航空發(fā)電機交流畸變的測量與實現

韓明琦，黨幼云，王湘濤，江秀浩

(西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048)

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航空發(fā)電機交流畸變的測量與實現

韓明琦，黨幼云，王湘濤，江秀浩

(西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048)

針對航空發(fā)電機交流畸變的測試,設計了一種基于LabVIEW的測量系統(tǒng).根據飛機在運行過程中產生交流畸變的原因，以及交流畸變具有的特性，依據GJB 181A—2003《飛機供電特性》確定交流畸變系數和交流畸變頻譜等需測量的畸變參數，搭建測試系統(tǒng)硬件部分.利用LabVIEW進行編程,對采集的信號進行分析處理,并采用分段式頻譜測量的方法,得到相應的畸變系數和畸變頻譜,實現航空發(fā)電機測試過程中交流畸變的測試.

航空發(fā)電機;交流畸變;畸變參數

0 引 言

由于飛機用電設備種類和數量不斷增加,產生了諧波污染,所以對航空發(fā)電機的電能品質也有更加嚴格的要求.在飛機投入使用前要對其進行嚴格的檢測.其中,發(fā)電機交流畸變的測量是整個檢測過程中極為重要的一項.根據GJB 181A—2003《飛機供電特性》規(guī)定,采用交流畸變系數和交流畸變頻譜來綜合評定一臺航空發(fā)電機的交流畸變狀況,交流畸變系數為交流畸變與基波分量方均根的比值,交流畸變通過每一頻率分量復制的量化表示，即為畸變頻譜,畸變頻譜包括電壓調制的頻率調制產生的分量以及波形中的諧波和非諧波分量.根據上述定義可知,在測量交流畸變頻譜的過程中,要同時測得交流電的諧波分量和非諧波分量.目前在工業(yè)應用中,主要采用頻譜分析儀器,不但價格昂貴,而且由于需要測得的頻帶過寬,分辨率要求高,往往需要多臺同時使用,造成經濟上的浪費,而測量精度卻難以達到標準[1-3].文獻[4]給出系統(tǒng)的軟硬件結構,但是沒有具體的測量方法;文獻[5]在算法方面有詳細的介紹,但是沒有利用LabVIEW實現信號的分析與處理.本文提出一種基于LabVIEW的測量方法[6-10],對采集到的波形進行分析處理,并利用分段式頻譜測量的方法，得到相應的交流畸變參數,滿足GJB 181A—2003《飛機供電特性》的測量要求[11].

圖 1 GJB 181A—2003畸變頻譜包絡曲線Fig.1 The distortion spectrum envelope curve in GJB 181A—2003

1 交流畸變產生的原因

電力系統(tǒng)中產生的波形為正弦波,但是在實際的生產過程中并不能達到理想的正弦波形,這是由于不同頻率和幅值的正弦波形與基波疊加在一起所產生的,即波形畸變.在飛機的供電系統(tǒng)中,主電源通常為115V/400Hz的交流電.飛機上的負載主要由電動機構,加熱和防冰負載,照明設備和各種精密的電子設備組成,正是由于這些非線性負載的存在,所以飛機供電系統(tǒng)具有較為嚴重的諧波污染,因此對飛機交流電源的電能品質提出了相應的要求.在GJB 181A—2003《飛機供電特性》中規(guī)定,畸變系數最大不得超過0.05,畸變頻譜則是按照相應的包絡曲線進行規(guī)定,縱坐標是以均方根1V為基準值的分貝數,圖1所示為畸變頻譜包絡曲線.

通常情況下,引起畸變的波形為諧波和間諧波,諧波為交流電中含有基波頻率整數倍的電氣分量,計算公式為

(1)

式中:r為諧波分量；U1為基波電壓有效值,un為第n次諧波電壓有效值.基波頻率的非整數倍(例如2.6,3.14倍)的分量稱之為間諧波,同時,將低于基波頻率的間諧波稱之為次諧波.根據GJB181A—2003《飛機供電特性》要求,在測試交流畸變的過程中要包含波形中的諧波和非諧波分量.

圖 2 硬件系統(tǒng)結構圖Fig.2 The structure diagram of hardware system

2 硬件系統(tǒng)及測試原理

2.1 硬件結構設計

該系統(tǒng)工控機選擇的是研華IPC-610,信號采集板卡為NI PCI-6225,信號調理模塊,還包括發(fā)電機的拖動系統(tǒng)和由PLC(可編程邏輯控制器)控制的模擬負載系統(tǒng).硬件系統(tǒng)結構如圖2所示.

