郭 巍, 盧建華, 戴洪德

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系,山東 煙臺 264001)

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艦載機電網(wǎng)諧波檢測硬件系統(tǒng)設(shè)計研究

郭 巍, 盧建華, 戴洪德

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系,山東 煙臺 264001)

針對如何縮短艦載機起飛準(zhǔn)備時間、提高飛機的出動強度并大幅減少維修工作量的問題,研制了通用的維修檢測設(shè)備,同時解決了原有的維修檢測設(shè)備不適合在航母上檢測型號各異的艦載機的問題。發(fā)揮艦載機各項能力的基礎(chǔ)是艦載機的供電質(zhì)量。隨著艦載機用電非線性負載的不斷增加,艦載機電網(wǎng)中的諧波畸變問題日趨嚴重。本文介紹了一套通用型艦載機電網(wǎng)諧波檢測裝置的硬件系統(tǒng)。

檢測系統(tǒng); 電網(wǎng)諧波; 硬件設(shè)計; 供電質(zhì)量

1 引 言

艦載機機型多,任務(wù)各異。艦載機用途的多元化,導(dǎo)致航空用電設(shè)備的類型和數(shù)量不斷增多,對艦載機的電能質(zhì)量和供電能力的要求越來越高;在理想的情況下,電壓波形是周期性標(biāo)準(zhǔn)正弦波;而這種趨勢尤其是供電設(shè)備大量的非線性負載特性及交流電壓調(diào)制等因素的影響,加劇了艦載機電網(wǎng)的諧波污染,實際的交流電壓中不僅包括基波分量還包括諧波分量[1],其中諧波分量包括整數(shù)次諧波分量和非整數(shù)次諧波分量,持續(xù)降低了飛機的供電質(zhì)量。這個矛盾限制了航空用電設(shè)備的性能,縮短了航空用電設(shè)備的使用壽命,并影響了艦載機的飛行安全。如何最大限度地減小諧波的危害,成為我們亟待解決的問題。而解決這個問題首先需要實時而精確地分析諧波的成分、幅值和相位;然后,在此基礎(chǔ)上研制一套通用的艦載機電網(wǎng)諧波檢測裝置,為艦載機一體化自主式保障奠定基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

諧波檢測的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確檢測出諧波的頻率、幅值等屬性,但是由于電網(wǎng)諧波具有固有非線性、隨機性、分布性、非平穩(wěn)性和影響因素的復(fù)雜性等特征,給諧波的檢測帶來極大困難。常用的諧波檢測方法主要有傳統(tǒng)的基于陷波器或帶通濾波器的檢測方法、基于Fryze時域功率定義的檢測方法、基于快速傅立葉變換的檢測方法、基于三相電路瞬時無功功率理論的檢測方法、基于同步測定的檢測方法、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測方法、基于小波變換的檢測方法等等[2-7]。這些檢測方法各有其優(yōu)缺點,適用于不同的場合和系統(tǒng)。如何采用適當(dāng)?shù)挠布O(shè)備來適應(yīng)不同類型艦載機電網(wǎng)檢測,是我們需要研究的問題。

現(xiàn)行的諧波測量技術(shù)主要分兩大類:(1)以DSP等為核心的微處理器單板測量分析系統(tǒng),這種系統(tǒng)體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,但是功能單一;(2)以計算機加數(shù)據(jù)采集卡為核心的測量分析系統(tǒng),該類系統(tǒng)能夠滿足實時性、多參數(shù)測試、海量數(shù)據(jù)處理的要求?，F(xiàn)有的電源及綜合測試設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜,設(shè)備昂貴;而且占用的場地大,往往機務(wù)部隊無法保證,通常是交付修理廠或倉庫閑置。此外,現(xiàn)有測試設(shè)備在沿海地區(qū)故障頻發(fā),維護和維修困難,有些成為需要機務(wù)部隊維護的裝設(shè)備。如何利用現(xiàn)有的硬件和軟件技術(shù),設(shè)計一型使用方便、價格低廉、維修更換簡單、抗頻率偏差及電壓波動影響等干擾的能力強、算法精度和速度滿足要求的諧波檢測設(shè)備,成為我們需要解決的問題。

3 研究思路

按照國軍標(biāo)的要求,重點針對波形分析、調(diào)制、動態(tài)等指標(biāo)的測試進行研究,建立一套基于數(shù)據(jù)采集的計算機測試程序模塊,完成數(shù)據(jù)采集方式和參數(shù)計算方法建立,測試分析程序編寫,程序的調(diào)試、現(xiàn)場測試及準(zhǔn)確度驗證等工作。測試系統(tǒng)硬件采用系統(tǒng)集成方式,傳感器、信號調(diào)理板、數(shù)據(jù)采集器等硬件均采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。數(shù)據(jù)采樣程序采用數(shù)據(jù)采集器附帶的采集程序模塊。全部程序均采用模塊化結(jié)構(gòu)編寫,分項指標(biāo)的檢測自成模塊,即可獨立使用,又可連接為一體,便于擴展或接入未來的艦載機一體化自主式保障系統(tǒng)。

