風(fēng)洞變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)熱線風(fēng)速儀的影響及解決方法研究

李 剛， 韓 杰， 王 帆

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所，四川 綿陽 621000)

風(fēng)洞作為空氣動(dòng)力研究和飛行器研制的最基本試驗(yàn)設(shè)備，起著十分重要的作用。湍流度是風(fēng)洞流場(chǎng)校測(cè)的重要指標(biāo)，在飛行器模型的風(fēng)洞試驗(yàn)中，需要對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)湍流度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量[1]。目前，熱線風(fēng)速儀是測(cè)量流場(chǎng)湍流度的最理想儀器，但是由于測(cè)量目標(biāo)為動(dòng)態(tài)信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果容易受到干擾，特別是對(duì)于低湍流度測(cè)量而言，更容易受到電磁干擾[2-3]。

隨著微電子學(xué)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論等的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)在交通運(yùn)輸、石油、家用電器、軍事等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[4]。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、啟動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[5-8]。因此，越來越多的風(fēng)洞采用變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇或壓縮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞風(fēng)速的精確控制。但是，變頻器調(diào)速系統(tǒng)在工作時(shí)會(huì)對(duì)周圍的電磁環(huán)境造成一定影響，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成系統(tǒng)不能正常穩(wěn)定工作。

因此熱線風(fēng)速儀由于受到風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的影響，常常無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)精度，甚至無法正常工作。國內(nèi)外文獻(xiàn)在低速流場(chǎng)低湍流度測(cè)量受到干擾時(shí)，處理方法主要是通過信號(hào)濾波[9-12]和干擾信號(hào)解耦[13-14],但是由于變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)的頻率與熱線風(fēng)速儀測(cè)量信號(hào)的頻率嚴(yán)重重疊，極大地降低了濾波效果。

本文從熱線風(fēng)速儀在0.55 m×0.4 m聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞受變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾這一現(xiàn)象入手，從電磁兼容的角度解決熱線風(fēng)速儀干擾問題。

1 系統(tǒng)組成

0.55 m×0.4 m聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞由風(fēng)洞洞體、動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和配電系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中動(dòng)力系統(tǒng)包括風(fēng)扇、電機(jī)和變頻器，電機(jī)采用東方電機(jī)廠的異步電機(jī)，變頻器采用ABB公司ACS800系列變頻器，額定功率132 kW，額定電壓380 V。測(cè)控系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)包括了用于湍流度測(cè)量的熱線風(fēng)速儀，熱線儀采用丹麥丹迪公司的STREAMLINE系統(tǒng)，測(cè)量探頭采用55P11一維探頭，測(cè)點(diǎn)布置于風(fēng)洞試驗(yàn)段的中心，系統(tǒng)配置的采集卡分辨率為16位。數(shù)據(jù)采樣頻率為20 kHz，采樣時(shí)間為10 s。

圖1 0.55 m×0.4 m聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞布局圖

2 電磁干擾對(duì)熱線風(fēng)速儀的影響

圖2為熱線風(fēng)速儀受電磁干擾時(shí)的測(cè)試結(jié)果。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，熱線風(fēng)速儀的測(cè)量信號(hào)受到干擾，使得精度極大地降低，甚至無法正常工作。通過圖2可以看出風(fēng)洞的風(fēng)速為18 m/s，但是由于熱線風(fēng)速儀受現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的影響，測(cè)試最大值接近21 m/s，最小值為16 m/s，其測(cè)試誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于指標(biāo)要求的0.2%。

圖2 熱線風(fēng)速儀受電磁干擾時(shí)的測(cè)試結(jié)果

3 電磁干擾耦合途徑分析

電磁干擾耦合途徑主要有：空間輻射、電源傳導(dǎo)、接地串?dāng)_等方式，為了分析電磁干擾對(duì)熱線風(fēng)速儀的干擾耦合途徑，對(duì)熱線風(fēng)速儀所在的風(fēng)洞消聲室開展輻射干擾測(cè)試，并對(duì)熱線風(fēng)速儀開展電源傳導(dǎo)干擾測(cè)試和接地串?dāng)_測(cè)試。

3.1 輻射干擾測(cè)試

熱線風(fēng)速儀放置于風(fēng)洞消聲室的試驗(yàn)段中心，因此為了測(cè)試空間輻射干擾對(duì)熱線風(fēng)速儀的影響，對(duì)變頻工作前后風(fēng)洞消聲室的空間電磁輻射進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 變頻器工作前消聲室輻射干擾測(cè)試結(jié)果

圖4 變頻器工作時(shí)消聲室輻射干擾測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)比變頻器工作前后，消聲室內(nèi)輻射干擾測(cè)量結(jié)果可以看出，駐室內(nèi)的空間電磁輻射水平基本一致，均在80 dBmV左右。因此，可以排除風(fēng)洞內(nèi)的電磁輻射對(duì)熱線風(fēng)速儀的干擾。

