有上千個參數(shù)，大部分參數(shù)采用缺省設(shè)置。為滿足通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)要求，要針對系統(tǒng)特點設(shè)置參數(shù)，主要有電機(jī)參數(shù)、總線地址、命令源、頻率設(shè)定值選擇等。以下針對本地/遠(yuǎn)程控制參數(shù)設(shè)置重點說明。

控制系統(tǒng)要求有遠(yuǎn)程/本地控制功能，變頻器兩套參數(shù)依據(jù)開關(guān)SA選擇。本地手動時，主回路電源接觸器合分閘由柜內(nèi)按鈕 SB1、SB2控制，變頻器啟停由操作面板控制，頻率設(shè)定值P1000（0）設(shè)值2，由模擬輸入通道給定。遠(yuǎn)程自動控制時，主回路電源接觸器分合閘受外部PLC接點控制，變頻器啟停受人機(jī)界面啟動/停止按鈕控制。P0810確定讀入位0的命令源，設(shè)定值為722.0，依據(jù)數(shù)字輸入1電平激活命令數(shù)據(jù)組（CDS）。數(shù)字輸入1受本地/遠(yuǎn)程切換開關(guān)控制。開關(guān)SA轉(zhuǎn)換至遠(yuǎn)程時，KA1帶電，數(shù)字輸入1通道為1，激活命令數(shù)據(jù)組CDS1，選擇變頻器第2命令組，變頻器命令源P0700（1）=6，由COM鏈路的通訊板（CB）設(shè)置；頻率設(shè)定值選擇P1000（1）=6，頻率設(shè)定值通過COM鏈路的CB設(shè)定。開關(guān)SA轉(zhuǎn)換至本地時，KA1不帶電，數(shù)字輸入1通道為0，激活命令數(shù)據(jù)組CDS0，選擇變頻器第1命令組，變頻器命令源P0700（0）=1，命令源由BOP設(shè)置。頻率設(shè)定值選擇P1000（0）=2，頻率設(shè)定值通過模擬輸入1設(shè)定。

圖4 通風(fēng)機(jī)監(jiān)控主界面

改變P0700參數(shù)，將使所選項目的全部設(shè)置復(fù)位為工廠的缺省值。如將設(shè)定值由1改為2時，所有的數(shù)字輸入都將復(fù)位為缺省的設(shè)置值，需要再次按要求設(shè)置。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)安裝調(diào)試后，在三個出風(fēng)口，用手持式風(fēng)速儀測量各出風(fēng)口氣流速度，從而計算通風(fēng)系統(tǒng)冷卻風(fēng)量。經(jīng)測量，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)通風(fēng)量、氣流速度均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。從風(fēng)扇電動機(jī)定子繞組溫度和通風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)頻率監(jiān)測數(shù)據(jù)看，通風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)頻率隨定子繞組溫度變化，保證了通風(fēng)冷卻效果，風(fēng)扇電動機(jī)溫度相對穩(wěn)定。通風(fēng)機(jī)運行頻率與通風(fēng)量、出風(fēng)口風(fēng)速測量見表1。

經(jīng)測試，當(dāng)通風(fēng)機(jī)停車，變頻器處于無功率輸出狀態(tài)時，受同級電網(wǎng)諧波干擾影響，直流母線電壓超過600V甚至更高，影響變頻器安全運行。為解決該問題，風(fēng)扇電動機(jī)運行期間，通風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)速度跟隨負(fù)載和定子溫度變化；風(fēng)扇電動機(jī)停車后，通風(fēng)機(jī)以10Hz頻率運轉(zhuǎn)，帶走風(fēng)扇電動機(jī)余熱，又可克服同級電網(wǎng)諧波干擾對變頻器直流母線電壓的影響。

表1 通風(fēng)機(jī)運行頻率與通風(fēng)量、出風(fēng)口風(fēng)速記錄

5 結(jié)論

系統(tǒng)投運三年來，運行穩(wěn)定可靠，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。與其他風(fēng)洞風(fēng)扇電動機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)比較，綜合效益明顯，主要體現(xiàn)在以下四方面：

（1）該系統(tǒng)通風(fēng)機(jī)功率22kW，按照該控制方法，每年節(jié)約電費近3萬元，一年即可收回項目投資，符合國家節(jié)能減排政策。

（2）提高了通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)自動化水平。系統(tǒng)嵌入動力監(jiān)控系統(tǒng)自動化環(huán)境，采用網(wǎng)絡(luò)通訊、PLC控制和組態(tài)監(jiān)控，勿需單獨操作。

（3）改善了通風(fēng)機(jī)的起動條件，減小起動沖擊電流，減少驅(qū)動皮帶的磨損，延長了設(shè)備壽命。

（4）降噪效果明顯。通風(fēng)機(jī)工頻運行時，周邊5米范圍內(nèi)噪聲達(dá)到85dB，采用該控制方案后，通風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)頻率隨風(fēng)扇電動機(jī)轉(zhuǎn)速和定子繞組溫度變化改變。風(fēng)扇電動機(jī)停車后，通風(fēng)機(jī)10Hz頻率運行，環(huán)境噪聲降到55dB以下，改善了操作人員工作環(huán)境。

[1]熊建軍. 立式風(fēng)洞風(fēng)扇電動機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)研制技術(shù)總結(jié)[R]. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所.2007.

[2]蓋仁栢. 通風(fēng)與空調(diào)安裝工程[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.