改造者:權(quán)震華
基于sbRIO的直流發(fā)電機(jī)電性能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)
改造者:權(quán)震華
本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范,結(jié)合項(xiàng)目要求,首先提出了對(duì)直流發(fā)電機(jī)的檢測(cè)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法,然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件,設(shè)計(jì)了以NI公司的sbRIO為核心控制處理器的直流發(fā)電機(jī)電性能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要包括交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的動(dòng)力模塊;以sbRIO為 核心控制與功率分析模塊;負(fù)載模塊以及以電壓、電流變送器的參數(shù)采集模塊。應(yīng)用圖形化編程工具LabVIEW,開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)采集、分析和處理程序。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、sbRIO硬件資源,以及圖形化編程工具LabVIEW,實(shí)現(xiàn)對(duì)直流發(fā)電參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)和判斷,具有控制精度高、實(shí)時(shí)檢測(cè)、檢測(cè)結(jié)果顯示直觀(guān)、易于操作等特點(diǎn)。最后應(yīng)用設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng),將模擬實(shí)際環(huán)境中的自然風(fēng),作為控制信號(hào),模擬小型風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)行,對(duì)小型直流發(fā)電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩,以及輸入和輸出功率進(jìn)行檢測(cè),分析了它的輸出特性,檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求,具有一定的實(shí)用價(jià)值。
隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,人類(lèi)對(duì)能源的需求越來(lái)越大,而地球上傳統(tǒng)能源如石油、煤炭、天然氣等儲(chǔ)存量非常有限且不可再生。使用傳統(tǒng)能源時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有害物質(zhì)以及粉塵,使得溫室效應(yīng),極寒、極熱等極端天氣不斷出現(xiàn),特別是一些城市霧霾現(xiàn)象不斷出現(xiàn),這些都嚴(yán)重危害到人們的生產(chǎn)和生活。風(fēng)能作為一種可再生能源,不僅清潔無(wú)污染且我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大,實(shí)際可開(kāi)發(fā)量達(dá)到2.5億kw,對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)、利用,是緩解能源危機(jī)、治理環(huán)境污染的有效途徑。
風(fēng)力發(fā)電機(jī),是將自然界風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的有效工具,一些發(fā)達(dá)國(guó)家在風(fēng)能發(fā)電機(jī)方面取得了很大突破。我國(guó)高度重視對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā),計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)裝機(jī)容量3000到4000萬(wàn)kw。目前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)水平較低,其中一個(gè)重要原因是缺乏對(duì)生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試的高性能綜合測(cè)試平臺(tái),不能全面和準(zhǔn)確對(duì)生產(chǎn)發(fā)電機(jī)性能進(jìn)行檢測(cè),尤其是對(duì)風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)的測(cè)試的綜合測(cè)試平臺(tái)。
小型直流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),具有運(yùn)行方式比較簡(jiǎn)單,易于安裝,用于遠(yuǎn)離電力網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū),以及用戶(hù)分散、負(fù)荷輕的村落或交通不便的孤立海島。這些地方交通不便,如果出現(xiàn)故障維護(hù)相當(dāng)麻煩,必須保證系統(tǒng)的可靠性,對(duì)小型直流發(fā)電機(jī)全面檢測(cè),選擇性能穩(wěn)定的直流發(fā)電,來(lái)提高小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定最重要的途徑。
本文設(shè)計(jì)一套專(zhuān)用于永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)電性能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)。由于風(fēng)本身具有隨機(jī)性,不可能將廠(chǎng)家生產(chǎn)的所有的永磁風(fēng)力直流發(fā)電放在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試,設(shè)計(jì)一套能夠不依賴(lài)實(shí)際風(fēng)場(chǎng),隨時(shí)能夠在模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)下對(duì)永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試系統(tǒng)。用于判斷永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)性能好壞,對(duì)于提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要,同時(shí)為研究風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)提供參考數(shù)據(jù)。
