風(fēng)洞試驗(yàn)研究的應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。隨著生產(chǎn)領(lǐng)域和技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)風(fēng)洞動(dòng)力需求具備寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等相應(yīng)的要求，隨著電力電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，各種容量和型式的變頻電源、整流裝置的研制成功以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論的發(fā)展，使得交流調(diào)速傳動(dòng)在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，如何維護(hù)好變頻調(diào)速器控制系統(tǒng)的正常工作，是從事工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)的工程技術(shù)人員所面臨的實(shí)際問(wèn)題，也是風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度提高的保證。
1、風(fēng)洞工作原理
風(fēng)洞是能人工產(chǎn)生和控制氣流以模擬飛行器或物體周圍氣體的洞，并可量度氣流對(duì)物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道試驗(yàn)設(shè)備。風(fēng)洞的動(dòng)力段裝有電機(jī)及風(fēng)扇系統(tǒng)，電機(jī)在交流變頻調(diào)速下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)槳葉，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闃~的機(jī)械能，槳葉的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝饨橘|(zhì)的壓力能，在風(fēng)洞管道內(nèi)產(chǎn)生介質(zhì)的流動(dòng)。通過(guò)對(duì)氣流的修整，使之成為均勻平穩(wěn)的氣流，以便滿足試驗(yàn)用流場(chǎng)。
2、風(fēng)洞控制系統(tǒng)
2.1 風(fēng)速控制
由變頻器、PID調(diào)節(jié)器、配套低壓電器及壓力傳感器組成了變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)中壓力傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)壓力差，將壓力信號(hào)變換為電阻信號(hào)作為反饋輸入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)過(guò)與給定信號(hào)進(jìn)行比較后其偏差值采用優(yōu)化的PI算法輸出控制信號(hào)控制變頻器的輸出頻率，保證風(fēng)速的恒定。
2.2 角度控制
風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中時(shí)常要改變?cè)囼?yàn)?zāi)Ｐ偷慕嵌?，從而可以不間斷測(cè)量各個(gè)角度對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)量，節(jié)省了時(shí)間，提高了效率和精度，實(shí)現(xiàn)全部自動(dòng)化。
3、電磁兼容問(wèn)題三要素
3.1 電磁騷擾源：任何形式的自然或電能裝置所發(fā)射的電磁能量，能使共享同一環(huán)境的人或其它生物受到傷害，或使其它設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)發(fā)生電磁危害，導(dǎo)致性能降級(jí)或失效，即稱為電磁騷擾源。
3.2 耦合途徑：即傳輸騷擾的通路或媒介。
3.3 敏感設(shè)備（Victim）：是指當(dāng)受到電磁騷擾源所發(fā)出的電磁能量的作用時(shí)，會(huì)受到傷害的人或其它生物，以及會(huì)發(fā)生電磁危害，導(dǎo)致性能降級(jí)或失效的器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)。許多器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)既是電磁騷擾源又是敏感設(shè)備。
系統(tǒng)要發(fā)生電磁兼容性問(wèn)題，必須存在三個(gè)因素，即電磁干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。所以，在遇到電磁兼容問(wèn)題時(shí)，要從這三個(gè)因素入手，對(duì)癥下藥，消除其中某一個(gè)因素，就能解決電磁兼容問(wèn)題。
4、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的變頻器控制系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題分析與解決
4.1 變頻器干擾產(chǎn)生機(jī)理