4 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

本文研制的自動化測試設(shè)備采用基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的虛擬儀器總體方案,硬件系統(tǒng)由計算機及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、負載和負載控制等部分組成,計算機極其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個硬件系統(tǒng)的核心。本章主要介紹計算機及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計,分別介紹了基于PC機的計算機系統(tǒng)的設(shè)計和用于電氣參數(shù)檢測、信號調(diào)理、負載控制等功能的測試控制箱設(shè)計。前者主要是工控機和板卡的選型和具體應(yīng)用(如:數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字量I/O卡等),后者包括檢測電路設(shè)計、調(diào)理電路設(shè)計、電源電路和開關(guān)量放大電路的設(shè)計等。限于篇幅,本文只介紹部分核心硬件的設(shè)計方法。

4.1 模擬量采集模塊PCL-818L

數(shù)據(jù)采集裝置的好壞,主要取決于它的測試精度和采樣速度,在保證精度的前提下,應(yīng)有盡可能高的采樣速度,還要有足夠的抗干擾能力。

本文選用了PCL-818L數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)對工作電壓、正常信號、閉鎖控制信號、高度脈沖幅度、計數(shù)脈沖幅度等的采樣。PCL-818L是研華公司生產(chǎn)的適用于IBM PC/XT/AT及其兼容機的高性能、多功能數(shù)據(jù)采集模塊,具有A/D、D/A、數(shù)字量輸入輸出、計數(shù)/定時功能,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 PCL-818L結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 PCL-818L structure chart

4.2 電壓檢測轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

電壓檢測采用磁平衡式HL電壓傳感器進行,電路原理如圖2所示。被測電源電壓信號經(jīng)熔斷器、繼電器接點、限流電阻接入HL傳感器輸入端,經(jīng)過HL傳感器隔離變換,輸出0～10 mA的電流信號,經(jīng)過HL傳感器輸出端電阻變?yōu)椤?0 V范圍內(nèi)的電壓信號,再經(jīng)過RC濾波輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路。

圖2 電壓檢測轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.2 The voltage detect transition circuit principle chart

本文研制的測試設(shè)備,交流電壓量程0～500 V,測量能兼顧單/三相系統(tǒng),對于三相系統(tǒng),相電壓和線電壓均能測試。為在全量程范圍內(nèi)均能保證測試精度,將測量全程分為兩段,0～150 V為一段,150 V～500 V為另一段,通過HL元件前端繼電器控制HL文件輸入所接限流電阻的阻值,使得在不同的量程下,流入HL文件的電流基本相等,輸出電流能夠限制在10 mA范圍內(nèi),輸出端電阻不變,輸出電壓信號不變。不同的限流電阻值對應(yīng)不同的電壓通道系數(shù)實行量程切換。

圖2中,繼電器K1、K2、K3吸合,測試設(shè)備選擇高電壓量程;K4、K5、K6吸合,測試設(shè)備選擇低電壓量程。線電壓/相電壓測試選擇由繼電器K7、K8、K9完成,斷開狀態(tài)通過常閉接點接成成Y形,測量相電壓;吸合狀態(tài),通過常開接點接成△形,測量線電壓。由于輸入限流電阻接在主回路高壓側(cè),測試過程中有一定功耗,引起電阻發(fā)熱,因此,必須選擇低溫漂精密電阻才能保證測量精度。

4.3 電流檢測轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

電流檢測采用磁平衡式HL電流傳感器進行,原理電路如圖3所示。由于被測電源的電流可能很大,電流輸出電纜和傳感器體積都可能較大,無法安裝在測控箱內(nèi),通常傳感器安裝在電源輸出端或負載控制開關(guān)柜內(nèi)。測控箱內(nèi)只安裝傳感器后級處理電路,由于測控箱與傳感器之間有一定距離,為保證測量信號的準(zhǔn)確傳遞,電流檢測信號采用電流環(huán)傳輸,HL傳感器輸出電流信號不做就地處理,而是傳遞到測控箱內(nèi),經(jīng)過電阻變化,變?yōu)椤?0V的電壓信號,再經(jīng)過RC濾波,輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路。

圖3 電流檢測轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.3The electricity detect transition circuit principle chart

交流電流檢測量程為500A,為在全量程范圍內(nèi)保證精度,將測量全程分為三段,0～5A,5～50A,50～500A。量程切換的實現(xiàn)通過HL電流傳感器輸出側(cè)電阻切換完成,圖3中,傳感器分為高中低檔位三種,輸出側(cè)電阻位于切換繼電器前端,與傳感器輸出端固定聯(lián)結(jié),以避免繼電器切換過程中電流傳感器輸出開路。三路電阻阻值均與各自量程傳感器的輸出電流相適應(yīng),使得經(jīng)電阻變換后,電壓信號均在±10V之內(nèi)。量程選擇開關(guān)位于采樣電阻之后,通過選擇不同的開關(guān)接通,使相應(yīng)傳感器輸出信號接到輸出端實現(xiàn)量程選擇控制。為避免出現(xiàn)誤動作,使兩組及以上開關(guān)同時接通,損失傳感器和信號電路,三組繼電器線圈之間設(shè)有互鎖電路,保證了量程選擇的唯一性。

