立式風洞風扇電動機通風系統(tǒng)設計與應用

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米立式風洞是我國自行設計建造的第一座大型立式風洞，采用單回流形式，圓形開口試驗段，試驗段風速范圍5～50m/s，主要用于開展飛機尾旋、降落傘、旋轉(zhuǎn)天平、直升機垂直升降等試驗技術(shù)研究。風洞動力為一臺1800kW交流立式鼠籠異步電動機（以下簡稱風扇電動機），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)動風扇葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流。風扇電動機運行時產(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，使風扇電動機各部件發(fā)熱、溫度升高。風扇電動機中某些部件，特別是絕緣體，只能在一定的溫度范圍內(nèi)安全可靠工作，同時溫度升高會導致風扇電動機效率降低。為了保證風扇電動機安全運行，需要配套通風冷卻系統(tǒng),將風扇電動機運行產(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 其他低速風洞通風系統(tǒng)現(xiàn)狀

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

（1）風扇電動機安裝環(huán)境封閉，散熱條件差。在其他低速風洞中，考慮風扇電動機維護，少數(shù)低速風洞的風扇電動機安裝在風洞洞體外，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，同時設備和土建成本高。考慮上述因素，設計時將立式風洞風扇電動機安裝在風扇段內(nèi)，但同時又帶來散熱等其他問題。為保證風洞流場性能，風扇電動機安裝在離地 15m高的風洞洞體密閉的整流罩內(nèi)，空間狹窄，散熱條件差。風洞電動機安裝位置如圖1所示。

（2）風扇電動機變負載運行，風扇電動機轉(zhuǎn)子兩端裝設風扇的常規(guī)方法不能滿足冷卻要求。風洞試驗每次運行時間幾分鐘，風扇電動機頻繁起停，且不同的試驗項目要求風扇電動機轉(zhuǎn)速不同。如立式風洞尾旋試驗要求風扇電動機120r/min左右，對應風扇電動機功率不到 100kW；跳傘訓練要求風扇電動機340r/min左右，對應風扇電動機功率達到1200kW。

圖1 風洞電動機安裝位置

（3）傳統(tǒng)通風機控制方法常出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。系統(tǒng)設計過程中，通風機一般按照風扇電動機額定工況選用通風機，同時通風機風量和風壓考慮了一定的備用系數(shù)。但立式風洞風扇電動機處于變負載運行，負載變化直接影響風扇電動機的發(fā)熱，負載越輕，發(fā)熱量越小，負載越重，發(fā)熱量越大。在其他風洞風扇電動機通風冷卻系統(tǒng)中，通風機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。通風機起動后工頻運行，在不同的工況下，為了調(diào)節(jié)通風機輸出風量大小，一般采用安裝風門、擋板、進口導流器等方法調(diào)節(jié)通風量，保證通風機輸出風量與風扇電動機需要一致。這種控制方法實質(zhì)上是改變風道的阻力，為克服風道阻力勢必消耗大量的能量，電能浪費嚴重。同時通風機額定運行噪聲大，影響風洞其他崗位人員。

考慮立式風洞現(xiàn)場條件和維護性能，風扇電動機采用外部強迫通風冷卻方法，外部自然風經(jīng)過濾處理，經(jīng)過通風機驅(qū)動，從風扇電動機兩端進入轉(zhuǎn)子肋空間、轉(zhuǎn)子通風溝、氣隙、定子通風溝，由定子鐵心背部再排到出風口，以此保證風扇電動機運行時產(chǎn)生的熱量能及時帶走，確保風扇電動機安全穩(wěn)定長期有效運行。

3 立式風洞通風冷卻系統(tǒng)設計

通風冷卻系統(tǒng)主要包括通風管路、通風機和控制系統(tǒng)。

3.1 通風管路

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

風洞內(nèi)管部段與風扇段結(jié)構(gòu)有關(guān)，采用鋼結(jié)構(gòu)件制作。風扇段進風部段入口為兩個截面1435mm×170mm的直管道，經(jīng)過一道直角拐進入扇形腔，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的管道進入電機冷卻腔。冷卻氣流在冷卻腔與電機進行熱交換后進入出風管，最后分流成三個管道排入大氣。出風部段結(jié)構(gòu)與進風部段類似。

外部自然風經(jīng)帶鋼絲網(wǎng)百葉窗初步過濾，再經(jīng)過36目不銹鋼網(wǎng)除塵過濾后進入離心通風進風口，離心通風將過濾的空氣送入風洞外主管道，主管道分二支路送入風洞內(nèi)管部段，再經(jīng)電機進風口過濾網(wǎng)后送入電機冷卻腔，最后沿出風管道自然排出電機外。

