推广 热搜: 考试动态 

某型飞机交流电源系统地面测试平台 设计

   日期:2022-11-21     来源:www.h888l.com    作者:未知    浏览:838    评论:0    
核心提示:目次致谢I摘要IIAbstractIll目次V1绪论11.1研究背景及意义11.2机载交流电源系统11.3飞机机载电源测试系统国内外研究近况21.3.1海外研究近况21.3.2国内研究近况31.4论文主要研究内容51.5本章小结52地面测试平台策略设计62.1测试平台设计指
目次致谢 I摘要 IIAbstract Ill目次 V1绪论 11.1研究背景及意义11.2机载交流电源系统 11.3飞机机载电源测试系统国内外研究近况 21.3.1海外研究近况 21.3.2 国内研究近况 31.4论文主要研究内容 51.5本章小结 52地面测试平台策略设计 62.1测试平台设计指标 62.1.1机载交流电源的性能参数需要 62.1.2测试平台设计技术标准 82.2测试平台总体设计 82.2.1主要功能系统设计目的 92.2.2主要功能系统总体设计 112.3 本章小结 123测试平台变频拖动调速控制系统设计 133.1交流调压调速系统 133.1.1异步电动机改变电压时的机械特质 133.1.2异步电动机变压调速电路 143.2交流异步电动机变频调速系统建模 153.2.1变频调速的基本控制方法 153.2.2异步电动机动态数学模型 163.2.3增速齿轮箱传动系统建模 183.3变频拖动系统调速控制设计 193.3.1异步电动机坐标变换 193.3.2异步电动机矢量控制办法203.3.3变频拖动系统调速控制系统设计 223.4变频拖动系统仿真剖析 233.4.1异步电机矢量控制仿真及剖析 233.4.2变频拖动系统调速控制仿真及剖析253.5本章小结 294测试平台设计达成304.1变频拖动及冷却系统硬件设计 304.1.1增速系统设计 324.1.2油冷系统设计 344.1.3风冷系统设计364.1.4 交流配电柜设计 384.2操作控制与测试硬件设计 394.2.1上位机硬件选配 414.2.2操作控制与测试系统电路设计 414.3模拟负载硬件设计444.3.1交流负载装置 444.3.2指标参数 454.4测试平台软件设计与达成 464.4.1功能模块设计 464.4.2主要模块详细软件设计 484.5本章小结 525地面测试平台系统调试及试验验证 545.1测试平台系统调试 545.1.1供电至!]位检査 565.1.2直流电压电流计量确认 565.1.3交流电压电流计量确认 575.1.4发动机启动及其他信号计量确认 575.1.5ARINC 429总线信号测试 585.1.6 RS422串口信号测试 585.1.7变频拖动系统调速性能试验 595.2测试一试验验证与结果剖析 605.2.1发电机控制器功能测试 605.2.2发电机控制器测试结果 605.2.3交流发电机性能测试 615.2.4交流发电机性能测试结果 635.3本章小结 676概要和展望 686.1概要 686.2展望 68参考文献 701绪论1.1研究背景及意义机载交流电源系统是飞机的要紧系统之一,用于为机上设施提供115 V、400 Hz三相 交流电源,主要由交流发电机、功率控制器、互感器等组成。机载交流电源系统工作是不是 正常,直接影响着飞机功能和飞行安全在国军标和航空行业准则中对机载电源参数有明确需要,同机会载电源系统结构复杂、 体积庞大,尤其是在飞机生产过程中安装工序复杂,拆装周期较长,同时也对其它机载设施地面测试系统建设提供相当的借鉴意义。1.2机载交流电源系统机载交流电源系统主要用于为飞机提供三相交流电〔7, %飞机机载交流电系统根据功 能可分为主电源和辅助电源[9】。飞机的主交流电源系统由数套交流电源构成,主要用于把 飞机发动机的机械能转化为电能,供飞机和各系统的115 V、400 Hz交流用电设施用[U ,1]o每一个电源有独立的电源通道,当机载交流电源通道出现问题,致使供电瘫痪时,通过 电流互感器组与发电机控制器合适套,达成飞机上的发电通道相互转换,达成备份功能 13]o发电机控制保护器用于对发电机进行输出电压调节,并在发电系统的供电特质超出规 定时进行保护,从而确保机载交流电源系统的供电品质,满足各系统的用电需要[14J5]O1.3飞机机载电源测试系统国内外研究近况1.3.1海外研究近况美国在上世纪50年代,创造了机械液压式恒速传动装置,主如果发动机变化的转速转 变为恒定的转速后传动交流发电机,可发出400Hz、115/200V交流电,这就是最早的飞机 恒速恒频交流电源。上世纪70年代,桑德思特朗公司成功研发出组合传动发电机,主如果 将恒速传动装置与发电机集成在同一壳体内,共用油源、油槽和散热器[7】。因为使用了整 体设计和喷油冷却技术,改进了绝缘性能,使电机转速升高到12000r/min至24000r/min电源 的功率重量比,靠谱性得到非常大提升,相应的对电源性能品质的测试办法也就提出更高要 求〔⑹。伴随科技的进步,飞机的各功能系统复杂程度也不断增加,海外学者对飞机各系统 的问题检查和定位系统就好了研究Mm],.同时针对机载系统的自动测试设施(ATE)和自 动测试系统(ATS)也得到飞速进步,其中就包含机载电源系统[“a]。美国、英国军方后 来从某种武器装备专用ATE进步到通用的ATE和ATS0]。美国自上世纪80年代开始就投入 很多的人力和资金研发了各军兵种设施测试用的ATS,其中也包含飞机机载电源系统的 智能化测试系统[2223】。近十年以来,恒频交流发电机因为额定容量大、电压转换便捷,得 到了飞速的进步和应用[24]。海外航空技术发达国家对恒频机载交流电源进行性能剖析时, 为了提升效率和节省本钱,通常使用MATLAB对飞机供电系统进行仿真研究,打造复杂大 系统模型并进行仿真剖析[25,26〕。主要研究交流发电机模型和负载模型及它们相互之间的相 互关系对系统稳态、瞬态的性能影响。通常在飞机设计阶段进行验证,借助MATLAB的仿 真软件包SIMUlink分别开发出电源主要功能系统的仿真模型,通过连接各系统的各部分 仿真模型,对整个供电系统进行仿真,从而验证理论剖析和数字仿真的正确性Ml。对于航空技术发达的欧美国家来讲,早已经不再把目光放到飞机机载交流电源系统的 地面性能测试上,由于虽然用虚拟仪器技术和问题定位技术已经比传统的人工操作和仪 表测量先进了不少,但仍然需要将供电系统的各成品在地面环境中进行互联网交联[2%这种 测试形式不可以充分验证机上的实质状况。上世纪80年代,美国重视更为先进、高效的机内 测试方法:内测试技术(Built-in-test,BIT)指的是系统设施依赖自己所拥有的电路和程序, 对自己的仪器设施进行测试和监控,并对仪器设施发生的问题进行诊断、定位、隔离与 测试[2230]。在海外主要由大型航空公司和军火生产企业发起bit理论和技术研究Pi】。比如 波音、休斯等公司把最早进的BIT理论、技术和办法应用到他们生产的各种军、民用飞机 中[辺。美国波音公司开发研制的先进环控系统EASY就是一种专门用于飞机电源系统 建模仿真和剖析的软件。另一个是美国桑特斯郎通用公司开发的SCEPTRE软件,可用于对 飞机整体传动发电机和变速恒频电源系统进行数字仿真,与飞机并联电源系统的工作状 态剖析me]。1.3.2国内研究近况伴随国内航空工业的进步,关于航空测试系统的研究工作愈加多。在航空发电机测试范围,测功机设施公司提供了一种航空启动发电机测试台,如图1.1所示。: 主控系统 i图1.1航空启动发电机测试台该起动发电机测试台由高速四象限运行测功机、四象限变频器、机械系统、高速联轴 器、电气负载(阻性、容性、感性)或电子负载、润滑系统、传感器测量系统、电参测量系 统、测控系统等组成。其中,测控系统由上位机监控系统、数据采集系统、传感器测量系 统、变频器控制系统、试验台辅助设施控制系统、安全监控系统、早期问题预警系统等组 成。测控系统使用EtherCAT实时总线作为主通讯互联网,可以非常不错的提升系统的通讯速率。在国内飞机电源问题测试和诊断范围,主要有两种办法:机上自检和地面按期测试卩5】。 机上自检是通过机载维护计算机进行集中管理,因为机内设施数目较多,空间有限,不可 能安装过多的测试设施a】。现阶段大都停留在主要功能和要紧数据检查,由机务或实验人 员,用专用设施对飞机电源系统进行测试卩7】。在上世纪90年代,国内飞机电源系统的性 能测试主要还是使用传统的人工方法,效率低下,精确性也不高郎1。