變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號(hào)，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)是受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于GTR大功率逆變?cè)?，?PWM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變?cè)腜WM最高載頻可達(dá)15kHz。同樣，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。
4.2 干擾傳播主要方式及預(yù)防：
4.2.1 輻射干擾
輻射干擾是指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合，在電纜中產(chǎn)生的電勢(shì)。輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小有關(guān)，特別是頻率有關(guān)，一般通過(guò)設(shè)置屏蔽電纜和控制系統(tǒng)局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù)。
4.2.2 接觸不良干擾
接觸不良干擾是指變頻器控制電纜的電接點(diǎn)及繼電器觸點(diǎn)接觸不良，電阻發(fā)生變化在電纜中產(chǎn)生的干擾。其可采用并聯(lián)觸點(diǎn)、鍍金觸點(diǎn)或選用密閉式繼電器，對(duì)電纜連接點(diǎn)應(yīng)定期做擰緊加固處理，以防干擾。
4.2.3 電源線傳導(dǎo)干擾
控制系統(tǒng)的正常供電電源均來(lái)自電網(wǎng)，由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到空間輻射的電磁干擾而在線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和無(wú)用雜波。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部變化，入開(kāi)關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過(guò)輸入線路傳到電源周邊。一般設(shè)備的電源均采用外系統(tǒng)供電，在輸入側(cè)裝超級(jí)隔離變壓器或?yàn)V波器，并且屏蔽接地，以防干擾。
4.2.4 接地干擾
接地不正確可能引起嚴(yán)重干擾信號(hào)，使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。接地系統(tǒng)混亂對(duì)控制系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)的正常工作。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下， 屏蔽層內(nèi)會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過(guò)屏蔽層與芯線之間耦合，干擾信號(hào)回路。若系統(tǒng)地與其他接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就有可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響控制系統(tǒng)內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。控制系統(tǒng)工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響控制系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機(jī)。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測(cè)量精度下降，引起對(duì)信號(hào)測(cè)控的嚴(yán)重失真和誤動(dòng)作。
4.3 系統(tǒng)干擾具體分析及其解決措施
圖1 控制系統(tǒng)原理圖
傳感器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)源、控制儀器及配套低壓電器的工作電源電壓有DC10V、 AC110V、AC220V，在該系統(tǒng)中，用戶要求能夠直觀從控制柜面板觀測(cè)風(fēng)洞風(fēng)速大小及工作溫度、電機(jī)時(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速等，因此，選用溫度傳感器及自行開(kāi)發(fā)的單片機(jī)風(fēng)速顯示及變角度系統(tǒng)，配合指針式指示表對(duì)風(fēng)洞中的風(fēng)速、溫度、角度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量和顯示。