首先,系統(tǒng)通過RS-485總線控制變頻器啟動整個拖動系統(tǒng),使發(fā)電機達到它的正常轉速,選擇兩個ABB變頻器分別控制拖動系統(tǒng)的電動機和進行風冷使用的風機.然后上位機再通過交換機與控制4個負載箱的PLC進行TCP/IP通信,對發(fā)電機進行空載、半載、滿載、過載等實驗操作.4個負載箱可以分別實現三項平衡負載和三項不平衡負載的加載.最后,在發(fā)電機的轉速和負載到達實驗要求后,通過傳感器、調理電路和PCI-6225采集板卡對發(fā)電機交流信號進行采集,利用后臺軟件對采集得到的數據進行畸變分析處理.

2.2 交流畸變系數

根據GJB181A—2003《飛機供電特性》要求，交流畸變?yōu)榻涣麟妷翰ㄐ纬ㄖ獾姆骄?，對波形以不低?MHz的采樣頻率進行采樣，采樣時間小于1s，交流畸變計算公式為

(2)

式中：UJ為交流畸變電壓的方均根值,V;T為采樣時間,s;uJj為交流畸變電壓波形的瞬時值;n為采樣次數;j為采樣序列;Δt為每次采樣的時間.

交流畸變系數為交流畸變與基波分量方均根值之比，計算公式為

KJ=UJ/U1.

(3)

式中：KJ為交流畸變系數；UJ為交流畸變電壓的方均根值；U1為基波電壓方均根值.

2.3 交流畸變頻譜

交流畸變頻譜為交流畸變通過每一頻率分量幅值的量化表示，包括波形中的諧波和非諧波分量.根據GJB181A—2003《飛機供電特性》中規(guī)定可知，交流畸變頻譜需要測量的頻帶非常寬，為10～500kHz，而且幅度的分辨率也較高，如果將交流信號直接進行分析測試，那么工作量會很大，而且最后結果也會有很大誤差.所以在測量之前需先濾掉基波，將濾出后畸變波形進行頻譜分析.根據GJB181A—2003《飛機供電特性》，濾除頻率在393Hz～407Hz之間的基波波形.

濾波器的選擇有軟件和硬件兩種方式，硬件的選擇會使整個測試系統(tǒng)運行速度加快，但是需要配套大量硬件設施，對前端調理電路的設計也提高了要求，靈活性差，所以綜合考慮選擇軟件濾波，可以節(jié)約開發(fā)時間,也可節(jié)約成本.常用的數字濾波器包括有限沖擊響應濾波器(FIR)和無限沖擊響應濾波器(IIR).在相同的濾波器設計指標下，FIR濾波器在計算階數上要高于IIR數倍，計算效率低，而且IIR濾波器在設計中可以直接借助于模擬濾波器的成果，如Butterworth濾波器、Chebyshev濾波器，橢圓濾波器等，所以在系統(tǒng)濾波器的選擇中采用IIR濾波器[12].IIR濾波器的差分方程可以寫為

(4)

式中：x(n),y(n)分別表示輸入信號的序列；ai,bi分別表示濾波器的系數.

在對已經濾波過后得到的波形進行畸變頻譜分析時，由于波形在時域和頻域上都是離散的而且為有限長，所以需對畸變波形進行DFT變換(離散傅立葉變換).設x(n)為一個長度為M的有限長序列，則x(n)的N點離散傅立葉變換為

(5)

X(k)的離散傅里葉逆變換IDFT為

(6)

在進行交流畸變頻譜的測試過程中，采樣頻率會達到1.25MHz，在1s的采集時間里會有1.25M個數據點進行頻譜分析，所以在大量的數據點進行DFT變換時，將會使程序運行時間變長，降低程序運行效率.在進行交流頻譜分析的過程中，將信號按頻段進行分類，可以減少所要分析的數據量，從而提高效率.信號頻段可分為：低頻段 (10Hz～1 000Hz) 分辨率為1Hz,中低頻段 (1kHz～10kHz) 分辨率為10Hz,中高頻段 (10kHz～100kHz) 分辨率為1kHz,高頻段 (100kHz～500kHz) 分辨率為5kHz.

(1) 低頻段信號的處理.在低頻段信號處理過程中，采樣率F=1.25MHz，分辨率f=1Hz，采樣時間取1s，共采集的點數為1.25M.根據采樣定理，采樣頻率為信號最高頻率的2倍，由于信號的頻段為10Hz～1 000Hz之間，所以在低頻段信號中，可以將采樣頻率取為N=2.5kHz.在實現的過程中可以對信號進行系數N=500進行抽取，由于N=500數值較大，進行N=10，N=50兩步抽取.