国内有人专门研究飞 机电源系统问题树办法和专家系统诊断办法。 国内BIT技术研究大概是从上世纪80年代末、90年代初才开始,国家“电子系统和设施的测 试性大纲”颁发将来,有关的科研机构才开始BIT技术的研究屮⑷〕。后来某航空专业研究所 专家应用多状况系统靠谱性理论、马尔可夫办法、贝叶斯办法等,在测试性和BIT论证、 权衡、设计、剖析、仿真、验证等方面完成了多项研究工作[佝。伴随国内飞机由仿制进一步走向自主研制,飞机供电互联网很多使用1553B、ARINC429 总线技术,飞机的电源参数采集系统结构从集中式、分布式采集进步到混合式采集,很多 的采集数据使得传统的仪器仪表测量办法已没办法满足测试需要IE。近年来航空技术的飞速 进步,飞机中一流的机载设施大幅增加,智能化程度日益提升,飞机对机载设施提供电源 的供电系统的依靠性更大,对供电品质提出了更高的需要[偲49】。在飞机供电系统的设计、 生产及用的过程中电源系统的功能参数需要符合国家军用标准与航空行业准则对机 载交流电源的规范需要[5叭因为测试参数较多,需要较高时在机舱内空间限制、设施有限, 测试互联网不容易搭建,有时需要在地面实验室进行更为全方位和系统的测试El。地面测试诊断 方法是一种离线测试方法,该方法是问题诊断技术进步的初级阶段[亿53】。比如,在国内为 了满足某型飞机的电源品质测试需要,就有人专门研究了基于光纤通道的分布式飞机电源 瞬态特质的测试办法〔54,55]。还有一些飞机的供电系统测试中依据供电系统与其他任务系 统的交互的总线种类不同,使用了基于PXI、VXI或者FPGA总线的虚拟仪器技术进行地面 测量[56,57]。同时也已经有人研究飞机供电系统的专用采集测试设施,用于各项技术参数进 行数字式测量,对所测量的数据进行计算剖析,并将测量剖析的结果直观地显示在计算机 输出设施上[迟59]。这种测试方法可以使测试职员抛开传统的仪器仪表和复杂的测试步骤, 仅需拥有统一参数标准、统一计算办法的高精度工控机,配上测试所需的各种数据采集 卡、转换卡与模拟负载即可达成高精度测试a】。90年底末,在专业院校就有人以计算机 为开发平台研制了一套飞机电源地应聘验测试系统,可基本达成飞机供电系统中部分参数 的测试,因为数据采集设施使用ISA总线且当时在DOS环境下开发,系统的测试准确性和 软件的便捷性还是不高他62]。依据现在国内相应的技术方法的进步实质近况,使用在地面 用专用测试设施与测试软件配合的方法对机载交流电源系统进行参数测试比较符合现 实需要和实质近况。1.4论文主要研究内容本文以某型飞机机载交流电源系统地面测试平台为研究对象,针对设计目的需要,研 制一套地面测试平台,对国军标GJB181A-2003和航空行业准则HB6448-1990中规定的机载 交流电源的各项参数进行测试。论文主要研究工作如下:第一,确定机载交流电源系统设计技术需要,结合功能需要确定测试平台主要功能系 统为变频拖动及冷却系统、交流电源系统测试系统、模拟负载,并分别研究各主要功能系 统的结构设计和达成办法,确定了各功能系统研究重要及设计思路。第二,在研究异步电动机交流调压调速机械特质、基本控制方法与动态数学模型等 理论基础上对变频拖动及冷却系统数学建模和MATLAB仿真剖析,分别对异步电机矢量控 制办法与变频拖动系统转速闭环控制办法进行研究,通过仿真对所设计的变频拖动系统 转速闭环控制办法进行剖析。另外,对变频拖动及冷却系统的动力系统、油冷系统、风冷系统、交流配电系统进行 详细设计。确定拖动台带动发电机转动,达成变频拖动及冷却系统的变频调速,与工作 过程的通过风冷、水冷系统对电机降温方法;对操作控制与测试系统怎么样对被试件性能参 数进行实时采集剖析,模拟负载匹配。研究变频拖动及冷却系统的硬件设计,明确硬件选型 和配套方法。研究测试与操作系统的电气电路设计,与满足功能需要的工作时序逻辑关 系。从拖动控制、系统管理与数据测试等几个部分进行了详细的软件设计。最后,研究怎么样通过软件达成测试与控制系统的监测、采集和显示,达成在全状况运 行下,通过各种类传感器采集、测量并显示测试平台本身需监测的拖动台扭矩、转速、轴 温、滑油重压等参数与交流电源系统需测试的参数数据。在系统调试过程中发现系统存 在的缺点和不足,通过系统调试逐步进行解决和处置,最后达成设计目的。1.5本章小结本章主要介绍了论文选题的背景、意义和任务出处,容易介绍了机载交流电源系统。 对国内外机载交流电源系统及其测试方法近况进行介绍,明确了主要需要及设计目的。重 点说明设计测试平台过程中完成的主要工作。2地面測试平台策略设计设计测试平台可在实验室完成机载交流电源系统控制器的过压、欠压,过频、欠频, 差动保护等功能检查和交流发电机的稳态电压、电压不平衡、电压调制幅度、电压相位差、 畸变系数、波峰系数、直流分量、稳态频率等电气性能测试。2.1测试平台设计指标2.1.1机载交流电源的性能参数需要对测试平台技术标准的需要,取决于被测机载交流电源的性能参数,为此,本小节将 分别对该机型交流电源的正常与非正常工作性能参数进行介绍。2.1.1.1交流电源正常工作性能需要「机载交流电源系统的主要参数有相数、电压和频率。这类参数的选择与交流供电系统 与用电设施的水平、尺寸和性能密切有关。所研究机型与大部分机型相同,使用三相制 供电系统,相电压为115V,考虑到继承性和综合原因,交流电源系统的频率选在了 400Hz。飞机供电品质的好坏直接影响到飞行安全,因此,可以把电压或电流波形的波峰系数、 畸变系数、畸变的单次频率分量和直流分量作为衡量波形好坏的规范。畸变系数和畸变的 单次频率分量均考虑了谐波分量和非谐波分量对波形的影响。用kpk表示波峰系数,则在 稳定条件下有式中,Up*为电压波形的峰值,U机$为电压波形的有效值。畸变系数kd为交流电压波形除基波分量外的其他畸变分量的均方根值,常用相对于基波有效值的百分数表示,即式中,Urms为电压波形的总有效值,U]为基波分量的有效值。交流电压除基波分量外任一 次谐波的有效值称为单次谐波含量1<如,一般用相对于基波电压有效值的百分数表示,即 式中,U”为电压波形非基波的单次谐波分量有效值,U]为基波分量的有效值。总谐波畸变 一般用THD表示,其为交流电压波形除基波分量外,各次谐波的均方根值,一般用相对 于基波有效值的百分数表示,如下式THD = X 100% 式中,Uk为电压波形k次谐波分量有效值,U]为基波分量的有效值。依据该机型三相交流电源系统装备履历本、技术说明书与维护流程规定等资料,可 以确定该机型机载交流电源的稳态特质和瞬态特质的技术需要分别如下所述。1.稳态特质:交流电源稳态特质参数应符合表2.1的规定。表2.1交流正常工作特质正常工作特质 范围稳态电压 10&0V~ll&0V, RMS稳态频率 393 Hz ~ 407 Hz频率调制幅度 4 Hz电压不平衡 3.0 V, RMS max电压调制幅度 2.5 V, RMS max电压相位差 116°~124°畸变系数 不大于5%总谐波畸变 不大于3%最高单次谐波含量 不大于3%波峰系数 1.31 ~ 1.51直流分量 0.10V--0.10V瞬态峰值电压 271.8 V max表中,RMS为均方根的缩写,这里表示交流电压有效值。2.瞬态特质:a)在频率为320 Hz〜480 Hz范围内,瞬变电压应符合80 V到108 V时间为0.07 s 以内,108 V到118 V时间为0.07 s以内的规定;b)频率高于480Hz时,瞬变电压极限范围应为频率在320Hz〜480Hz范围的数值 上限乘以"420的比值。2.1.1.2交流电源非正常工作性能需要在频率为320 Hz〜480 Hz范围内,过压和欠压值应在100 V〜125 V的极限之内;频 率高于480 Hz时过压和欠压极限值应为108.0V〜11 &0V的极限值乘以f/480的比值。2.1.2测试平台设计技术标准测试平台用于交流发电机及其配套的控制器的试验。涉及到需确认参数的主要有地面 配套电源,模拟负载等。1.主要配套电源参数:1) 容量不小于3kVA三相交流115 V、400 Hz交流电源一台;2) 容量不小于3 kVA三相交流90 V〜170 V电压连续可调、300 Hz〜500 Hz频率 连续可调交流电源一台;3) 容量不小于3 kVA三相四线交流70 V~90 V电压连续可调、600 Hz〜1200 Hz 频率连续可调交流电源一台。2.模拟负载参数:模拟负荷装置用于机载交流发电机在正常发电工作状况下的带载能力 检查,需功率因数可调,并能长期靠谱工作。