檢測(cè)系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、交流伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、變送器、負(fù)載、電源,以及同時(shí)承擔(dān)控制和數(shù)據(jù)采集任務(wù)的NI sbRIO控制采集卡。永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
要實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè),就必須根據(jù)需要檢測(cè)的參數(shù),以及檢測(cè)這些參數(shù)需要做的試驗(yàn)項(xiàng)目,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求,確定檢測(cè)系統(tǒng)方案中各個(gè)部分的型號(hào),各模塊之間的連接方式、通信方式,以及各個(gè)模塊正常工作需要提供的電源大小等等。
sbRIO的確定
根據(jù)永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)檢測(cè)參數(shù)和需要以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10760.1-2003有關(guān)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)檢測(cè)儀器中對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的規(guī)定:
通道數(shù):3~16(根據(jù)所檢測(cè)參數(shù)而定);
采樣時(shí)間:0.1s,0.5s,1s;
平均時(shí)間:5s,10s.360s,3600s;
儲(chǔ)存時(shí)間:全通道使用、最高分辨率情況下,不小于1500h。
確定NI公司的Single-Board RIO系列產(chǎn)品中的sbRIO-9623可重新配置的嵌入式控制和采集系統(tǒng),負(fù)責(zé)交流伺服電機(jī)的控制,以及數(shù)據(jù)的采集和處理。
Single-Board RIO可重新配置的嵌入式控制和采集系統(tǒng),在一塊板卡上集成了一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)處理器、一塊高性能FPGA芯片,以及板載模擬與數(shù)字I/O接口。sbRIO-9623它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
sbRIO-9623的主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 sbRIO-9623參數(shù)表
圖1 永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖
其他模塊的確定
確定動(dòng)力模塊的電動(dòng)機(jī)為松下MHMD042G1V交流伺服電機(jī);檢測(cè)系統(tǒng)電機(jī)選擇了松下MHMD042G1V交流伺服電機(jī), 本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)下永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出電壓、電流進(jìn)行檢測(cè),其中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)sbRIO-9623與驅(qū)動(dòng)器之間的通信進(jìn)行采集,輸出電壓和電流,不一定是sbRIO-9623能夠接收的0~5V的模擬電壓信號(hào),所以不能直接傳送給sbRIO-9623的模擬I/O口,中間必須經(jīng)過(guò)變送器,將永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流轉(zhuǎn)化為0~5V的電壓模擬信號(hào)。系統(tǒng)分別選用了一個(gè)電壓變送器和一個(gè)電流變送器,將永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流變送到sbRIO-9623能夠接收的范圍。
根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)力裝置、驅(qū)動(dòng)器、控制采集系統(tǒng),變送器的確定,除了需要接入220V的交流電源外,還需要單獨(dú)的直流電源, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)室條件,確定了兩臺(tái)直流穩(wěn)壓電源作為系統(tǒng)的電源,負(fù)載與動(dòng)力裝置共同將待測(cè)永磁風(fēng)力直流發(fā)電機(jī),調(diào)節(jié)到各種檢測(cè)需要的運(yùn)行狀態(tài),最基本的要求就是負(fù)載的可調(diào)。
當(dāng)需要對(duì)直流發(fā)電的外特性進(jìn)行測(cè)試時(shí),把滑動(dòng)變阻器直接接到直流發(fā)電機(jī)的外電路,并改變接入電路阻值的大小。
圖2 sbRIO-9623系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖3 系統(tǒng)軟件的整體規(guī)劃示意圖
軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用LabVIEW軟件對(duì) NI sbRIO-9623進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā),通過(guò)RT模塊產(chǎn)生控制信號(hào),控制交流伺服電機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行,為檢測(cè)準(zhǔn)備條件;同時(shí)通過(guò)FPGA模塊對(duì)發(fā)電機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等模擬信號(hào)實(shí)時(shí)采集,并將采集信號(hào)傳送給RT模塊進(jìn)行分析計(jì)算,將RT模塊的處理結(jié)果,在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示和記錄。
針對(duì)設(shè)計(jì)的參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),系統(tǒng)軟件主要的任務(wù)包括以下功能。
