舰载机电网谐波检测硬件系统设计研究

郭 巍, 卢建华, 戴洪德

(海军航空工程学院 控制工程系,山东 烟台 264001)



舰载机电网谐波检测硬件系统设计研究

郭 巍, 卢建华, 戴洪德

(海军航空工程学院 控制工程系,山东 烟台 264001)

针对如何缩短舰载机起飞准备时间、提高飞机的出动强度并大幅减少维修工作量的问题,研制了通用的维修检测设备,同时解决了原有的维修检测设备不适合在航母上检测型号各异的舰载机的问题。发挥舰载机各项能力的基础是舰载机的供电质量。随着舰载机用电非线性负载的不断增加,舰载机电网中的谐波畸变问题日趋严重。本文介绍了一套通用型舰载机电网谐波检测装置的硬件系统。

检测系统; 电网谐波; 硬件设计; 供电质量

1 引 言

舰载机机型多,任务各异。舰载机用途的多元化,导致航空用电设备的类型和数量不断增多,对舰载机的电能质量和供电能力的要求越来越高;在理想的情况下,电压波形是周期性标准正弦波;而这种趋势尤其是供电设备大量的非线性负载特性及交流电压调制等因素的影响,加剧了舰载机电网的谐波污染,实际的交流电压中不仅包括基波分量还包括谐波分量[1],其中谐波分量包括整数次谐波分量和非整数次谐波分量,持续降低了飞机的供电质量。这个矛盾限制了航空用电设备的性能,缩短了航空用电设备的使用寿命,并影响了舰载机的飞行安全。如何最大限度地减小谐波的危害,成为我们亟待解决的问题。而解决这个问题首先需要实时而精确地分析谐波的成分、幅值和相位;然后,在此基础上研制一套通用的舰载机电网谐波检测装置,为舰载机一体化自主式保障奠定基础。

2 现状及发展趋势

谐波检测的关键在于准确检测出谐波的频率、幅值等属性,但是由于电网谐波具有固有非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征,给谐波的检测带来极大困难。常用的谐波检测方法主要有传统的基于陷波器或带通滤波器的检测方法、基于Fryze时域功率定义的检测方法、基于快速傅立叶变换的检测方法、基于三相电路瞬时无功功率理论的检测方法、基于同步测定的检测方法、基于BP神经网络的检测方法、基于小波变换的检测方法等等[2-7]。这些检测方法各有其优缺点,适用于不同的场合和系统。如何采用适当的硬件设备来适应不同类型舰载机电网检测,是我们需要研究的问题。

现行的谐波测量技术主要分两大类:(1)以DSP等为核心的微处理器单板测量分析系统,这种系统体积小,结构紧凑,但是功能单一;(2)以计算机加数据采集卡为核心的测量分析系统,该类系统能够满足实时性、多参数测试、海量数据处理的要求。现有的电源及综合测试设备构造复杂,设备昂贵;而且占用的场地大,往往机务部队无法保证,通常是交付修理厂或仓库闲置。此外,现有测试设备在沿海地区故障频发,维护和维修困难,有些成为需要机务部队维护的装设备。如何利用现有的硬件和软件技术,设计一型使用方便、价格低廉、维修更换简单、抗频率偏差及电压波动影响等干扰的能力强、算法精度和速度满足要求的谐波检测设备,成为我们需要解决的问题。

3 研究思路

按照国军标的要求,重点针对波形分析、调制、动态等指标的测试进行研究,建立一套基于数据采集的计算机测试程序模块,完成数据采集方式和参数计算方法建立,测试分析程序编写,程序的调试、现场测试及准确度验证等工作。测试系统硬件采用系统集成方式,传感器、信号调理板、数据采集器等硬件均采用标准产品。数据采样程序采用数据采集器附带的采集程序模块。全部程序均采用模块化结构编写,分项指标的检测自成模块,即可独立使用,又可连接为一体,便于扩展或接入未来的舰载机一体化自主式保障系统。

4 硬件系统的设计

本文研制的自动化测试设备采用基于数据采集系统的虚拟仪器总体方案,硬件系统由计算机及其数据采集系统、负载和负载控制等部分组成,计算机极其数据采集系统是整个硬件系统的核心。本章主要介绍计算机及其数据采集系统的设计,分别介绍了基于PC机的计算机系统的设计和用于电气参数检测、信号调理、负载控制等功能的测试控制箱设计。前者主要是工控机和板卡的选型和具体应用(如:数据采集卡、数字量I/O卡等),后者包括检测电路设计、调理电路设计、电源电路和开关量放大电路的设计等。限于篇幅,本文只介绍部分核心硬件的设计方法。

4.1 模拟量采集模块PCL-818L

数据采集装置的好坏,主要取决于它的测试精度和采样速度,在保证精度的前提下,应有尽可能高的采样速度,还要有足够的抗干扰能力。

本文选用了PCL-818L数据采集模块实现对工作电压、正常信号、闭锁控制信号、高度脉冲幅度、计数脉冲幅度等的采样。PCL-818L是研华公司生产的适用于IBM PC/XT/AT及其兼容机的高性能、多功能数据采集模块,具有A/D、D/A、数字量输入输出、计数/定时功能,其结构框图如图1所示。