在交流发电机额定功率输出状况下:三相容 性负载cosplay(p=0.95 (超前);额定交流阻性负荷三相总功率100kW,额定交流感性负荷三 相总功率1 OOkVA;永磁电机负荷电流15Ao负荷装置基本参数如下:1) 三种属性负载使用星形有中线接法;2) 负载工作电压、频率(按负荷属性):阻性负载工作电压115V (相电压)、频率400 Hz;感性负载工作电压115 V (相电压)、频率400 Hz;容性负载工作电压 230V (相电压)、频率400Hz;3) 负荷精度(每一负载支路):±3%(额定负荷下运行3 h);负载分辨力不大于0.5 A (每相);4) 模拟负载应使用低温漂(温度系数<250ppm),高靠谱性和准确度的元器件。2.2测试平台总体设计测试平台的设计思路是通过设计变频拖动模块使用大功率的异步电机和机械传动系 统模拟飞机发动机来拖动交流发电机,并在测试系统中连接模拟负载构建发电机在机上的 运行条件,通过调节异步电机的转速改变负载箱的负载,构建发电机不同运行状况,通过操作与控制模块对机载交流电源参数性能进行测试,以此测试机载交流电源系统是不是符合 2.1.2节的需要。2.2.1主要功能系统设计目的依据设计技术标准及功能需要剖析,将测试平台设计为变频拖动及冷却系统、操作控 制与测试系统与模拟负载几部分组成,系统框架图如图2.1所示。操作测试与控制系统交流发电机图2.1测试平台系统框架图2.2.1.1变频拖动及冷却系统设计变频拖动及冷却系统主要用于模拟发动机带动交流发电机工作。变频拖动及冷却 系统设计为双轴同速、同转向(转向可逆),满足发电机的驱动需要,达成与操作控制与测 试系统,模拟负载的交联配合,达成全状况运行。该部分设计的主要难题包含:1)对变频拖动系统仿真建模与剖析是整个测试平台达成的理论基础,研究变频调速 系统控制方法、机械特质和异步电机动态数学模型等理论研究是变频拖动系统 设计达成的重要;2) 在高速运转过程中,变频拖动系统中齿轮的微量变形、传动轴的受力与产生共 振等对变频拖动系统的稳定性有较大的影响;3) 在测试平台工作过程中电机比较容易发热,因此需设计冷却系统,其中的冷却液体 或流体的流量计算是保障设施好散热、正常运行的重要。2.2.1.2操作控制与测试系统操作控制与测试系统用于控制变频拖动及冷却系统启动工作、过程控制、加载卸载以 及监测机载交流发电机及其配套商品的电气性能参数。其测试系统主要由电压/电流采样 电路、微处置器运算电路、显示/键盘电路、USB/RS232C/RS485通讯电路、PC端软件、 电源电路组成。该部分设计的主要重点包含:1) 使用各类信号传感器和数据采集、转换的芯片要符合特种设施试验的温度、湿度、 震动与电磁等环境,稳定性需要较高;2) 测试与控制系统的硬件电路设计时,工作逻辑关系需要符合机载交流发电机的启 动-提高转速-加载-转速稳定-测试-卸载-减少转速-关闭系统的基本工作时序;3) 在软件设计时,系统的数据采集、处置、计算与上位机显示,需遵循统一的通 讯标准,提前学会各成品之间的ICD接口概念非常为重要,不然测试平台各模块 之间没办法进行正常通讯。2.2.1.3模拟负载因为飞机上各用电设施的负载特质比较复杂,为了在地面实验室使用模拟负载代替真 实的机载用电设施,因此三相交流模拟负载需要由阻性负载、感性负载及容性负载三部分 组成。它的功能是为交流电源系统测试单元提供模拟载荷,用于交流发电机在正常发电工 作状况下的带载能力检查。在设计时测试系统中的交流模拟负载装置需达成模拟负载可以 便捷地调整功率因数,还需满足在交流发电机额定功率输出状况下,额定交流阻性负荷三 相总功率不小于100kW,额定交流感性负荷三相总功率不小于1 OOkVA的需要。该部分设计的重点主如果需满足功率因数cosplay(p=0.7或0.95 (超前)时,既能够实 现逐项加载,也可达成一次性加载。另外在负载用过程中的散热也需考虑,防止负载过 热对试验设施导致影响。2.2.2主要功能系统总体设计 2.2.2.1变频拖动系统总体设计设计变频拖动及冷却系统用来拖动被试交流发电机,通过控制系统达成原动机的起动、 停止、转速调节。依据变频拖动及冷却系统的功能需要,该系统由配电部分、拖动部分和冷却部分组成。 其中配电部分主要向拖动系统提供交流380V的配电电源,而拖动部分是该系统的核心, 如图2.2所示,它由变频器、原动机、增速齿轮箱等部分组成,其中变频器主要为了用 于电机频率调解,原动机主要为了为测试平台提供原动力,增速齿轮箱主要为了达成 发电机转速0 r/min~ 15000 r/min范围内可调,以满足当转速6600 r/min〜7000 r/min时, 可进行交流发电机的性能测试。冷却部分的主要为了通过油冷系统的滑油为增速齿轮箱散热,风冷系统的风机为被测试发电机散热。图2.2变频拖动及冷却系统设计框图2.2.2.2操作控制与测试系统总体设计操作控制与测试系统是完成地面测试平台的供电,拖动及冷却系统的启动、风量的调 节,机载交流发电机的转速调节,模拟负载调节与工作过程中各项电气性能参数的采集、 处置。该系统由控制模块、通讯模块、数据采集模块和信号处置模块。控制模块达成对地面 测试平台进行开机启动,控制和各项控制信号的调节。通讯模块达成在统一的ICD接口定 义标准下各模块之间信号的传递。数据采集模块主要达成通过传感器采集温度、流速、电 压、电流、频率等各项参数的采集。信号处置模块是达成信号的调理,调制和解调,计算 和显示。系统组成框图如图2.3所示。操作控制与测试系统对被测成品参数进行实时采集,所测参数通过各种类传感器件, 经信号调理模块处置,输入至信号采集板卡,测控软件对采集到的各种数据进行剖析与处 理,通过上位机界面中的状况显示控件,以数据、波形、图表等形式展示出来。测试结果以报表形式输出,通过比对采集参数与被试件性能合格标准(表2.1机载交流电源系统参 数需要),从而得出各被试成品是不是达标的结论。操作控制与测试系统变频拖动及冷却系统图2.3操作控制与测试系统设计框图2.2.2.3模拟负载总体设计三相交流模拟负载(负荷装置)的选择和匹配是为了在地面实验室模拟飞机上机载交 流电源实质工作负载。第一负载的特质要尽量接近飞机任务系统的实质工作时的负载特 性。第二,负载在测试过程中需要持续的动态调整,满足测试需要。模拟负载主要用于交 流发电机在正常发电工作状况下的带载能力检查,可以便捷地调整功率因数。依据测试需要,交流负载装置在设计时需满足HB 6492-1991《飞机400 Hz三相系统 模拟负载箱通用技术条件》的试验需要:各档负载误差低于±2%,应提供115/200 V、 400Hz三相四线制的功率输入装置,阻性负载、感性负载都应是三相平衡的,模拟负载在 各种稳定负载状况下,允许三相负载不平衡度(最高相负载值与最低相负载值之差除以三 相负载的平均值的百分数)分为1%、2.5%和5%三个等级,且模拟负载箱要能在25%的过 压、30 s内正常工作。模拟负载箱应满足进行电气性能试验,试验时可加入115/200 V、 400 Hz三相交流电源。2.3本章小结本章确定了机载交流电源需测试的参数指标需要和测试平台的设计技术标准需要。根 据设计目的,对测试平台进行总体设计。重点依据模拟负载系统的设计目的对测试平台中 变频拖动及冷却系统、操作控制与测试系统、与模拟负载系统设计重要技术和难题,确 定了三大功能系统的设计需要。3測试平台变频拖动调速控制系统设计3.1交流调压调速系统交流调速系统就是以交流电动机作为电能一机械能的转换装置,并通过对电能的控制 产生所需转矩与转速。异步电动机调速办法不少,主要有减少电压调速、电磁转差离合器 调速、绕线转子异步电动机转子串电阻调速、绕线转子异步电动机串级调速、变极对数调 速、变频调速等[砂。3.1.1异步电动机改变电压时的机械特质依据电机学原理,在忽视空间和时间谐波、忽视磁饱和与忽视铁损等假定条件下, 异步电动机的稳态等效电路如图3.1所示。图中心、圧分别为定子每相电阻和折合到定子 侧的转子每相电阻,5、爲分别为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感,厶:为定 子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感,即励磁电感,&、a】分别为电动机定子相电压和 供电电源角频率,s为转差率。