4.4 繼電器電路的設(shè)計

繼電器電路完成將PC機送出的負載控制開關(guān)量信號和量程轉(zhuǎn)換開關(guān)量信號隔離、放大、驅(qū)動下一級功率開關(guān)的功能。圖4為電壓量程轉(zhuǎn)換控制繼電器原理圖。根據(jù)完成功能的不同,繼電器規(guī)格選擇分為兩類,量程轉(zhuǎn)換控制繼電器融點容量220V/1A,負載控制繼電器220V/5A,線圈電壓均為DC12V。線圈控制采用放大器集成芯片UA4123,該芯片輸入為TTL電平,輸出為集電極開路輸出方式,驅(qū)動能力0.5A,并且輸出端接有反并聯(lián)二極管,可為繼電器關(guān)斷時線圈放電提供通路。

圖4 繼電器電路原理圖Fig.4 The relay circuit principle chart

為防止開關(guān)誤動作,在圖4中U1的1、2和3管腳前級接有RC濾波電路,濾除PC機送出的開關(guān)量信號經(jīng)電纜傳輸后可能引入的干擾,此外,繼電器線圈回路接有發(fā)光二極管,線圈通電同時點亮,指示繼電器動作狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文研制出一臺以工控機為核心的電源自動化測試設(shè)備樣機,已投入現(xiàn)場試用。測試結(jié)果證明具有高速度、高效率、多功能、易操作等優(yōu)點,大大提高了電源測試的自動化程度。

通過對整個系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā),得出如下結(jié)論:

(1) 研制的設(shè)備采用虛擬儀器的設(shè)計思想,以PC工控機為核心,基于數(shù)據(jù)采集、分析實現(xiàn)電源電氣參數(shù)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)測試和波形分析,具有體積小、速度快、效率高、智能化等特點,完全能夠滿足相關(guān)國軍標(biāo)和現(xiàn)場測試要求。

(2) 設(shè)備硬件系統(tǒng)采用了PC工控機作為核心,擴展通用的A/D采集卡和I/O控制卡,檢測、控制、調(diào)理和輔助電路配置在一臺機箱中,不但使硬件系統(tǒng)具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和較復(fù)雜的控制管理功能,而且具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、抗干擾性能良好的優(yōu)點。

[1] 鄭先成,張曉斌,雷濤.飛機供電系統(tǒng)交流電壓畸變測試方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,38(10):1751-1753.

ZHENG Xiancheng,ZHANG Xiaobin,LEI tao.Research on the plane power supply AC voltage aberration test[J].Ha er bin technical university transaction,2006,38(10):1751-1753.

[2] ZHENG Xiancheng,ZHANG Xiaobin,LEI Tao.Measurement method for AC voltage distortion of aircraft power system[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2006,38(10): 1751-1753.[3] 龍軍,劉俊杰,王冠南,等.基于小波變換的電力系統(tǒng)諧波檢測抗混疊問題研究[J],電氣開關(guān),2012,(5):22-24.

LONG Jun,LIU Junjie,WANG Guannan,et al.Electric power system harmonic test anticonfuse problem research based on microwave transformation[J],electrical switch,2012,(5):22-24.

[4] 李國勇.智能預(yù)測控制及其MATLAB實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社.2010.

LI Guoyong,Intellegent forecast control and its MATLAB implement[M].Bei Jing:Electronical industrial press,2010.

[5] Phillip E.Allen,Douglas R.Holberg.CMOS模擬集成電路設(shè)計[M],北京:電子工業(yè)出版社,2005.

Phillip E.Allen,Douglas R.Holberg.CMOS stimulant molectron design[M],Bei Jing:Electronical industrial press,2005.

[6] 吉艷平,危韌勇.基于小波變換的電力諧波[D].長沙:中南大學(xué),2007.

JI Yanping,WEI Renyong.Electrical power harmonic based microwave transformation[D].Chang Sha:Central South University,2007.

[7] LabWindows/CVI Programmer Reference Manual[M].National Instruments Corporation,2000.

Research of Carrier Plane Electricity Net Harmonic Test Hardware System Design

GUO Wei, LU Jianhua, DAI Hongde

(Department of Control Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China)

Aiming at the problem about how to condense the set-up time of carrier plane,how to improve palne’s calling out and reduce the maintainance time,a common test equipment for maintaining is developed.However,the intrinsic equipment cannot solve the problem.The basis of the carrier plane’s ability is power supply quality.As the nonlinear load power increasing,the harmonic distortion problem in power system is serious.So a universal carrier plane electricity power harmonic test hardware is investigated.

test system; power harmonics ;hardware design ; power supply quality

郭 巍 男(1981-),山西長治人,講師,博士,主要研究方向為飛機電氣控制、飛行控制與檢測。

盧建華 男(1970-),江蘇南通人,副教授,碩士,主要研究方向為飛機電源與電氣控制,飛機檢測。

TN 919.5

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3 文獻標(biāo)識碼：A