3.2 電源線傳導(dǎo)干擾測(cè)試

熱線風(fēng)速儀采用交流220 V供電，與變頻器采用同一個(gè)380 V變壓器供電，而變頻器工作時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，從而影響同電網(wǎng)的其他設(shè)備。因此，采用電壓法對(duì)變頻器工作前后熱線風(fēng)速儀電源線中的火線L、零線N傳導(dǎo)干擾進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 變頻器工作前熱線風(fēng)速儀火線L傳導(dǎo)干擾測(cè)試結(jié)果

圖6 變頻器工作時(shí)熱線風(fēng)速儀火線L傳導(dǎo)干擾測(cè)試結(jié)果

圖7 變頻器工作前熱線風(fēng)速儀零線N傳導(dǎo)干擾測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖5～圖8可以看出，當(dāng)變頻器工作時(shí)，熱線風(fēng)速儀電源火線L的傳導(dǎo)干擾水平從-74 dB增加至-18 dB，增加了56 dB；而零線N的傳導(dǎo)干擾水平從-82 dB增加至-24 dB，增加了58 dB。根據(jù)電磁干擾測(cè)量結(jié)果為

UdBmV=20lgUV

(1)

計(jì)算可知，變頻器運(yùn)行前后，熱線風(fēng)速儀電源火線L和零線N上的傳導(dǎo)干擾強(qiáng)度增加了1500多倍。

3.3 接地串?dāng)_測(cè)試

采用電流法，對(duì)熱線風(fēng)速儀接地線上的干擾信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9和圖10所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，變頻器工作前后，熱線風(fēng)速儀地線上的干擾水平變化不大，因此可以排除接地串?dāng)_對(duì)熱線風(fēng)速儀的影響。

圖9 變頻器工作前熱線風(fēng)速儀接地串?dāng)_測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)風(fēng)洞消聲室空間電磁輻射、熱線風(fēng)速儀電源線傳導(dǎo)和接地串?dāng)_測(cè)試，已基本排除了空間電磁輻射和接地串?dāng)_的可能性，因此影響熱線風(fēng)速儀測(cè)量精度的干擾耦合途徑主要是電源線傳導(dǎo)干擾。

4 作用機(jī)理分析

為了降低變頻器工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的影響，風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)配置了鐵塔CYW系列交流參數(shù)穩(wěn)壓電源。CYW交流參數(shù)穩(wěn)壓電源的工作原理是通過兩組繞組實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓和測(cè)控電壓之間的隔離和穩(wěn)壓。但是從熱線風(fēng)速儀的實(shí)際測(cè)試結(jié)果來看，交流參數(shù)穩(wěn)壓電源無法抑制電源線傳導(dǎo)干擾。

圖10 變頻器工作后熱線風(fēng)速儀接地串?dāng)_測(cè)試結(jié)果

因此，為了進(jìn)一步分析電源線傳導(dǎo)干擾對(duì)熱線風(fēng)速儀的作用機(jī)理，首先對(duì)熱線風(fēng)速儀供電電路進(jìn)行建模和仿真，熱線風(fēng)速儀供電模型如圖11所示。干擾源波形如圖12所示。根據(jù)電源線傳導(dǎo)干擾測(cè)試結(jié)果，熱線風(fēng)速儀電源線傳導(dǎo)干擾頻率主要在100～500 kHz范圍內(nèi)。因此為了模擬干擾源對(duì)熱線風(fēng)速儀的作用機(jī)理，干擾源選擇120 kHz的正弦干擾信號(hào)。交流參數(shù)穩(wěn)壓電源輸出仿真波形如圖13所示。通過波形可以看出，干擾信號(hào)經(jīng)過交流參數(shù)穩(wěn)壓電源后，幅值雖然有所降低，但干擾信號(hào)的頻譜則有120 kHz延展開來，不僅有120 kHz的干擾信號(hào)，其他頻段也出現(xiàn)了干擾電平。因此通過以上分析和仿真可以得出，CYW系列交流參數(shù)穩(wěn)壓電源不能對(duì)電源線上的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制和衰減。

恒壓型熱線測(cè)量系統(tǒng)電路原理如圖14所示。接入a# 模塊[15-16]，Rw為熱線在流場(chǎng)中的工作電阻。當(dāng)流場(chǎng)流速U增大時(shí)，熱線溫度Tw降低，Rw減小。由于運(yùn)放輸出電壓E0在變化瞬間保持不變，使得Rw和反饋電阻RF獲得的分壓Ew降低，從而使電流IF減小、運(yùn)放輸入電壓Ein上升，導(dǎo)致E0增大，電流I2增大，I2經(jīng)分流后使電流Iw增大并對(duì)熱線加熱，使Ew重新回升到流速變化前的值。