图3.1异步电动机的稳态等效电路由图3.1可以得出:= I 应 % J2+2^i在通常情况下,Lm»Lh则C产1,等于忽视励磁电流,如此公式可简化为:I , _ 令电磁功率Pem = 3/^2同步角速度爲=空,p为电动机极对数,则异步电动机的电 $ P磁转矩为:式就是异步电动机的机械特质方程式。它表明,当转速或转差率肯定时电磁转 矩与定子电压的平方成正比。如此可以得出不同电压下的机械特质曲线,如图3.2 所 示。可知,带恒转矩负载TL时,一般笼型异步电动机改变电压时的稳定工作点为A、B、C,转差率s的变化范围为0〜Sm,其中为最大转差率,调速范围非常小。假如带风机类 负载运行,则工作点为D、E、F,调速范围大一些。为了能在恒转矩负载下扩大变压调速 范围,并使电动机能在较低转速下运行而不致过热,需要电动机转子有较高的电阻值,其变电压时的机械特质如图3.2 所示。图3.2异步电动机改变定子电压时的机械特质3.1.2异步电动机变压调速电路三相交流调压电路的接线形式不少,在交流调速系统中,常用3对反并联晶闸管或3 个双向晶闸管接在三相电源和电动机三相绕组之间,三相绕组可以接成星型也可接成三角 形,其电路如图3.3所示。图3.4所示为使用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路。 其中,晶闸管1-6控制电动机正转运行,反转时可由晶闸管1、4和7-10提供逆相序电源, 同时可用于反接制动。当需要能耗制动时,可依据制动电路的需要选择某几个晶闸管不对 称地工作。比如让1、2、6这三个器件导通,其余均关断,就可使定子绕组中流过半波直 流电流。对旋转着的电动机转子产生制动用途。必要时可在制动电路中串入电阻以限制制 动电流。图3.3借助晶闸管交流调压器变压调速TVC-双向晶闸管交流调压器图3.4借助晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路3.2交流异步电动机变频调速系统建模3.2.1变频调速的基本控制方法异步电动机变频调速是转差功率不变型调速,其调速范围宽,无论是高速还是低速 时效率都非常高,•可以达成动态性能,是交流调速的主要进步方向。异步电动机的转速表达式为:n = _ $)= *1 np式中九为定子供电频率,知为极对数,S为转差率,"为电动机转速。由式可知只须改变异步电动机供电频率九就能平滑调节同步转速弘从而实 现异步电动机的无级调速,这是变频调速的基本原理。从表面上看只需要改变定子电压频率九就能调节电动机转速n的大小,但事实上改变 办并不可以正常调速。因为异步电动机是机、电、磁综合于一体的整体,改变一个物理量与 影响另一个物理量。由电动机学可知,当忽视定子漏阻抗导致的压降时,有:Us = Eg = 4.4的$占心% 式中为定子每相相电压,Eg为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值,兀为定子频 率;N]为定子每相绕组中串联匝数;上心为定子基波绕组系数,咖n为每极气隙磁通量。从式(3.5)可知,仅通过改变频率改变电动机转速九时,假如电压/维持不变,就会 使每极气隙磁通量©n发生改变,在设计电动机时,主磁通的额定值通常都选择在临界饱和 点。所以在额定频率以下调频而不改变时,会使主磁通过饱和,励磁电流急剧升高,致使 绕组过热而损毁电动机;在额定频率以上调频时,会使主磁通太弱,没充分借助电动机 的铁心,且使得电动机转矩减小。因此,在实质调频调速时应该尽可能维持主磁通不变。所 以在通过改变频率右调速时,电压&或坊也应相应地改变,以到达主磁通@„近似恒定的目 的。3.2.2异步电动机动态数学模型异步电动机变压变频调速时需要进行电压和频率的协调控制,有电压和频率两种独立 的输入变量,在输出变量中,除转速外,磁通也是一个独立的输出变量。由于电动机通入 的是三相输入电源,磁通的打造和转速的变化是同时进行的,还需要在动态过程中尽可能保 持磁通恒定。所以异步电动机是一个多输入、多输出系统,因为电压、频率、磁通、转速 之间又互相影响,所以又是一个强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时常作如下假设:1) 忽视空间谐波,设三相绕组对称,在空间中互差120。电角度,所产生的磁动势沿 气隙周围按正弦规律分布;2) 忽视磁路饱和,觉得各绕组的自感和互感都是恒定的;3) 忽视铁心损耗;4) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。无论电动机转子是绕线型还是笼型,都将它等效成三相绕线型转子,并折算到定子侧, 折算后的定子和转子绕组匝数都相等,这个时候异步电动机的数学模型由下述电压方程、磁链 方程、转矩方程和运动方程组成。3.2.2.1电压方程三相定子绕组的电压平衡方程为:UA - -Rs +< uB = iBRs +、如=icRs + 警三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为:ua - iaRS + 警卜=ibRs +警〔% = lRs +警将电压方程写为矩阵形式,并以微分算子p代替微分符号:3.2.2.2磁链方程每一个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对他的互感磁链之和。因此,6个绕组的磁链可表达为:实质与电动机绕组交链的磁通主要只有两类:一类是穿过气隙的相间互感磁通,是主 磁通;另一类是只与一组绕组交链而不穿过气隙的漏磁通。定子各相漏磁通所对应的电感 成为定子漏感厶“,转子漏磁通所对应的电感称为转子漏感br,与定子一相绕组交链的最 大互感磁通对应于定子互感厶曲,与转子一相绕组交链的最大互感磁通对应于转子互厶mr。 因为折算后定子、转子绕组匝数相等,且各绕组互感磁通经过的路径所对应的磁组相同,故可觉得Lms=Lmr.对于每一相绕组来讲,他所交链的自感磁通是互感磁通厶和与厶“之和, 因为三相对称,故定子各相自感为:^AA = Lbb — Lcc = Lms + L]s转子各相自感为:通过换算,磁链方程为:cosplay 6 cosplay{6 — 120°) cosplay Ljr = Lms cosplay cosplay 9 cosplay{0 — 120°) cosplay cosplay cosplay 03.2.2.3转矩方程依据机电能量转换原理,在多绕组电动机中,在线性电感的条件下,磁场的储能和磁 共能为:Wm = W^ = liT^=liTLi 经过换算转矩方程为:T = p厶msKtUa + Tb + Zc) sin 8 + sin + 5171] 3.2.2.4电力拖动系统运动方程忽视电力拖动系统传动机构中的粘性摩擦和扭转弹性,则系统的运行方程为:T =心+丄竽 L V dta)= — dt将式、、、, 结合起来就构成在恒转矩负载下三相异 步电动机的多变量数学模型。3.2.3增速齿轮箱传动系统建模增速齿轮箱是一个十分复杂的系统,其包括齿轮传动系统、同步器、换挡装置和箱体 等很多零部件。因此,打造精确的增速齿轮箱系统动力学模型十分困难。齿轮传动系统作 为增速齿轮箱中主要的运动和动力传递部件,对齿轮箱的传递特质起非常重要用途。因此, 对齿轮传动系统建模可以有效地反映增速齿轮箱的传动性能。本小节以打造增速齿轮箱在变频拖动系统中的动力学模型为目的,因此忽视润滑油 膜力对齿轮传动系统的影响。进一步,假设增速齿轮箱系统由主、从动轮扭转角位移两 个自由度组成,啮合轮齿之间以弹性接触力相互用途,设h和£分别为主动轮和从动轮的转动惯量,01和02分别为主动轮和从动轮的扭转角位移,心为驱动力矩,和42分别为 主动轮和从动轮的基圆半径,门为阻力矩,则系统的运动微分方程为:巧+% =忌 (3.17)丿2。2 — 卩%2 = 一Td齿轮传动系统的传递误差X的表达式为:X = rb2e2 -轮齿间用途力F表示成如下形式:d - cb),\x\ > cb \<cb其中,K为轮齿间刚度系数,$为齿侧间隙的一半。由此,可以得到增速齿轮箱简化后的传递函数模型,如图3.5所示。3.3变频拖动系统调速控制设计变频拖动系统的由交流异步电动机进行驱动,对变频拖动系统的调速控制设计离不 开对交流异步电机调速办法的研究。为此,第一引入异步电动机的坐标变换。3.3.1异步电动机坐标变换 3.3.1.1三相静止-两相静止(3s/2s)坐标系变换交流异步电机三相对称的静止绕组A、B、C,通以三相平衡的正弦电流时,所产生的 合成磁动势是旋转磁动势F,它在空间呈正弦分布,以同步转速wi (即电流的角频率)顺 着A-B-C的相序旋转。