风洞变频调速系统对热线风速仪的影响及解决方法研究

李 刚， 韩 杰， 王 帆

(中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所，四川 绵阳 621000)

风洞作为空气动力研究和飞行器研制的最基本试验设备，起着十分重要的作用。湍流度是风洞流场校测的重要指标，在飞行器模型的风洞试验中，需要对风洞流场湍流度进行准确测量[1]。目前，热线风速仪是测量流场湍流度的最理想仪器，但是由于测量目标为动态信号，导致测量结果容易受到干扰，特别是对于低湍流度测量而言，更容易受到电磁干扰[2-3]。

随着微电子学、电力电子技术、计算机技术、自动控制理论等的不断发展，变频调速系统在交通运输、石油、家用电器、军事等领域得到广泛的应用[4]。变频调速系统具有功率因数高、启动平稳、调速范围宽等优点[5-8]。因此，越来越多的风洞采用变频调速系统驱动风扇或压缩机，从而实现风洞风速的精确控制。但是，变频器调速系统在工作时会对周围的电磁环境造成一定影响，严重时甚至可能造成系统不能正常稳定工作。

因此热线风速仪由于受到风洞现场电磁干扰的影响，常常无法达到标准精度，甚至无法正常工作。国内外文献在低速流场低湍流度测量受到干扰时，处理方法主要是通过信号滤波[9-12]和干扰信号解耦[13-14],但是由于变频调速系统产生的干扰信号的频率与热线风速仪测量信号的频率严重重叠，极大地降低了滤波效果。

本文从热线风速仪在0.55 m×0.4 m声学引导风洞受变频调速系统电磁干扰这一现象入手，从电磁兼容的角度解决热线风速仪干扰问题。

1 系统组成

0.55 m×0.4 m声学引导风洞由风洞洞体、动力系统、测控系统和配电系统等组成，如图1所示。其中动力系统包括风扇、电机和变频器，电机采用东方电机厂的异步电机，变频器采用ABB公司ACS800系列变频器，额定功率132 kW，额定电压380 V。测控系统包括控制系统和测量系统，测量系统包括了用于湍流度测量的热线风速仪，热线仪采用丹麦丹迪公司的STREAMLINE系统，测量探头采用55P11一维探头，测点布置于风洞试验段的中心，系统配置的采集卡分辨率为16位。数据采样频率为20 kHz，采样时间为10 s。

图1 0.55 m×0.4 m声学引导风洞布局图

2 电磁干扰对热线风速仪的影响

图2为热线风速仪受电磁干扰时的测试结果。通过试验发现，当变频调速系统运行时，热线风速仪的测量信号受到干扰，使得精度极大地降低，甚至无法正常工作。通过图2可以看出风洞的风速为18 m/s，但是由于热线风速仪受现场电磁干扰的影响，测试最大值接近21 m/s，最小值为16 m/s，其测试误差远远大于指标要求的0.2%。

图2 热线风速仪受电磁干扰时的测试结果

3 电磁干扰耦合途径分析

电磁干扰耦合途径主要有：空间辐射、电源传导、接地串扰等方式，为了分析电磁干扰对热线风速仪的干扰耦合途径，对热线风速仪所在的风洞消声室开展辐射干扰测试，并对热线风速仪开展电源传导干扰测试和接地串扰测试。

3.1 辐射干扰测试

热线风速仪放置于风洞消声室的试验段中心，因此为了测试空间辐射干扰对热线风速仪的影响，对变频工作前后风洞消声室的空间电磁辐射进行测试，得到测试结果分别如图3和图4所示。

图3 变频器工作前消声室辐射干扰测试结果

图4 变频器工作时消声室辐射干扰测试结果

通过对比变频器工作前后，消声室内辐射干扰测量结果可以看出，驻室内的空间电磁辐射水平基本一致，均在80 dBmV左右。因此，可以排除风洞内的电磁辐射对热线风速仪的干扰。

3.2 电源线传导干扰测试

热线风速仪采用交流220 V供电，与变频器采用同一个380 V变压器供电，而变频器工作时会对电网造成谐波污染，从而影响同电网的其他设备。因此，采用电压法对变频器工作前后热线风速仪电源线中的火线L、零线N传导干扰进行了测试，测试结果如图5～图8所示。

图5 变频器工作前热线风速仪火线L传导干扰测试结果

图6 变频器工作时热线风速仪火线L传导干扰测试结果

图7 变频器工作前热线风速仪零线N传导干扰测试结果

根据图5～图8可以看出，当变频器工作时，热线风速仪电源火线L的传导干扰水平从-74 dB增加至-18 dB，增加了56 dB；而零线N的传导干扰水平从-82 dB增加至-24 dB，增加了58 dB。根据电磁干扰测量结果为

UdBmV=20lgUV

(1)

计算可知，变频器运行前后，热线风速仪电源火线L和零线N上的传导干扰强度增加了1500多倍。

3.3 接地串扰测试

采用电流法，对热线风速仪接地线上的干扰信号进行测试，测试结果如图9和图10所示。根据测试结果可以看出，变频器工作前后，热线风速仪地线上的干扰水平变化不大，因此可以排除接地串扰对热线风速仪的影响。

