一种防冰风扇叶片电加热温度闭环控制方法技术

本发明专利技术公开了一种防冰风扇叶片电加热温度闭环控制方法，在防冰风扇叶片电加热温度闭环控制时，根据设定温度与温度反馈不同的绝对差值控制加热电源输出相应的电压值，采用变结构分级控制策略，解决了低温、低气压、潮湿环境下导电滑环定子机构的碳刷与转子机构的铜环间大电流频繁变化产生火花的问题，延长了碳刷使用寿命，确保防冰风扇叶片电加热温度闭环控制系统稳定运行。本发明专利技术设计了带低温防护、电池供电的温度信号无线发射模块，将风扇叶片温度反馈信号无线传输到电加热温度闭环控制系统；为减少无线发射模块重量对风扇转子系统动静平衡影响，对安装盖板进行降低厚度、开孔等定量减重设计，保证不改变风扇转子系统重心和质量分布。

A Closed-loop Control Method for Electric Heating Temperature of Anti-icing Fan Blade

The invention discloses a closed-loop control method for electric heating temperature of an ice-proof fan blade. When the closed-loop control of the electric heating temperature of an ice-proof fan blade is carried out, the output voltage of the heating power supply is controlled according to the absolute difference between the set temperature and the temperature feedback, and a variable structure hierarchical control strategy is adopted to solve the carbon brush and the motor of the conductive sliding ring stator mechanism in low temperature, low pressure and humidity environment. The problem of sparks caused by frequent changes of large current between copper rings of rotor mechanism prolongs the service life of carbon brushes and ensures the stable operation of closed-loop control system for electric heating temperature of ice-proof fan blades. The invention designs a temperature signal wireless transmitting module with low temperature protection and battery power supply, which transmits the temperature feedback signal of fan blade wirelessly to the closed-loop control system of electric heating temperature; in order to reduce the influence of the weight of wireless transmitting module on the dynamic and static balance of fan rotor system, the quantitative weight-reducing design of installing cover plate, such as reducing thickness and opening, ensures that the center of gravity of fan rotor system is not changed. Quality distribution.