然而,产生旋转磁动势不肯定非要三相绕组,两相静止绕组a、卩 通以适合的电流,同样可以产生与三相绕组相同的旋转磁动势。在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组a、B之间的变换,称作三相静止坐标系 和两相静止坐标系间的变换,简称3 s/2 s变换。图3.6给出了 A、B、C和a、两个坐标 系,为便捷起见,取A轴与a轴重合。图3.6三相-两相静止坐标系变换由图3.6所示的两坐标系空间关系,可以得到两坐标系电流关系为:图3.7三相-两相静止坐标系变换在图3.7中,两相交流电流0和$和两个直流电流力和―,产生同样的以同步转速… 旋转的合成磁动势F。由图3.7可见,0和%,4和-之间有下列关系:sin = Kp +寸其中,知为转速调节器的比率系数,&为转速调节器的积分系数。3.3.3变频拖动系统调速控制系统设计基于上一小节异步电机的矢量控制办法,本小节对由交流异步电机与增速齿轮箱组 成的变频拖动系统的调速控制系统进行设计。因为调速回路引入了具备非线性特质的增 速齿轮箱,而异步电机的矢量控制办法并没考虑齿轮箱的非线性特质,从而使得整个 变频拖动系统的调速品质降低。因此在对变频拖动系统的转速进行调节时,需要将增速 齿轮箱的动力学模型纳入到转速闭环回路,原理框图如图3.10所示。图3.10变频拖动系统调速控制办法原理图图3.10与异步电机的矢量控制原理图相比,增加了增速齿轮箱,低通滤波器与转 速换算环节。其中,g为低通滤波器的截止频率,心为与增速齿轮箱转速比有关的转速 换算系数。因为增速齿轮箱的非线性会引起电机输出力矩的高频波动,进而在输出转速 中引入高频成份,影响调速品质。而低通滤波器的主要用途则是滤除因为增速齿轮箱非 线性引起的转速中的高频分量,进一步,经过换算增益反馈给转速调节器,从而完成整 个变频拖动系统的调速控制闭环,达成拖动系统转速的高性能控制。3.4变频拖动系统仿真剖析应用MATLAB对变频拖动系统进行仿真剖析。当三相异步电机接入三相交流电源 时,三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势(定子旋转磁动势)并产生旋转 磁场。该旋转磁场与转子导体之间发生相对切割运动,依据电磁感应原理,转子导体产生感 应电动势并产生感应电流。载流的转子导体在磁场中遭到电磁力用途,形成电磁转矩, 驱动转子旋转,当电动机轴上带机械负载时,便向外输出机械能。三相异步电动机的转 速永远低于旋转磁场的同步转速,使转子和旋转磁场间有相对运动,从而保证转子的闭 合导体切割磁力线,感生电流,产生转矩。3.4.1异步电机矢量控制仿真及剖析在Simulink中对异步电动机的矢量控制办法进行仿真建模。仿真系统由转速调节 器、坐标变换、反坐标变换、旋转坐标电流计算环节、磁链计算环节、电流调节器、等 效异步电动机模块等环节组成。异步电机矢量控制的Simulink仿真模型如图3.11所示。图3.11异步电机矢量控制仿真模型转速调节器的仿真参数选取为Kp = 30, K, = 5,额定转速= 1500r/mtn,仿真时 间t = 3s,当仿真时间t=ls时,负载力矩由= 4N • m阶跃变为Tt = 8N ■ m.仿真结果 如图3.12所示。三相转子电流仿真结果0 0.5 1 1.5 2 2.5 3时间⑸转子输出力矩仿真结果电机输出转速仿真结果图3.12异步电机矢量控制仿真结果由图3.12异步电机矢量控制的转子电流仿真结果可以看出,转子电流在整个仿真过 程中,共发生两次明显变化,分别发生在仿真时间t = 0.2 s附近及仿真时间t = lso由图 3.12异步电机输出转速的仿真曲线可以看出,电机在t = 0.2s附近达到给定转速附近。 之后,电机在矢量控制转速调节器有哪些用途下,接近匀速运行,加速度近似为零。因此,由 图3.12异步电机转子输出转矩可以看出,在仿真时间t = 0.2 s附近,转子输出力矩飞速 降为此时的负载力矩4N • m,这讲解了转子电流在t = 0.2 s附近的明显变化。为了验证异步电机矢量控制的闭环调速性能,设置了仿真条件在t = ls时,负载力矩 由Ti = 4 N • m阶跃变为Ti = 8N由图3.12可以看出,在t = Is时,转子输出力矩 飞速变为8N-m,以应付负载力矩的阶跃变化。这讲解了图3.12电机转子电流幅值在 t = ls处的明显变化。进一步,由图3.12可以看出,尽管负载力矩在t = ls处发生了阶 跃变化,此时电机转速变化非常小。从而,可以得出结论异步电机的矢量控制办法与本文 选取设计的转速调节器参数可以有效调节电机转速,并且应付负载力矩突变的性能好。3.4.2变频拖动系统调速控制仿真及剖析为了说明变频拖动系统调速控制办法的必要性与有效性,分别对变频拖动系统进行 半开环与本文所设计的闭环调速办法仿真剖析。第一,给出变频拖动系统的半开环仿真模型如图3.13所示。可以看出,变频拖动系统 的半开环仿真是在异步电机矢量控制办法的基础上,直接引入增速齿轮箱的仿真模型,将 电机轴输岀转速接入齿轮箱输入轴,齿轮箱输出轴转速即为拖动系统的输出转速。用途在 齿轮箱输出轴的负载力矩经齿轮箱输入轴传递给电机轴。因为只有电机轴输出转速进行了 闭环控制,并且在控制器设计时也并未考虑齿轮箱的特质。因此,称这种控制方法为变频 拖动系统的半开环控制。图3.13变频拖动系统半开环仿真模型增速齿轮箱的转速比选取为P = 4,为了保证仿真结果的可比较性,除用途在增速齿 轮箱上的负载力矩在仿真时间t = ls时,由Td = lN-m阶跃变为T2 = 2 N -m外,其他仿 真参数均与上一小节相同,仿真结果如图3.14所示。三相转子电流仿真结果转子输出力矩仿真结果时间电机输出转速仿真结果齿轮箱输出转速仿真结果图3.14变频拖动系统半开环仿真结果由图3.14可以看出,电机转子输出力矩出现两次明显的力矩波动,在矢量控制闭环转速调节器有哪些用途下,尽管电机输出轴转速非常不错的克服了力矩波动的影响,调速性能好。 然而,作为变频拖动系统的输出转速,齿轮箱的输出转速受力矩波动影响明显,由局部放 大图可以看出,输出转速波动幅值最大处能达到200r/min,这在实质的测试平台中是不 能同意的。图3.15、图3.16为增速齿轮箱的仿真曲线,由图3.15的齿轮箱反馈负载力矩曲线可 以看出,因为增速齿轮箱的间隙非线性特质,齿轮箱反馈给电机轴的负载力矩波动十分明 显,这讲解了 3.14(b)转子输出力矩产生波动是什么原因。200150100500-500 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3时间(S) 时间(S)图3.15齿轮箱反馈负载力矩曲线图 图3.16主、从齿轮位移仿真曲线由图3.16增速齿轮箱的主、从齿轮位移仿真曲线可以看出,在整个仿真过程中,从动 齿轮对主动齿轮进行了非常不错的跟踪,这说明了增速齿轮箱模型的有效性,由局部放大图可 以看出,达到稳定状况时,主、从齿轮间一直存在约为0.03的位移差。该位移差产生齿轮 间的弹性形变,与负载力矩相平衡。由上述仿真剖析可以得出结论,变频拖动系统的半开环转速控制办法没办法满足实质需 求。为此,对本文设计的变频拖动系统闭环调速控制办法进行仿真剖析。由图3.10可以看 出,本文所设计的闭环调速控制办法与半开环控制办法的主要不同在于将增速齿轮箱模型 纳入到整个调速闭环中,并且引入了低通滤波器与转速换算系数。其中,低通滤波器主 要用于滤除齿轮箱输出转速的高频成份,转速换算系数的主要用途是维持与给定转速的一 致性。同样,为了保证仿真结果的可比较性,除新引入仿真参数低通滤波器截止频率g= 200rad/s,转速换算系数心=0.25以外,其他仿真参数均与半开环控制仿真参数维持一 致,仿真结果如图3.17所示。(d)齿轮箱输出转速仿真结果图3.17变频拖动系统闭环控制仿真结果由图3.17所示的变频拖动系统闭环控制仿真结果可以看出,无论是电机输出力矩波 动,还是电机轴输出轴稳速性能,与齿轮箱输出轴稳速性能都明显优于图3.14所示的变 频拖动系统半开环控制仿真结果。可以看出,尽管当t = ls时,负载力矩发生阶跃变化, 变频拖动系统输出转速发生了微小波动,但转速在闭环调速器有哪些用途下,飞速平稳。上述 仿真结果说明了本章所设计的变频拖动系统调速控制办法的有效性。3.5本章小结本章第一介绍了异步电机改变电压的机械特质和变压调速电路的基本逻辑,引入了变 频调速系统基本控制方法,打造了异步电动机动态数学模型与增速齿轮箱的简化数学模 型。