(1)檢測(cè)系統(tǒng)的精確控制:通過(guò)軟件程序設(shè)計(jì),精確控制系統(tǒng)硬件,使直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行在需要檢測(cè)狀態(tài),并控制各個(gè)模塊之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。完成對(duì)直流發(fā)電機(jī)參數(shù)檢測(cè)和分析。
(2)數(shù)據(jù)的記錄與處理:主要對(duì)直流發(fā)電機(jī)的各檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行記錄,以便用戶(hù)按照自己的需求進(jìn)行查詢(xún)和調(diào)用。
(3)提供良好的人機(jī)交互界面,簡(jiǎn)單、操作方便的界面是軟件必不可少的。
首先將系統(tǒng)軟件劃分為各個(gè)功能模塊如:過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)配置、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等,再將這些模塊具體化為更小的模塊。這樣,不僅保證了設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)清晰、便于維護(hù),也有利于功能的全面化,防止運(yùn)行出現(xiàn)混亂。系統(tǒng)軟件的整體規(guī)劃示意圖如圖3所。
整個(gè)軟件系統(tǒng)大體分為三層:上層是上位機(jī)顯示層;中層是RT實(shí)時(shí)控制層;下層是FPGA信號(hào)采集、輸出端口配置、以及控制信號(hào)輸出層。
上層是上位機(jī)顯示層,利用PC機(jī)為顯示平臺(tái),通過(guò)以太網(wǎng)與sbRIO控制器通信,主要實(shí)現(xiàn)初始化參數(shù)的設(shè)定和發(fā)電機(jī)性能參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)。
中層是RT實(shí)時(shí)控制層,接收來(lái)自上位機(jī)的初始化參數(shù),并把控制參數(shù)傳遞給FPGA模塊,控制伺服電機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行;同時(shí)接收來(lái)自FPGA采集的發(fā)電機(jī)參數(shù),通過(guò)分析、運(yùn)算,將結(jié)果傳遞給上位機(jī)模塊。
下層是FPGA信號(hào)采集、輸出端口配置層、以及控制信號(hào)輸出層。依靠sbRIO的I/O口,實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸出,根據(jù)外部設(shè)備的參數(shù)類(lèi)型,配置采集參數(shù)類(lèi)型,對(duì)發(fā)電機(jī)的參數(shù)采集,并傳給RT模塊。
研究表明發(fā)電機(jī)檢測(cè)的噪聲主要是均勻白噪聲和高斯白噪聲,為了比較小波變換和小波包變換兩種噪聲抑制方法的效果,采用Matlab仿真正弦信號(hào),并疊加高斯白噪聲,分別采用小波變換和小波包變換,進(jìn)行噪聲抑制運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。
從上圖可以看出,在選用相同小波基函數(shù)和消噪層數(shù)的前提下,小波包變換消噪效果更好。所以采用小波包變化抑制噪聲。論文文應(yīng)用LabVIEW編程語(yǔ)言對(duì)NI的sbRIO-9623進(jìn)行程序設(shè)計(jì),在編寫(xiě)LabVIEW程序時(shí)可以嵌入其它程序,如C、C++、Matlab程序,為了操作者的方便快捷,本文選用LabVIEW+Matlab混合編程的方法實(shí)現(xiàn)與噪聲的抑制,這樣操作者就只需要在LabVIEW程序里,就完成了噪聲的消除
應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)先o型風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè):首先是把模擬實(shí)際風(fēng)的仿真數(shù)據(jù)作為控制伺服電機(jī)的輸入信號(hào),讓交流伺服電機(jī)帶動(dòng)小型風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)行,然后檢測(cè)小型風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號(hào),計(jì)算它的輸入、輸出。并繪制電壓、電流、輸入功率,以及輸出功率曲線(xiàn)。
本文主要就如下兩種組合風(fēng)作為控制信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試:一是應(yīng)用對(duì)陣風(fēng)與基本風(fēng)的組合風(fēng)仿真結(jié)果;二是應(yīng)用陣風(fēng)、基本風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)的組合風(fēng)(即自然風(fēng))仿真結(jié)果。
首先,應(yīng)用對(duì)陣風(fēng)與基本風(fēng)的組合風(fēng)仿真結(jié)果,作為伺服電機(jī)的控制信號(hào),控制伺服電機(jī)帶動(dòng)小型直流風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行,檢測(cè)小型風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流,計(jì)算出輸入,輸出電壓,并以曲線(xiàn)的形式顯示在計(jì)算機(jī)上。首先在RT模塊仿真出陣風(fēng)和基本分組合的波形,并以0~5V的模擬電壓信號(hào)形式傳送到FPGA模塊,通過(guò)FPGA模塊分配的I/O口,將控制信號(hào)傳送給伺服驅(qū)動(dòng)器,控制伺服電機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行,同時(shí)將FPGA模塊通過(guò)端口采集的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳送到RT模塊,由RT模塊處理,計(jì)算出直流發(fā)電機(jī)的輸入功率、輸出功率,并繪制出它們的曲線(xiàn),將曲線(xiàn)在電腦上進(jìn)行顯示。陣風(fēng)和基本風(fēng)組合發(fā)電機(jī)參數(shù)采集結(jié)果如圖5所示。
圖4 小波變換和小波包變換噪聲抑制運(yùn)行結(jié)果