【技术实现步骤摘要】
一种防冰风扇叶片电加热温度闭环控制方法
本专利技术涉及风洞试验领域，具体是涉及一种防冰风扇叶片电加热温度闭环控制方法。
技术介绍
结冰风洞和其它低速风洞一样，动力系统是风洞心脏部位，采用电动机驱动风扇转子旋转模拟气流速度，通过调节电机转速改变试验段风速。结冰风洞动力系统的电动机和风扇转子安装在风扇段，风扇叶片安装在风扇转子轮毂的圆周，位于第二拐角段后。与其它低速风洞不同，结冰风洞风扇段内环境气温最低至-40℃、环境气压低至5kPa、湿度100%。结冰风洞试验过程中，当液态水含量累计到一定程度，高速气流驱动过冷水滴撞击到过冷的风扇叶片表面，迅速在风扇叶片前缘表面结冰。风扇叶片结冰后，型面发生变化，导致风扇电机、风扇转子支撑轴承振动超标。为解决风扇叶片结冰问题，在每支风扇叶片前缘布置电加热单元，通过使风扇叶片加热，利用热力原理，将热量传到风扇叶片表面，破坏冰层和叶片表面之间的黏附应力，在气动力或离心力作用下，达到防冰目的。为实现风扇叶片电加热防冰，必须在风扇段现有条件基础上，设计一种旋转供电装置，在风扇转子轴不便拆卸条件下，将加热电源从地面引到旋转的风扇叶片，解决旋转供电装置结构设计问题，使加热电源从地面稳定、可靠传输到每支风扇叶片；解决旋转供电装置在低温、高湿度环境下的绝缘和安全防护问题；解决旋转供电装置输出到每支叶片线缆布置与安装问题。目前成熟的技术中，导电滑环是最新的旋转供电装置。但是因为结冰风洞现有条件和工作环境的特殊性，风扇转子速度超过600rpm；风扇转子轴不能拆卸；风扇转子与两侧支撑轴承箱轴向间隙不到10cm，在低温、低气压、潮湿环境下，对导电滑环的结构设计、安装固定都存在一系列问题。在结冰风洞试验中，根据试验需求不断改变电机转速、总温、环境气压等参数，风扇叶片防冰功率差别大，在风扇叶片加热单元电阻相对稳定条件下，控制系统必须频繁调节电源电压使风扇叶片温度稳定。由于电源电压必须经过导电滑环才能传递到每支风扇叶片加热单元，低温、低气压、潮湿环境下，频繁调整电压幅值使碳刷与铜环之间容易产生电火花，严重影响设备安全、稳定运行，不利于结冰风洞试验继续开展，因此需要对其进行改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种防冰风扇叶片电加热温度闭环控制方法，使风扇叶片在各种试验条件下不结冰，解决风扇叶片大电流电加热过程中导电滑环定子机构的碳刷与转子机构的铜环表面产生火花问题，温度闭环控制策略问题，风扇叶片温度无线传输问题，确保防冰风扇叶片电加热温度闭环控制系统稳定运行。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种防冰风扇叶片电加热温度闭环控制方法，包括以下步骤：步骤一：依次闭合加热电路，控制导电滑环定子机构的碳刷径向移动，将风扇转子两侧导电滑环的碳刷压在导电滑环转子机构的铜环表面，使加热电源、风扇叶片加热单元形成一个加热回路，选择温度闭环，满足逻辑连锁条件，确认电加热启动，控制系统根据设定温度对风扇叶片加热单元供电加热；步骤二：风扇叶片温度反馈信号经过导线接入安装在风扇转子上的无线发射模块，再经过地面接收模块、转换模块和采集模块，作为温度反馈信号接入温度控制系统；步骤三：温度控制系统根据设定温度和温度反馈绝对差值，实时自动调节加热电源电压输出，通过调节电压控制风扇叶片加热单元电流，从而控制叶片温度变化；所述温度反馈无线发射模块安装在风扇转子，模块采用电池供电，带低温防护，采用无线传输方式与温度控制系统进行单向通信；所述温度闭环控制采用变结构分级控制加热电源输出电压，根据设定温度和温度反馈绝对差值不同台阶对应加热电源的输出电压值，具体为：将设定温度和温度反馈的绝对差值设定为若干台阶，每个台阶对应加热电源一个输出电压；若干绝对差值台阶中，依次从第一台阶到最后一个台阶逐步减小，每个绝对差值台阶对应加热电源的输出电压值逐步减小；温度控制系统根据温度绝对差值控制加热电源输出电压大小。在上述技术方案中，所述加热启动和加热停止分别设置了逻辑连锁，需要满足风扇电机转速、风洞总温、风洞湿度、加热回路绝缘、叶片温度等参数条件方可进行执行。在上述技术方案中，当风扇电机转速≥50rpm、风洞总温≤0℃、加热回路绝缘≥5MΩ、风洞湿度≥90%、叶片温度≤5℃，满足以上条件后加热启动方可执行。在上述技术方案中，当风扇电机转速≤5rpm、风洞总温≥5℃、加热回路绝缘不小于≤1MΩ、叶片温度≥50℃，满足任一条件后加热停止执行。在上述技术方案中，所述变结构分级控制设定分三个台阶：第一台阶设定的温度绝对差值在10℃范围内，对应的电源电压为135VDC，第二台阶设定的温度绝对差值在5℃范围内，对应的电源电压为50VDC，第三台阶设定的温度绝对差值在2℃范围内，对应的电源电压为10VDC。在上述技术方案中，绝对差值台阶数量、温度绝对差值和对应的电源电压值可以根据系统环境的不同进行不同的设置，电源电压可以是直流电压，也可以是交流电压。在上述技术方案中，所述温度无线发射模块包括发射单元、供电电池、金属封装壳，通过低温防护、绝缘处理集成为一个模块，安装在风扇转子变桨距检修盖板上。在上述技术方案中，风扇转子变桨距检修盖板安装温度无线发射模块后，与未安装温度无线发射模块的变桨距检修盖板重量和质心完全一致。在上述技术方案中，降低所述风扇转子变桨距检修盖板降低厚度，并在中心位置切割一个减重孔，所述温度无线发射模块安装在变桨距检修盖板正中央。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术相对于传统技术而言，将发射单元、供电电池等封装在金属壳内，集成为一个温度无线发射模块，通过灌胶、保温、封装、安装板配重设计，解决了发射单元供电、电池低温防护、器件绝缘、旋转体信号传输、转子动静平衡等问题。温度控制系统采用变结构分级控制原理，根据风扇叶片设定温度和温度反馈绝对差值台阶，实时分档控制加热电源电压，通过调节电压控制风扇叶片加热单元电流，解决了温度闭环控制策略问题，解决了低温、低气压、潮湿环境下碳刷与铜环间大电流频繁变化产生火花的问题，延长了碳刷使用寿命，确保防冰风扇叶片电加热温度闭环控制系统稳定运行。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明；图1是控制系统的示意图；图中：1-加热电源进线侧断路器，2-熔断器，3-变压器，4-加热电源，5-导电滑环定子碳刷，6-导电滑环转子铜环，7-风扇叶片，8-风扇叶片加热单元，9-风扇转子，10-变桨距检修盖板，11-温度信号无线发射模块，12-温度信号地面接受转换模块，13-温度控制系统，14-监控计算机。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本实施例主要针对防冰风扇叶片电加热温度闭环控制系统，整个系统中分为两个部分，加热电源部分和风扇叶片温度反馈信号传输部分，现结合实例进行阐述。风扇叶片加热单元8电阻相对稳定，为控制风扇叶片7前缘温度，要么控制风扇叶片加热单元8流过的电流大小，要么控制风扇叶片加热单元通电时间长短。根据欧姆定律，在同一电路中，流过导体的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比，在电阻相对稳定情况下，调节电阻两端供电电压即可调节流过电阻的电流大小。本实施中导电滑环的工作环境特殊，属于低压、低温、潮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种防冰风扇叶片电加热温度闭环控制方法，包括以下步骤：步骤一：依次闭合加热电路，控制导电滑环定子机构的碳刷径向移动，将风扇转子两侧导电滑环的碳刷压在导电滑环转子机构的铜环表面，使加热电源、风扇叶片加热单元形成一个加热回路，选择温度闭环，满足逻辑连锁条件，确认电加热启动，控制系统根据设定温度对风扇叶片加热单元供电加热；步骤二：风扇叶片温度反馈信号经过导线接入安装在风扇转子上的无线发射模块，再经过地面接收模块、转换模块和采集模块，作为温度反馈信号接入温度控制系统；步骤三：温度控制系统根据设定温度和温度反馈绝对差值，实时自动调节加热电源电压输出，通过调节电压控制风扇叶片加热单元电流，从而控制叶片温度变化；其特征在于：所述温度反馈无线发射模块安装在风扇转子，模块采用电池供电，带低温防护，采用无线传输方式与温度控制系统进行单向通信；所述温度闭环控制采用变结构分级控制加热电源输出电压，根据设定温度和温度反馈绝对差值不同台阶对应加热电源的输出电压值，具体为：将设定温度和温度反馈的绝对差值设定为若干台阶，每个台阶对应加热电源一个输出电压；若干绝对差值台阶中，依次从第一台阶到最后一个台阶逐步减小，每个绝对差值台阶对应加热电源的输出电压值逐步减小；温度控制系统根据温度绝对差值控制加热电源输出电压大小。...