在此基础上,分别对交流异步电机的矢量控制办法与变频拖动系统的调速控制办法 进行了研究。最后,通过仿真剖析验证了所设计的变频拖动系统调速办法的必要性与有 效性。4测试平台设计达成依据测试平台的总体设计原则和三个主要功能系统的设计思路,在对变频拖动系统数 学建模仿真,确定其控制方案的基础上,拓展测试平台详细设计工作。测试平台三大系统 的基本组成设计如下:1) 变频拖动及冷却系统:由交流配电柜、变频器调速控制柜(变频器)、原动机(三 相交流电动机)、增速齿轮箱、齿轮箱油冷系统、风冷系统、拖动控制台等组成;2) 操作控制与测试系统:由测试控制台、交流试验电源模块、直流电源模块、监测显示器、交流接触器柜等组咸;3)交流模拟负载:由阻性负载、感性负载、容性负载等组成。 机载电源系统测试平台设施组成及布局设计如图4.1所示:1.试验电源2.接触器柜3.配电柜4.拖动台5.测试控制台6.交流负载7.力矩台&操作台图4.1测试平台设施组成及布局4.1变频拖动及冷却系统硬件设计变频拖动及冷却系统为机载交流电源系统发电机测试时提供转速源驱动,通过拖动控 制装置达成对拖动台的起动、停止及输出转速的升/降速功能。设计时考虑到设施长期工 作需润滑、降温的实质需要,设计有油冷系统和风冷系统。油冷系统用于对增速齿轮箱进 行润滑及冷却,风冷系统为被试交流发电机提供强迫风冷。变频拖动及冷却系统是测试工 作正常拓展的要紧基础保障设施,是测试平台设计中的要紧部分。通过变频控制系统通过调节变频器的频率,改变电动机输出转速,电动机通过连接机 构带动增速齿轮箱转动,齿轮箱将转速按肯定增速比输出,以带动交流发电机转动,来确 保发电机转速在6600 r/min〜7000 r/min之间,满足数据测试的基本电机转速条件。设计冷却系统,通过油冷管路为增速齿轮箱内部啮合齿轮润滑,同时也起到为齿轮箱 散热有哪些用途,另有水循环系统为油冷管路降温,通过循环水流带走油冷管路所产热量,以 保证齿轮箱工作在允许的温度范围内,确保工作靠谱性。设计一套公花键轴安装在被试交流发电机上,设计一套母花键轴安装在增速齿轮箱, 用于两者进行对接,并通过法兰及卡箍使被试交流发电机与增速齿轮箱端面安装固定,在 测试过程中可以被拖动旋转。通过配电柜给变频拖动系统、风冷系统、滑油冷却等子系统引入交流380V电源完成 拖动系统的配电,从实验室的配电站接入380V/50HZ的输电母线,在配电柜中进行分线、 控制、监控和保护后输出给各用电子系统。逆变单元提供整流输入、整流回报和变频驱动 功能。通过在拖动台中配置变频同步电机在逆变器的驱动下,为被测试的交流发电机提供所 需的转速和转矩,通过PLC控制程序完成逆变器的上位控制并监测电机的运行状况。变频拖动及冷却系统结构组成如图4.2所示:图4.2变频拖动及冷却系统结构组成因为电动机及增速齿轮箱机构具备大水平、高转速等特质,为保证工作的稳定性,设 计时还需搭建一台水平安装基座作为承重部件及水平架构部件,主要用于安装原动机及增 速齿轮箱机构,在试验过程中起到支撑及减震用途。变频拖动及冷却系统结构布局如图4.3所示,图中绘岀了交流配电柜、原动机、被试 发电机、增速齿轮箱、安装基座等,对于附属的油冷系统、风冷系统及被试电源系统等没 有具体示出。变频拖动及冷却系统的要紧组成部件是增速部分、冷却部分、与电源配电部分,具体设计见4.1.1〜4.1.4节。1•交流配电柜2.原动机3.联轴器4.底座5.变频器6.增速齿轮箱7.被试发电机&法兰盘图4.3变频拖动系统结构布局示意图4.1.1增速系统设计 4.1.1」增速齿轮箱参数增速齿轮箱在进行电源系统发电性能测试时处于中间转换地方,其输入轴与电动机输 出轴相连,其输出轴则直接带动发电机旋转。齿轮箱需要按比率提高电动机转速,因而其 性能优劣是变频拖动系统设计中的要紧环节。连接形式上,齿轮箱输出母花键轴,对中适配发电机输出公花键轴达成两轴连接,利 使用方法兰盘及卡箍将发电机与增速齿轮箱进行固定。因为高速传动,应尽可能降低中间环节,使用一级增速齿轮传动能达到增速需要。齿轮 箱的设计重要在于内部啮合齿轮的加工精度及相互啮合度,应尽可能消除齿间咬合误差,避 免转动过程中的齿间干扰。齿轮箱的主要技术标准如下所示:a) 输出功率:不小于300 kW;b) 输岀转速范围:Or/min〜15000r/min;c) 转<>6000 r/min时,输出功率可达300 kW;d) 双输出轴同时工作时,每一个输出轴输出功率不小于150 kW;e) 任一个输出轴单独工作时,其输岀功率不小于300kW;f) 输出方法:双轴同速、同转向(转向可逆);g) 工作方法:连续工作;h) 转速调节精度:±0.5%。增速齿轮箱要能满足输入轴强度大、刚度大、能承受大的轴向力、径向力和传递大的 扭矩,满足拖动功率需要,在增速齿轮箱内增加配重与底座上增加减震设施达成能抵抗 高速传动给系统带来的振动,从而保证测试设施运行靠谱性与精度。4.1.1.2增速齿轮箱制造精度增速齿轮箱制造精度包含:a) 齿轮箱输出安装盘的端面跳动量:不大于0.05mm;b) 输出安装盘止口径向跳动量:不大于0.05 mm;c) 输出花键轴径向跳动量:不大于0.02mm;d) 齿轮箱工作过程中的振动加速度:不大于lg;e) 齿轮箱传动效率:不小于96%;f) 齿轮精度:4级GB10095-88,齿形:渐开线斜齿,齿轮材料使用高级合金渗碳 钢,齿面硬度达到HRC58-62。高、低齿轮传动部件整体进行动静平衡;g) 轴承:进口的高密度SKF或FAG滚动轴承;h) 齿轮箱油标察看窗:设置齿轮箱底座的明显地方,密封好,不漏油。4.1.1.3增速齿轮箱过程控制增速齿轮箱过程控制:a) 齿轮强度计算按AGMA421.06标准进行,胶合按AGMA2170.01进行,并用GB3480-83和国标胶合计算进行校核验算;b) 齿轮精度标准为ISO1328;c) 振动检验按API670;d) 齿轮加工在进口成型磨齿机上加工,并进行PGC修型,齿轮精度达到4-6ISO1328-1995;e) 轴承使用高精密进口滚动轴承或滑动轴承;f) 箱体加工在数控镇铳加工,保证系统精度。4.1.2油冷系统设计4.1.2.1主要功能计算冷却流体的流量和管径十分重要。油冷系统用于为增速齿轮箱起润滑及冷却用途, 齿轮箱的润滑十分要紧,好的润滑可以对齿轮和轴承起到足够的保护用途,除此之外,齿轮 箱的润滑主要功能如下:a) 减小摩擦和磨损,具备高的承载能力;b) 吸收冲击和振动;c) 预防疲劳点蚀;d) 冷却、防锈、抗腐蚀。只有当油冷系统工作正常时,增速齿轮箱才能开启用,其为变频拖动系统正常工作 的要紧基础跟首要条件。设计冷却系统主要参数指标如下所示:a) 系统润滑油流量不小于50 L/min;b) 供油温度15°C~35°C;c) 润滑油过滤精度<30 |xm;.d) 增速齿轮箱进油口重压0.15-0.2 MPa;e) 增速齿轮箱正常工作温度<75°Co4.1.2.2设计思路油箱中的润滑油第一经过油液粗过滤器,滤除掉妨碍齿轮箱正常工作的污染颗粒,然 后通过电机和油泵将润滑油泵入增速齿轮箱机构,油量大小则通过调节比率阀开度进行控 制,依据WP=p^/7200A2,油液密度p已知,油液管径肯定,则油管面积么肯定,通过调 节流量Q即可达成油压存的调节。根据重压等级标准系统重压为4MPa,油冷系统组成 原理如图4.4所示:增速齿轮箱进口管路装有温度传感器,当油液温度超越规定值时,测控计算机输出信 号给比率阀,通过调大比率阀开度,从而增加润滑油流量,以确保供油温度保持在规定的 允许范围内。当供油温度超出预警范围时,系统自动启动水冷系统确保油液温度在正常工 作范围。油箱内安置液位传感器和温度传感器,随时监测油液量和油液温度。将油箱底部设计 有适合倾斜角度,便于放净油箱内的油液。设计油箱盖具备使用空气滤清器与外面通气, 重视防尘、密闭性。油箱侧面设计有清诜口,便捷油箱的清洗与维护。4.1.2.3电机功率电机功率计算如下列公式所示:N=P*Q/ 式中,N为电机功率,单位为kW, P为系统重压,大小为4 MPa, Q为流量,大小为50 L/min,耳为电机效率,大小为85%。依据计算驱动电机最低功率为N=4 kwo4.1.2.4油泵排量油泵排量计算如下列公式所示:L=Q/R 式中,L为油泵排量,Q为流量,大小为50L/min, R为转速。4.1.2.5液压管路设计系统重压等级为4MPa,系统流量约50L/mino依据国标中的流速标准,重压油路流 速取6 m/s,吸油油路流速取1.2 m/s,回油油路流速取2.5 m/s。