图1 PCL-818L结构框图Fig.1 PCL-818L structure chart

4.2 电压检测转换电路的设计

电压检测采用磁平衡式HL电压传感器进行,电路原理如图2所示。被测电源电压信号经熔断器、继电器接点、限流电阻接入HL传感器输入端,经过HL传感器隔离变换,输出0～10 mA的电流信号,经过HL传感器输出端电阻变为±10 V范围内的电压信号,再经过RC滤波输出到A/D转换电路。

图2 电压检测转换电路原理图Fig.2 The voltage detect transition circuit principle chart

本文研制的测试设备,交流电压量程0～500 V,测量能兼顾单/三相系统,对于三相系统,相电压和线电压均能测试。为在全量程范围内均能保证测试精度,将测量全程分为两段,0～150 V为一段,150 V～500 V为另一段,通过HL元件前端继电器控制HL文件输入所接限流电阻的阻值,使得在不同的量程下,流入HL文件的电流基本相等,输出电流能够限制在10 mA范围内,输出端电阻不变,输出电压信号不变。不同的限流电阻值对应不同的电压通道系数实行量程切换。

图2中,继电器K1、K2、K3吸合,测试设备选择高电压量程;K4、K5、K6吸合,测试设备选择低电压量程。线电压/相电压测试选择由继电器K7、K8、K9完成,断开状态通过常闭接点接成成Y形,测量相电压;吸合状态,通过常开接点接成△形,测量线电压。由于输入限流电阻接在主回路高压侧,测试过程中有一定功耗,引起电阻发热,因此,必须选择低温漂精密电阻才能保证测量精度。

4.3 电流检测转换电路的设计

电流检测采用磁平衡式HL电流传感器进行,原理电路如图3所示。由于被测电源的电流可能很大,电流输出电缆和传感器体积都可能较大,无法安装在测控箱内,通常传感器安装在电源输出端或负载控制开关柜内。测控箱内只安装传感器后级处理电路,由于测控箱与传感器之间有一定距离,为保证测量信号的准确传递,电流检测信号采用电流环传输,HL传感器输出电流信号不做就地处理,而是传递到测控箱内,经过电阻变化,变为±10V的电压信号,再经过RC滤波,输出到A/D转换电路。

图3 电流检测转换电路原理图Fig.3The electricity detect transition circuit principle chart

交流电流检测量程为500A,为在全量程范围内保证精度,将测量全程分为三段,0～5A,5～50A,50～500A。量程切换的实现通过HL电流传感器输出侧电阻切换完成,图3中,传感器分为高中低档位三种,输出侧电阻位于切换继电器前端,与传感器输出端固定联结,以避免继电器切换过程中电流传感器输出开路。三路电阻阻值均与各自量程传感器的输出电流相适应,使得经电阻变换后,电压信号均在±10V之内。量程选择开关位于采样电阻之后,通过选择不同的开关接通,使相应传感器输出信号接到输出端实现量程选择控制。为避免出现误动作,使两组及以上开关同时接通,损失传感器和信号电路,三组继电器线圈之间设有互锁电路,保证了量程选择的唯一性。

4.4 继电器电路的设计

继电器电路完成将PC机送出的负载控制开关量信号和量程转换开关量信号隔离、放大、驱动下一级功率开关的功能。图4为电压量程转换控制继电器原理图。根据完成功能的不同,继电器规格选择分为两类,量程转换控制继电器融点容量220V/1A,负载控制继电器220V/5A,线圈电压均为DC12V。线圈控制采用放大器集成芯片UA4123,该芯片输入为TTL电平,输出为集电极开路输出方式,驱动能力0.5A,并且输出端接有反并联二极管,可为继电器关断时线圈放电提供通路。

图4 继电器电路原理图Fig.4 The relay circuit principle chart

为防止开关误动作,在图4中U1的1、2和3管脚前级接有RC滤波电路,滤除PC机送出的开关量信号经电缆传输后可能引入的干扰,此外,继电器线圈回路接有发光二极管,线圈通电同时点亮,指示继电器动作状态。

5 结束语

本文研制出一台以工控机为核心的电源自动化测试设备样机,已投入现场试用。测试结果证明具有高速度、高效率、多功能、易操作等优点,大大提高了电源测试的自动化程度。

通过对整个系统的设计和开发,得出如下结论:

(1) 研制的设备采用虚拟仪器的设计思想,以PC工控机为核心,基于数据采集、分析实现电源电气参数的稳态、动态测试和波形分析,具有体积小、速度快、效率高、智能化等特点,完全能够满足相关国军标和现场测试要求。

(2) 设备硬件系统采用了PC工控机作为核心,扩展通用的A/D采集卡和I/O控制卡,检测、控制、调理和辅助电路配置在一台机箱中,不但使硬件系统具有强大的数据处理能力和较复杂的控制管理功能,而且具有结构简单、技术成熟、抗干扰性能良好的优点。

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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-),山西长治人,讲师,博士,主要研究方向为飞机电气控制、飞行控制与检测。

卢建华 男(1970-),江苏南通人,副教授,硕士,主要研究方向为飞机电源与电气控制,飞机检测。

TN 919.5

A

3 文献标识码：A