(2) 中低頻段信號的處理.在中低頻段信號處理過程中，采樣率F=1.25MHz，分辨率f=10Hz.采樣時間取0.1s，共采集點數為125k.根據采樣定理，由于信號的頻段為1kHz～10kHz之間，所以在該頻段中，可以將采樣率取為f2=25kHz，抽取系數N=50.

(3)中高頻段信號的處理.在中高頻段信號處理過程中，采樣率F=1.25MHz，分辨率f=1kHz,采樣時間取0.001s，共采集點數為1 250.根據采樣定理，由于信號的頻段為10kHz～100kHz之間，所以在該頻段中，可以將采樣率取為f3=250kHz，抽取系數N=5.

(4) 高頻段信號的處理.在高頻段信號處理過程中，采樣率F=1.25MHz，分辨率f=5kHz.采樣時間取0.000 2s，共采集點數為250.根據采樣定理，由于信號的頻段為100kHz～500kHz之間，所以在該頻段中，可以將采樣率取為f4=1.25MHz.

各個頻段的信號經濾波和DFT變換后，將分析結果從低到高依次進行波形的輸出，根據GJB 181A—2003《飛機供電特性》給出的包絡曲線判斷是否滿足測試標準要求.

3 測量與實現

LabVIEW( Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境，使用的是圖形化編程語言G編寫程序，是以框圖的形式編寫代碼.目前LabVIEW已廣泛應用于測控領域，因為它可以取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成測量儀器的功能，有良好的靈活性和復用性，而且具有強大的數據處理能力，計算機的發(fā)展及信號處理算法的優(yōu)化，為其快速，準確地處理數據提供了良好的基礎[13-14].

在LabVIEW中有諧波失真分析VI(Visual instrument)，如圖3所示，該VI可以直接測得波形的THD值(總諧波畸變率)，交流畸變系數便可通過該VI得到.

在采用分段式對交流頻譜分析的過程中[15-18]，要先對輸入的交流信號進行濾波，使用帶阻(Bandstop)濾波器使信號為不含基波分量的畸變信號，分別通過4個濾波器，1個低通(Lowpass)，1個帶通(Bandpass)和兩個高通(Highpass)濾波器分別得到4個頻帶的波形，對得到的不同頻段的數據進行抽取和頻譜分析.

通過模擬實際的交流電壓狀況，通過每個頻段的頻譜分析模塊，將最后得到的數據經過綁定輸出到一個波形圖中，如圖4所示.

圖 3 諧波失真分析VI 圖 4 畸變頻譜分析 Fig.3 The VI of Harmonic distortion analysis Fig.4 Distortion spectrum analysis

4 結束語

在航空發(fā)電機的檢測過程中，交流畸變系數與交流畸變頻譜為其重要的一項測試.本文依據GJB 181A—2003《飛機供電特性》所給出的測試要求，利用LabVIEW進行編程，對采集的信號進行分析和計算，改進了交流畸變的測試方法.交流畸變系數可通過總諧波畸變率直接得到；交流畸變頻譜通過分段式測量，分別計算各個頻段的畸變頻譜，再將信號進行合并，得出整個頻段的畸變頻譜.該測量方法編程簡單、成本較低.

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編輯、校對：趙 放

Measurement and realization of AC distortion of aviation generator

HAN Mingqi,DANG Youyun,WANG Xiangtao,JIANG Xiuhao

(School of Electronics and Information, Xi′an Polytechnic University,Xi′an 710048,China)

In view of the aviation generator AC distortion test, a measurement system based on LabVIEW is designed. According to the causes of the AC distortion during the operation of the aircraft, as well as the characteristics of AC distortion，the hardware part of the test system is set up.It is based on GJB 181A—2003 “aircraft power supply characteristics”,determining which distortion parameters need to be measured, mainly including the AC distortion coefficiency and the AC distortion spectrum. Programmed by LabVIEW, the collected signal is analyzed and processed, with the method of sectional type spectrum measurement to get the corresponding distortion coefficient and the AC distortion spectrum, and the test is finally realized.

aviation generator;AC distortion;distortion parameter

1674-649X(2016)04-0458-06

10.13338/j.issn.1674-649x.2016.04.009

2016-03-27

黨幼云(1962—),女，陜西省澄縣人，西安工程大學教授,研究方向為電力電子電源技術與運動控制系統(tǒng).

E-mail:xk-dyy@qq.com

韓明琦,黨幼云,王湘濤，等.航空發(fā)電機交流畸變的測量與實現[J].西安工程大學學報，2016，30(4)：458-463.

HAN Mingqi,DANG Youyun,WANG Xiangtao,et al.Measurement and realization of AC distortion of aviation generator[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2016，30(4)：458-463.

TM 93

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