依据计算公式:J>1130J「60x1000x7式中,d为液压管的通径,单位为mm, Q为流量,’单位为L/min, V为管内流速,单位为 m/So通过计算,各段管径选择如下。a)重压油管径:重压油管路主要满足系统总流量需要,其流量需要约为50 L/min, 流速取6m/so依据计算,其管径需要如下:d>\ 130./ = 13mm V 60x1000x6故使用18mm标准管径。c)回油管径:回油管路主要满足系统总流量需要,其流量需要约为50L/min,流速 取2.5 m/so依据计算,其管径需要如下:d 30」 =21mm V 60x1000x2.5故使用25mm标准管径。c)冷却功率计算:取系统功率1/2作为液压系统油温发热功率,即:Pv=N*冷却功率:P= Pv /=2/ =0.04 kW。即所配的水冷却机组功率大于0.04 kW即可。4.1.3风冷系统设计交流发电机发电过程中,机械能转化为电能,内部会产生非常高的热量,多余热量若不 准时散去,将会严重干扰发电机的工作性能,甚至致使发电机的损毁。本测试平台中,依据交流发电机的工艺设计,使用强迫风冷的方法为各被试发电机进 行强制通风冷却,以下对风冷系统的设计作叙述。4.1.3.1主要规格参数主要规格参数:a)控制风量显示:9m3/min;b)总风量:不小于700m3/h;c)总风压:不小于4 kPa。4.1.3.2系统设计思路依据风冷系统指标需要,使用风机抽取自然风的方法对发电机进行强迫通风冷却,风 机出风口通过通风管路连接至各发电机的进风口上。风机的起动、停止与风压风量的调 节通过变频拖动系统中的测控计算机进行控制,风量的测量通过在通风管路中加装风量传 感器进行实时监测,当风量监测值偏离技术标准需要时,调节风机变频器频率,从而达成 风机转速调整,进而改变风机输出风量,直至风量传感器监测值稳定在指标需要范围内。风量与风速之间具备如下关系:Q=60VA 其中,Q表示风量,V表示风速,A表示管道截面积。风压与风速之间具备如下关系:WP=0.5pV2 其中,WP表示风压,p表示风密度,V表示风速。依据以上两式,可得:WP=pQ2/7200A2 因此,通过所测风量值,即可得到风压大小,通过测试软件后台程序编辑,可在参数 显示界面上,实时显示风冷系统风压风量值。4.1.3.3风冷系统具体设计选取变频控制器与变频风机协调工作,通过控制变频器频率,以改变风机转速,从而 达成风量的连续调节,同时风冷系统配备有通风温度、重压及流量的测量装置和接口,可便捷与计算机连接推行远距离控制和现场测试数据,风冷系统组成框图如图4.5所示:图4.5风冷系统组成框图因为在试验过程中可能需动态对冷却风速进行调节的需要,风冷系统需具备当地/远 控切换按钮,手工调节功能,风冷系统的起动、停止、风量调节、状况显示、急停按钮等 功能。同时为了便于移动,风冷装置设计安装有轮子,并按拖动台布置状况配套足够长度 的冷却风输送带和连接附件。4.1.3.4管径设计因为电机输岀功率为355 kW,依据热与功率计算,初步控制总风量不小于700m3/h, 总压不小于4 kPa,依据总风量二单位横截面积X流速,如以下公式所示,可计算风冷系统 管径:TH"1 XV — Q其中,Q表示风量,V表示风速,r表示管道半径。空气的流量通常为20m/s~25m/s,计 算可得r为60mm,所以使用120 mm的管道直径。4.1.4交流配电柜设计交流配电柜用于变频拖动及冷却系统的供电及试验操作台供电。交流配电柜三相五线 制交流380 V/220 V (线电压/相电压)、频率50 Hz输入电压由实验室管网引入,经变压 及容量分配,输出220 V、115 V电压供平台用,其中115 V通过交流115 V/400 Hz电 源获得,交流配电柜内部布局原理图如图4.6所示。图4.6交流配电柜内部布局原理图 各支路用电设施功率如表4.1所示。表4.1各支路用电设施功率序号 设施名字 功率 备注1 原动机 355 kW 2 变频器 500 kW 3 油冷系统 5 kW 4 风冷系统 5kW 5 控制台 1 kW 依据各支路用电设施的功率,计算出配电柜总功率为845.2 kW,—般在工业配电中,考虑到预留支路和余量的设计,釆用1.3倍系数的设计原则,固配电柜总功率约为1100kWo4.2操作控制与测试哽件设计操作控制台是机载交流电源测试平台的控制中心,用于对测试平台的控制、监控和管 理。从拖动系统的控制、监控、安全等角度出发,需要实时的采集和监控的系统工作中的 过程参数,主要包含变频拖动及冷却系统中三相交流电动机的起停、调速,油泵的起动、 停止、油压调节,发电机风冷装置的起动、停止、风压风量调节。通过操作控制系统中的 测控计算机进行控制,拖动台的输出转速、风冷装置的实时参数变化均通过拖动控制台中 的测控计算机进行采集与显示。操作控制台由两部分组成,一部分安装显示器,一部分安 装控制面板,其中控制面板硬件控制面板布局按图4.7设计。!*«•K 3OT0.5A段觀I⑹ 10OA图4.7操作控制台面板布局在操作控制台上设置旋钮开关、急停按钮、运行状况指示灯、问题指示灯、拖动台转 速表头等器件,转速表头使用数字显示方法,用于直观的察看拖动台实时转速。在操作控 制台的底部安装工控机箱、工控机控制器、信号调理箱、传感器供电电源等设施。其中, 工控机箱主要用于安装各数据采集、数据输出、通讯板卡;控制器作为整个数据采集系统 的核心,主要用于对各板卡的控制,与测试系统的运行平台,是整个变频拖动及冷 却系统中用于控制、测试的核心;配置信号调理箱用来采集交流信号、低压直流、高压直 流信号并进行调理,达到板卡釆集所需要的电平标准范围内,同时调理箱内部布置直流供 电电源,为各通道传感器供电。4.2.1上位机硬件选配a)机箱:8槽PXI机箱,风扇强制冷却。b)控制器:基本参数:i5-3610ME, 4GB内存,2.7GHz主频,256SSD硬盘;c)多功能釆集卡:主要用于传感器的数据采集和控制。基本参数:16路,16bit、 250kSPS 采样率;2 路 AO、16bit、2MSP 刷新率;8 路 DIO, 16 路 MFIO, 2 路 32位、100MHz计数器;d)RS485通信板:用于控制器与变频器和仪表通信。基本参数:8端口 RS485/RS422PXI 串行接口 模块。PXIe-8431/8 是一款用于与 RS485 和 RS422 设施进行高速通信的高性能接口,它具备高性能DMA传输、多线程和多处置器 支持。用户可选择4线或2线收发器模式来达成全双工或半双工通信。NI串行 接口也可作为标准COM端口,以便兼容用串行通信的程序。4.2.2操作控制与测试系统电路设计操作控制与测试系统电路主要有控制电路和数据采集电路两部分。其中数据采集通过 安装转速传感器主要用于监测拖动台原动机转速,温度传感器用于测量齿轮箱进油口油液 的温度,风量传感器用于测量发电机风冷系统实时风量。并为了通讯信号的传输,配置 RS485通信板,用于控制器、变频器与仪表通讯。最后各种传感器信号均转化为电压或电 流信号,通过电压采样和电流采样反馈到测试系统中。电压采样使用电阻降压采样,电流 采样使用电流互感器CT隔离采样,其各自又包含:信号放大、自动量程处置、抗混迭低 通滤波电路、ADC模数转换器组成。此电路对输入的交流信号进行量化采样,后经微处置器运算电路进行数字运算处置,并把测量数据显示在测试系统上位机显示界面上。作为设 计的重点之一提前研究机载交流发电机系统的启动-工作-加载-卸载-停止整个过程的逻 辑时序并与机载交流系统承制单位交流确认各部件之间的通讯接口 ICD概念之后,在测 试时通过拖动台带动发电机转动,待发电机运行至测试条件时,通过交流电源系统测试控制台控制负载接入,对被 试件特质参数进行实时采集剖析。4.2.2.1电流传感器本测试系统的被测试信号包含电压信号和电流信号,115V/400HZ电压信号直接送入 信号调理箱中进行调理,以增加系统的带宽,改变系统的动态性能;电流信号由电流传感 器变换后进入测试系统。系统中用到的电流传感器型号有 LT58-S7.LT308-S7,LT508-S6, 用于测量380V/50HZ、115 V/400 Hz等通道的电流与短路电流,传感器需要的±15V直 流电由信号调理箱中的电源供电。电流传感器在系统中的配置如图4.8所示,其中Rm为 信号调理箱中的取样电阻。_+15 2电流传感器 M--15 V图4.8电流传感器接线图4.2.2.2电压传感器为了使测试系统的380V/50HZ电压信号与机载交流电源系统隔离,系统的380V/50HZ 电压信号经过电压传感器后送入信号调理箱。