從上圖可以看出左上角的圖形顯示的是基本風(fēng)、陣風(fēng)以及有它們組合的合成風(fēng),從圖中可以看出當(dāng)把基本風(fēng)設(shè)為2.5m/s,陣風(fēng)的最大值設(shè)為0.4m/s,而且是一個(gè)按照余弦規(guī)律變化的一個(gè)波形,它們合成風(fēng)也是一個(gè)具有余弦規(guī)律變化的一個(gè)波形,將這個(gè)波形信號(hào)作為控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)。
檢測(cè)到反映直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓以及實(shí)際轉(zhuǎn)速都與這個(gè)控制信號(hào)具有很高的相關(guān)性,變化趨勢(shì)幾乎一致。同時(shí),采集到直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的輸出電壓曲線(xiàn)與控制信號(hào)電壓曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)幾乎一致,只是幅值上的區(qū)別,這說(shuō)明直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速變化一致。
但是直流發(fā)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩變化不是很明顯,且都比較小。還有直流發(fā)電機(jī)的輸入功率波動(dòng)比較大,而輸出功率的波動(dòng)相對(duì)較小,估計(jì)是由直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化波動(dòng)引起。
然后,應(yīng)用陣風(fēng)、基本風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)的組合風(fēng)仿真結(jié)果,作為伺服電機(jī)的控制信號(hào),控制伺服電機(jī)帶動(dòng)小型風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行在該組合風(fēng)下,并檢測(cè)直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流,計(jì)算出輸入,輸出電壓,并在電腦上進(jìn)行顯示
程序的設(shè)計(jì)思想與應(yīng)用基本風(fēng)和陣風(fēng)時(shí)一致。首先應(yīng)用仿真結(jié)果控制伺服電機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行,同時(shí)采集的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,并計(jì)算出直流發(fā)電機(jī)的輸入功率、輸出功率,并繪制出曲線(xiàn),將曲線(xiàn)在電腦上進(jìn)行顯示。陣風(fēng)和基本風(fēng)組合發(fā)電機(jī)參數(shù)采集結(jié)果如圖6所示。
從圖6可以看出左上角圖形顯示的是基本風(fēng)、陣風(fēng),漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)合成的自然風(fēng),其中左上角最上面的曲線(xiàn)就是合成的自然風(fēng),將這個(gè)波形信號(hào)作為控制信號(hào),輸入到伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài),對(duì)直流發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明:
(1)檢測(cè)到反映直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓,以及實(shí)際轉(zhuǎn)速電壓控制信號(hào)的相關(guān)性就沒(méi)有基本風(fēng)與陣風(fēng)合成風(fēng)那么好,說(shuō)明在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中,直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化波動(dòng)確實(shí)很大。
圖5 陣風(fēng)和基本風(fēng)組合發(fā)電機(jī)參數(shù)采集
圖6 自然風(fēng)合成與參數(shù)檢測(cè)結(jié)果
(2)檢測(cè)到直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的輸出電壓曲線(xiàn)與控制信號(hào)電壓曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)也不是很相關(guān),但是與直流發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)很相關(guān),這就說(shuō)明直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓和它的轉(zhuǎn)速有密切的關(guān)系。
(3)檢測(cè)到直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的輸入、輸出功率變化的波動(dòng)性比較大,說(shuō)明該直流發(fā)電機(jī)的輸入、輸出功率穩(wěn)定性不好。
(4)電流和轉(zhuǎn)矩變化不是很明顯,且都比較小。
本文設(shè)計(jì)的直流發(fā)電機(jī)電性能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng),能夠?qū)χ绷靼l(fā)電機(jī)的電性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。應(yīng)用該系統(tǒng)在模擬環(huán)境下對(duì)一個(gè)小型風(fēng)力直流發(fā)電機(jī)的輸出特性進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試時(shí)主要在模擬基本風(fēng)和陣風(fēng)的組合風(fēng),以及自然風(fēng)兩種情況下進(jìn)行,測(cè)試結(jié)果較好的反映了直流發(fā)電機(jī)的性能特點(diǎn),驗(yàn)證了該檢測(cè)系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性和實(shí)用價(jià)值,能夠?qū)χ绷靼l(fā)電機(jī)的電性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)的參數(shù)能夠?qū)χ绷靼l(fā)電機(jī)的性能進(jìn)行評(píng)估,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.029