图9 变频器工作前热线风速仪接地串扰测试结果

通过对风洞消声室空间电磁辐射、热线风速仪电源线传导和接地串扰测试，已基本排除了空间电磁辐射和接地串扰的可能性，因此影响热线风速仪测量精度的干扰耦合途径主要是电源线传导干扰。

4 作用机理分析

为了降低变频器工作时产生的电磁干扰对现场测试设备的影响，风洞现场配置了铁塔CYW系列交流参数稳压电源。CYW交流参数稳压电源的工作原理是通过两组绕组实现电网电压和测控电压之间的隔离和稳压。但是从热线风速仪的实际测试结果来看，交流参数稳压电源无法抑制电源线传导干扰。

图10 变频器工作后热线风速仪接地串扰测试结果

因此，为了进一步分析电源线传导干扰对热线风速仪的作用机理，首先对热线风速仪供电电路进行建模和仿真，热线风速仪供电模型如图11所示。干扰源波形如图12所示。根据电源线传导干扰测试结果，热线风速仪电源线传导干扰频率主要在100～500 kHz范围内。因此为了模拟干扰源对热线风速仪的作用机理，干扰源选择120 kHz的正弦干扰信号。交流参数稳压电源输出仿真波形如图13所示。通过波形可以看出，干扰信号经过交流参数稳压电源后，幅值虽然有所降低，但干扰信号的频谱则有120 kHz延展开来，不仅有120 kHz的干扰信号，其他频段也出现了干扰电平。因此通过以上分析和仿真可以得出，CYW系列交流参数稳压电源不能对电源线上的干扰信号进行抑制和衰减。

恒压型热线测量系统电路原理如图14所示。接入a# 模块[15-16]，Rw为热线在流场中的工作电阻。当流场流速U增大时，热线温度Tw降低，Rw减小。由于运放输出电压E0在变化瞬间保持不变，使得Rw和反馈电阻RF获得的分压Ew降低，从而使电流IF减小、运放输入电压Ein上升，导致E0增大，电流I2增大，I2经分流后使电流Iw增大并对热线加热，使Ew重新回升到流速变化前的值。

图11 热线风速仪供电仿真模型

图14 热线风速仪原理图

设图14所示的热线风速仪的运放开环增益为A、增益带宽积为ωt，运放可作为一阶最小相位系统。此时，热线风速仪各节点的电流和电压关系如式(2)所示[17]。

(2)

式中：R1为输入电阻;R2为增益电阻；Ei为输入控制电压。在实际的热线风速仪中，一般选定Rw≪R1,R1≪RF,Rw≪R2,A=100～120 dB；Ei为直流电压，此时将式(2) 简化整理得到

(3)

当热线处于稳态工作状态时，热线测量系统的稳态输出电压为

(4)

式中：Ei变化会导致热线测量系统的稳态输出电压E0出现扰动，从而使热线风速仪电流Iw出现波动，影响热线风速仪的测试精度和稳定性。

根据以上测试、仿真和分析得出，风洞电磁干扰通过传导耦合到热线风速仪电源，从而影响热线风速仪测试精度和稳定性。

5 干扰抑制措施及验证

为了提高系统电磁兼容性，从电磁兼容三要素“干扰源、干扰路径和敏感设备”着手，综合考虑风洞现场情况，拟采用在热线风速仪电源输入端加入EMC电源滤波器(如图15所示)来切断干扰路径的方式抑制电源线传导干扰，EMC滤波器的参数如表1所示。

图15 干扰抑制措施示意图

表1 电源滤波器的参数

为了验证干扰抑制效果，对加入EMC滤波器后热线风速仪电源线传导干扰进行了测试，其测试结果如图16和图17所示。

图16 加入EMC滤波器后火线L传导干扰测试结果

图17 加入EMC滤波器后零线N传导干扰测试结果

根据热线风速仪电源传导干扰测试结果对比(如表2所示)可以看出，加入EMC滤波器后，热线风速仪电源L线传导干扰从-18 dBmV降低至-92 dBmV，电源N线的传导干扰从-24 dBmV降低至-97 dBmV，其电源线的噪声甚至优于变频器工作前的背景噪声。

表2 热线风速仪电源线传导干扰测试结果对比 单位：dBmV

同时使用热线风速仪对风洞的风速进行测量，其测量结果如图18所示。根据测试结果可以看出，电源线加入EMC滤波器后，热线风速仪上的干扰得到了有效抑制，其测试精度也从受干扰前的3%提高到0.2%。

图18 加入EMC滤波器后热线风速仪的测试结果

6 结束语

针对热线风速仪电磁干扰开展了风洞现场电源传导、空间辐射和接地串扰测试，得出电源传导是干扰热线风速仪的耦合途径。

通过仿真分析对比，确定了风洞电磁干扰会导致热线测量系统的稳态输出电压出现扰动，从而使热线风速仪电流出现波动，影响热线风速仪的测试精度和稳定性。

为了抑制电源线干扰，提高热线风速仪的测试精度，根据电源线电磁干扰测试数据，在热线风速仪电源输入端加入EMC滤波器，并对加入滤波器后的热线风速仪电源传导干扰进行了验证测试。测试结果显示，加入EMC滤波器后，热线风速仪电源传导干扰得到了有效抑制，热线风速仪的测试精度也从受干扰前的3%提高到0.2%。