【技术特征摘要】
1.一种防冰风扇叶片电加热温度闭环控制方法，包括以下步骤：步骤一：依次闭合加热电路，控制导电滑环定子机构的碳刷径向移动，将风扇转子两侧导电滑环的碳刷压在导电滑环转子机构的铜环表面，使加热电源、风扇叶片加热单元形成一个加热回路，选择温度闭环，满足逻辑连锁条件，确认电加热启动，控制系统根据设定温度对风扇叶片加热单元供电加热；步骤二：风扇叶片温度反馈信号经过导线接入安装在风扇转子上的无线发射模块，再经过地面接收模块、转换模块和采集模块，作为温度反馈信号接入温度控制系统；步骤三：温度控制系统根据设定温度和温度反馈绝对差值，实时自动调节加热电源电压输出，通过调节电压控制风扇叶片加热单元电流，从而控制叶片温度变化；其特征在于：所述温度反馈无线发射模块安装在风扇转子，模块采用电池供电，带低温防护，采用无线传输方式与温度控制系统进行单向通信；所述温度闭环控制采用变结构分级控制加热电源输出电压，根据设定温度和温度反馈绝对差值不同台阶对应加热电源的输出电压值，具体为：将设定温度和温度反馈的绝对差值设定为若干台阶，每个台阶对应加热电源一个输出电压；若干绝对差值台阶中，依次从第一台阶到最后一个台阶逐步减小，每个绝对差值台阶对应加热电源的输出电压值逐步减小；温度控制系统根据温度绝对差值控制加热电源输出电压大小。2.根据权利要求1所述的一种防冰风扇叶片电加热温度闭环控制方法，其特征在于：所述加热启动和加热停止分别设置了逻辑连锁，需要满足风扇电机转速、风洞总温、风洞湿度、加热回路绝缘、叶片温度等参数条件方可进行执行。3.根据权利要求2所述的一种防冰风扇叶片电加热温度闭环控制方法，其特征在于：当风扇电机转速≥...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊建军，倪章松，郭龙，马军，王茂，张平涛，赵照，何苗，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51