圖11 熱線風(fēng)速儀供電仿真模型

圖14 熱線風(fēng)速儀原理圖

設(shè)圖14所示的熱線風(fēng)速儀的運(yùn)放開環(huán)增益為A、增益帶寬積為ωt，運(yùn)放可作為一階最小相位系統(tǒng)。此時(shí)，熱線風(fēng)速儀各節(jié)點(diǎn)的電流和電壓關(guān)系如式(2)所示[17]。

(2)

式中：R1為輸入電阻;R2為增益電阻；Ei為輸入控制電壓。在實(shí)際的熱線風(fēng)速儀中，一般選定Rw?R1,R1?RF,Rw?R2,A=100～120 dB；Ei為直流電壓，此時(shí)將式(2) 簡(jiǎn)化整理得到

(3)

當(dāng)熱線處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)時(shí)，熱線測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出電壓為

(4)

式中：Ei變化會(huì)導(dǎo)致熱線測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出電壓E0出現(xiàn)擾動(dòng)，從而使熱線風(fēng)速儀電流Iw出現(xiàn)波動(dòng)，影響熱線風(fēng)速儀的測(cè)試精度和穩(wěn)定性。

根據(jù)以上測(cè)試、仿真和分析得出，風(fēng)洞電磁干擾通過傳導(dǎo)耦合到熱線風(fēng)速儀電源，從而影響熱線風(fēng)速儀測(cè)試精度和穩(wěn)定性。

5 干擾抑制措施及驗(yàn)證

為了提高系統(tǒng)電磁兼容性，從電磁兼容三要素“干擾源、干擾路徑和敏感設(shè)備”著手，綜合考慮風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)情況，擬采用在熱線風(fēng)速儀電源輸入端加入EMC電源濾波器(如圖15所示)來切斷干擾路徑的方式抑制電源線傳導(dǎo)干擾，EMC濾波器的參數(shù)如表1所示。

圖15 干擾抑制措施示意圖

表1 電源濾波器的參數(shù)

為了驗(yàn)證干擾抑制效果，對(duì)加入EMC濾波器后熱線風(fēng)速儀電源線傳導(dǎo)干擾進(jìn)行了測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖16和圖17所示。

圖16 加入EMC濾波器后火線L傳導(dǎo)干擾測(cè)試結(jié)果

圖17 加入EMC濾波器后零線N傳導(dǎo)干擾測(cè)試結(jié)果

根據(jù)熱線風(fēng)速儀電源傳導(dǎo)干擾測(cè)試結(jié)果對(duì)比(如表2所示)可以看出，加入EMC濾波器后，熱線風(fēng)速儀電源L線傳導(dǎo)干擾從-18 dBmV降低至-92 dBmV，電源N線的傳導(dǎo)干擾從-24 dBmV降低至-97 dBmV，其電源線的噪聲甚至優(yōu)于變頻器工作前的背景噪聲。

表2 熱線風(fēng)速儀電源線傳導(dǎo)干擾測(cè)試結(jié)果對(duì)比 單位：dBmV

同時(shí)使用熱線風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)洞的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如圖18所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，電源線加入EMC濾波器后，熱線風(fēng)速儀上的干擾得到了有效抑制，其測(cè)試精度也從受干擾前的3%提高到0.2%。

圖18 加入EMC濾波器后熱線風(fēng)速儀的測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語

針對(duì)熱線風(fēng)速儀電磁干擾開展了風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)電源傳導(dǎo)、空間輻射和接地串?dāng)_測(cè)試，得出電源傳導(dǎo)是干擾熱線風(fēng)速儀的耦合途徑。

通過仿真分析對(duì)比，確定了風(fēng)洞電磁干擾會(huì)導(dǎo)致熱線測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出電壓出現(xiàn)擾動(dòng)，從而使熱線風(fēng)速儀電流出現(xiàn)波動(dòng)，影響熱線風(fēng)速儀的測(cè)試精度和穩(wěn)定性。

為了抑制電源線干擾，提高熱線風(fēng)速儀的測(cè)試精度，根據(jù)電源線電磁干擾測(cè)試數(shù)據(jù)，在熱線風(fēng)速儀電源輸入端加入EMC濾波器，并對(duì)加入濾波器后的熱線風(fēng)速儀電源傳導(dǎo)干擾進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，加入EMC濾波器后，熱線風(fēng)速儀電源傳導(dǎo)干擾得到了有效抑制，熱線風(fēng)速儀的測(cè)試精度也從受干擾前的3%提高到0.2%。