3.2 通風機選擇

通風機選型與風量和管路壓力損失密切相關(guān)。依據(jù)風扇電動機設計制造單位提供的技術(shù)資料，冷卻風量不小于4m3/s，供風管風速控制在10m/s左右，氣流經(jīng)過電機冷卻腔的壓力損失為ΔP電機腔=700.0Pa。氣流在風管內(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，各管段風阻依次為：進風段壓力損失 ΔP進風道=617.0Pa；出風管段壓力損失 ΔP出風道=617.0Pa。

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

通風機安裝在風洞廠房三樓，為減輕振動及消聲，通風機按照國標配套安裝減震臺座，風機房由建筑專業(yè)考慮消音裝修，并設隔音密閉門。

3.3 通風機控制系統(tǒng)設計

根據(jù)風扇電動機運行工況和風洞運行流程，風洞試驗期間，通風機一般都是班前起動，中途不停車,當班結(jié)束通風機停車。由于風洞試驗變換模型狀態(tài)頻繁，風扇電動機間隙工作，因此通風機并不需要連續(xù)運行。風扇電動機運行時，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。通風機控制系統(tǒng)設計中,采用交流變頻調(diào)速方案，在風扇電動機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)風扇電動機定子溫度變化，分析計算通風機運轉(zhuǎn)頻率，經(jīng)過網(wǎng)絡通訊，將通風機運轉(zhuǎn)頻率輸出至變頻器，從而控制通風機風量大小。為提高控制系統(tǒng)自動化程度，將通風機控制系統(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，以S7-400為主站，通風控制變頻器為從站。通風冷卻系統(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/遠程、變頻/工頻切換控制通風機。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 通風控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 通風控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(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)通風機控制系統(tǒng)技術(shù)要求，通風機為風機負載，低速下負載轉(zhuǎn)矩較小，隨轉(zhuǎn)速升高，負載迅速增加。考慮系統(tǒng)后期擴展及通訊協(xié)議，通風機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，滿足廣泛的應用場合。變頻器型號6SE6440-2AD32-2DA1，適配電機功率22kW，與通風機驅(qū)動電機功率一致。同時配置DP通訊模板，將通風機控制系統(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)絡實現(xiàn)，PLC與通風機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)工具包設計。通風機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)以及風扇電動機定子繞組溫度監(jiān)控，操作人員通過鍵盤和鼠標完成各種功能，監(jiān)控畫面簡單、實時、直觀。在風扇電動機不同運行狀態(tài)，通風機控制系統(tǒng)通過監(jiān)控程序和PLC控制程序，用中斷采集方式實現(xiàn)通風機機冷卻風量控制，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)通風機運轉(zhuǎn)頻率的實時修正。通風機監(jiān)控界面如圖4所示。

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

3.3.3 變頻器參數(shù)設置

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

控制系統(tǒng)要求有遠程/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，頻率設定值P1000（0）設值2，由模擬輸入通道給定。遠程自動控制時，主回路電源接觸器分合閘受外部PLC接點控制，變頻器啟停受人機界面啟動/停止按鈕控制。P0810確定讀入位0的命令源，設定值為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/遠程切換開關(guān)控制。開關(guān)SA轉(zhuǎn)換至遠程時，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）設置；頻率設定值選擇P1000（1）=6，頻率設定值通過COM鏈路的CB設定。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設置。頻率設定值選擇P1000（0）=2，頻率設定值通過模擬輸入1設定。

圖4 通風機監(jiān)控主界面

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

4 系統(tǒng)應用

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

經(jīng)測試，當通風機停車，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，風扇電動機運行期間，通風機運轉(zhuǎn)速度跟隨負載和定子溫度變化；風扇電動機停車后，通風機以10Hz頻率運轉(zhuǎn)，帶走風扇電動機余熱，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 通風機運行頻率與通風量、出風口風速記錄

5 結(jié)論

系統(tǒng)投運三年來，運行穩(wěn)定可靠，各項技術(shù)指標達到設計要求。與其他風洞風扇電動機通風系統(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)通風機功率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）提高了通風機控制系統(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)絡通訊、PLC控制和組態(tài)監(jiān)控，勿需單獨操作。

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

（4）降噪效果明顯。通風機工頻運行時，周邊5米范圍內(nèi)噪聲達到85dB，采用該控制方案后，通風機運轉(zhuǎn)頻率隨風扇電動機轉(zhuǎn)速和定子繞組溫度變化改變。風扇電動機停車后，通風機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. 立式風洞風扇電動機通風系統(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. 通風與空調(diào)安裝工程[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2003.