在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變頻器起動(dòng)調(diào)速時(shí)，數(shù)字式轉(zhuǎn)速表顯示出現(xiàn)錯(cuò)誤顯示，轉(zhuǎn)速直接跳到580r/m左右；步進(jìn)電機(jī)抖動(dòng)，打齒，自行走角度。變頻器停止工作時(shí)，控制系統(tǒng)及轉(zhuǎn)速表恢復(fù)正常。很明顯，這是由于變頻器高次諧波分量對(duì)電源的干擾造成的，通常，對(duì)此最為行之有效的辦法就是對(duì)控制電路的供電電源加裝變頻器輸入輸出專用濾波器。整個(gè)系統(tǒng)的電氣原理框圖如圖1所示。在變頻器輸入輸出端加裝專用電源濾波器后，起動(dòng)變頻器，步進(jìn)電機(jī)恢復(fù)正常，轉(zhuǎn)速表影響變小，顯示跳到180r/m。但是隨后在整改轉(zhuǎn)速表的時(shí)候老問(wèn)題又出現(xiàn)了，步進(jìn)電機(jī)又開(kāi)始抖動(dòng)，打齒。而且出現(xiàn)了新問(wèn)題，控制電路中發(fā)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)源的脈沖信號(hào)無(wú)緣無(wú)故被吸收，步進(jìn)電機(jī)失去控制。停電后對(duì)電路進(jìn)行檢查，在電路中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)短路點(diǎn)和其他的連接錯(cuò)誤等現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)逐漸升速過(guò)程中，變頻器運(yùn)行輸出在某個(gè)頻段之間時(shí)步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)抖動(dòng)故障。而且，將變頻器的外控制臺(tái)調(diào)速電位機(jī)線(控制臺(tái)內(nèi)有變頻器引進(jìn)的線和步進(jìn)電機(jī)控制出線)斷開(kāi)后，故障仍舊出現(xiàn)。進(jìn)一步分析變頻器的工作原理可知，在交-直-交型變頻器中，電網(wǎng)通過(guò)三相整流橋給變頻器供電，供電電流利用傅立葉級(jí)數(shù)可以分解為包含基波和6K±1次諧波(K=1，2，3…)分量等一系列諧波分量，諧波含量隨進(jìn)線電抗和直流濾波電抗的電感量增加而減少。具有關(guān)資料介紹，通常情況下，加電抗器后五次諧波、七次諧波、十一次諧波和十三次諧波仍然占到40%、35%、25%和20%左右。也就是說(shuō)變頻器加濾波器后，仍然有一部分諧波存在于線路中。在變頻器配電柜內(nèi)變頻器的出線很長(zhǎng)，靠近變頻器的有信號(hào)控制線和轉(zhuǎn)速表信號(hào)線，變頻器起動(dòng)，測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在信號(hào)線上仍然有感應(yīng)電壓，這是變頻器負(fù)載動(dòng)力線上的高頻信號(hào)耦合產(chǎn)生的干擾，屬予空間輻射干擾。在分析清楚故障原因后，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干擾源的主要來(lái)源途徑即變頻器的干擾、控制柜內(nèi)線路混合的干擾及空間電磁干擾等，對(duì)控制顯示系統(tǒng)采取了進(jìn)一步的抗干擾措施。
首先，針對(duì)前述系統(tǒng)的故障狀態(tài)，采用小型的信號(hào)濾波器分別對(duì)轉(zhuǎn)速表信號(hào)線進(jìn)行濾波。在對(duì)轉(zhuǎn)速表調(diào)試的過(guò)程中逐漸增加信號(hào)濾波器的性能來(lái)尋求最佳的抑?jǐn)_方案，有效的解決了轉(zhuǎn)速表的顯示錯(cuò)誤的問(wèn)題。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)信號(hào)線的干擾，用示波器觀察信號(hào)線上的波形，發(fā)現(xiàn)在方波基礎(chǔ)上有許多無(wú)用的高頻振蕩信號(hào)及雜亂波形，在脈沖信號(hào)線上串聯(lián)信號(hào)濾波器后觀察示波器顯示的波形為方波，將脈沖信號(hào)線接到步進(jìn)電機(jī)調(diào)試打齒和抖動(dòng)現(xiàn)象沒(méi)有了。必須著重指出的是在變頻器的配電柜內(nèi)，給出的模擬量信號(hào)及相應(yīng)的指示燈應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的金屬屏蔽，并且對(duì)信號(hào)屏蔽線、金屬屏蔽層進(jìn)行嚴(yán)格的獨(dú)立接地，信號(hào)線及控制線與電源線應(yīng)采用金屬管屏蔽隔離，空間位置相對(duì)垂直，不要并行敷設(shè)線路，這樣能有效的防止空間的電磁干擾的竄入。
采取上述措施后，整個(gè)系統(tǒng)的工作恢復(fù)了正常，說(shuō)明上述措施是完全有效可行的。同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在解決轉(zhuǎn)速表的干擾問(wèn)題時(shí)，為了削弱通過(guò)線路傳播的干擾信號(hào)，在電路中加的濾波器并不是按正常順序直接串聯(lián)相加的，而是利用電感電容的諧振特性，交替反相的接入需求最佳效果。
5、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，在解決風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的變頻器控制系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題時(shí)，充分利用了電磁兼容問(wèn)題三要素。預(yù)先抗干擾設(shè)計(jì)是必須的，系統(tǒng)的布線及連接要仔細(xì)；與此同時(shí)，必須充分考慮各種電氣設(shè)備之間的互相干擾，特別是在小信號(hào)測(cè)量中，高次諧波對(duì)控制電路及測(cè)量信號(hào)的干擾影響，以及空間的輻射干擾。另外注意控制地與強(qiáng)電地、保護(hù)地分開(kāi)，保持接地良好，營(yíng)造一個(gè)綠色的電磁環(huán)境。