系统使用的电压传感器需要的±15V直流电 由信号调理箱中的电源供电。电压传感器在系统中的配置如图4.9所示,其中Rm为信号 调理箱中的取样电阻,具体阻值参见附录中的相应通道;Ri为前端的取样电阻,将电压信 号转换成电流信号,在本系统中Ri为4个6kH的精密电阻串连组成。图4.9电压传感器接线图4.2.2.3电压调理电路系统中共有115 V/400 Hz交流电压测试通道20路,直流28.5 V有10个通道,380 V/50 Hz 测试通道5个。交流115 V与直流28V信号都通过电压调理后送入PXI-6071Eo依据输 入信号的幅值范围选择不一样的分压电阻,具体电阻值参见附录。图中D011为瞬态电压抑 制器(TVS)。电压测量原理如图4.10所示。图4.10电压测量原理框图380 V/50 Hz隔离电压测量与电压传感器配合用,单相220 V电压信号先通过Ri电 阻将电压信号转换成电流信号,然后由电压传感器进行隔离、比率变换输出电流信号,此 信号通过取样电阻将电流信号转换成电压信号,测量电路如图4.11所示。4.2.2A电流调理电路电流传感器选择的高精度霍尔电流传感器。电流测量电路如图4.12所示。Rm为电流传感器输出取样电阻,取样电阻上得到的电压信号经过放大后送入PXI-6071E,取样电阻 阻值和运算放大器的放大倍数应依据传感器的型号决定。图4.12电流测量原理框图4.3模拟负载硬件设计依据实质机载用电设施的负载特质,模拟负载装置需要有阻性负载、感性负载及容性 负载三部分组成。设计负载箱负荷加载使用分档设计可满足不同负荷需要的加载,每台负 载装置分别设有0.5 A、1A、2A、2A、5 A、10 A、20 A、50 A. 100 A档位开关,可使用 手工配置负载,当功率因数表显示功率因数满足需要cosplay<p=0.7或0.95 (超前)时,记录负 载值。在硬件线路中增加程控开关,也可通过程序达成开关的闭合来达成一次性加载。考 虑到模拟负载为功率消耗器件,自己工作时会产生很多热量,故在设计时对每台负载装置 加装散热风扇对负载装置进行主动风冷散热,从而保证负载装置工作的稳定靠谱性和多种 试验状况的适应性。4.3.1交流负载装置交流负载装置主要由以下几部分构成。a) 面板布置:每台面板都配置有三相多能仪表、功率档位按钮、电源按钮(带灯)、 问题报警蜂鸣器、负载连接接口,RS485通讯接口;b) 电阻元件:合金电阻,温漂小、温升慢、散热快,满负荷工作时耐热能力强,可 以长期稳定工作;c) 电感元件:使用并联负载电抗器;d) 电容元件:使用CBB电容器;e) 测试功能:能显示三相电压、三相电流、视在功率、有功、无功、频率等参数;f) 散热方法:强制风冷;g) 排风方向:下进上出,风机电源AC380 V/50Hz;h)负载保护:过流过压/超温保护/风机问题保护/相序保护。4.3.2指标参数三台交流负载装置基本参数分别如表4.2、表4.3与表4.4所示。表4.2交流阻性负载装置参数指标序号 参数名字 指标1. 额定电压 AC 115 V (相电压)2. 负载性质 阻性3. 接线方法 星型有中线接法4. 频率参数 400 Hz5. 额定功率 100 kW负荷精度(每一负载支 ±3% (额定负荷下运行3h)6. 路) 7. 负载分辨力 不大于0.5 A (每相)表4.3交流感性负载装置参数指标序号 参数名字 指标1 额定电压 AC 115V (相电压)2 负载性质 感性3 接线方法 星型有中线接法4 频率参数 400 Hz5 额定功率 100 KVA负荷精度(每一负载支 6 路) ±3% (额定负荷下运行3小时)7 负载分辨力 不大于0.5A (每相)表4.4交流容性负载装置参数指标序号 参数名字 指标1 额定电压 AC 230 V (相电压)序号 参数名字 指标2 负载性质 容性3 接线方法 星型有中线接法4 频率参数 400 Hz5 额定功率 100 kVA负荷精度(每一负载支 6 路) ±3% (额定负荷下运行3h)7 负载分辨力 不大于0.5A (每相)4.4测试平台软件设计与达成4.4.1功能模块设计该系统设计按模块划分为:显示模块、系统初始化自检模块、数据处置模块、数 据采集模块、数据回放模块,数据检索模块、驱动管理模块等,其模块划分如图4.13所示。电源测试平台数据监控 显示 系统初始化 自怎 数据处置 数据采集 数据回放 报表生成 10设施驱勾 422、485、429 总线驱动 1553B驱聂 1驱动管理模块图4.13系统模块组成图4.4.1.1数据监控显示模块数据监控显示模块用于对整个系统设施的数据进行采集,信号过滤,并将采集的数据 进行分析显示。4.4.1.2初始化自检模块该模块主要完成对自己所有板卡的初始化和自检工作,并将初始化和自检的结果进行 显不O4.4.1.3数据采集模块设计数据采集模块主要达成对RS485、RS422等通讯信号,ARINC429, 1553B等数据 信号,离散量、模拟量等信号的实时数据采集任务,并将原始数据及分析后的数据均上传 至数据库进行保存。4.4.1.4数据处置模块设计数据处置模块主要完成对数据结果的分析,通过访问数据库,将数据库中对应的 信息与采集模块釆集的数据进行关联,完成数据的分析,可以达成数据的在线处置和剖析, 并将分析的数据放入缓存区,提供给显示界面进行调取显示。4.4.1.5数据回放模块设计数据回放模块主要完成对测试结果进行回顾,用数据回放模块可以对保存的数 据进行回放,并支持对数据逐帧回放,同时绘制数据曲线图,也可显示文本数据,并通过 时间对测试结果进行检索。4.4.1.6报表生成模块报表生成模块主要功能是完成电源系统测试后,为实验者提供的检验报告,可依据被 测对象选择不一样的测试项或进行全功能测试,最后自动生成测试报表。4.4.1.7板卡驱动模块板卡驱动模块主要完成对所有驱动的管理,主要包含ARINC429、RS485、RS422、1553B、 离散量、模拟量的驱动。通过驱动管理软件,会将所有板卡的API进行统一管理,并通过 数据库将管理信息进行保存,通过配置界面完成对其的修改。使得驱动的管理和调度愈加 的灵活。用LabVIEW软件编制用户交互操作控制软件。软件控制步骤如图4.14所示。4.4.2主要模块详细软件设计 4A2.1拖动控制系统设计本论文所设计的监控软件主要包括了通讯接口、系统管理、下位机参数设置、系统监 控、数据管理等几个部分。其中通讯接口主如果完成通信参数设置,上下位机通信。通过 拖动控制系统的监控软件设计目的是达成测试平台中变频拖动及冷却系统的齿轮转速、冷 却油量、风量等参数信息的监测,现实交流发电机电压、电流,永磁机电压等信息与各参数符合交流发电机测试条件。软件界面设计如图4.15所示。通过对软件程序对变频器进行控制,达成对变频拖动系统的原动机、风机的设施控制, 运行控制和数据监控,见图4.16所示。4.4.2.2系统管理与数据测试软件设计 4.4.2.2.1系统管理与数据测试组成依据功能需要,数据测试与管理软件主要包含系统管理和各项测试模块。管理部分用 来为操作职员和系统管理职员不同操作权限进行设置,数据查看、信息报警、操作记录查 询与报表的下载、打印、管理。测试模块主要用于系统参数配置,各自参数信号的测试。系统管理与数据测试软件组 成如图4.17所示。4.4.2.2.2数据通讯程序设计设计时借助板卡的自发自收功能进行验证。在一个大的循环体内判断是不是有 ARINC429信号需要发送,满足发送条件则用LabVIEW的条件结构,进行发送,再判断 是不是有数据需要接收,再读取FIFO里的数据。数据发送与接收设计软件步骤如图4.18所示。图4.18数据发送、接收程序步骤图借助LabVIEW的“互连接口”中“库与可实行文件”将单次点击成本I板卡的库函数转换成可实行 程序,达成机载交流电源115 V电压ARINC429信号的发送和同意。具体程序如图4.19所示。图4.19发送、接收软件的配置程序4.4.2.23数据采集、监控和报出整个数据处置部分设计是在LabVIEW环境下采取对数据信号逐步分析出其标号位,源、 目的位,数据位,状况位等,并先判断标号位是不是合格,假如合格进行下一步比较,假如 不合格直接按不合格数据处置。对于合格的数据对比ICD文件,显示出源、目的、数据状 态、与数据的具体值。程序步骤如图4.20所示。接矽城 ■*图4.20数据处置软件程序步骤图通过LabVIEW程序设计三个虚拟仪器的波动旋钮控件,用于电源、负载、转速的调节。设置显示控件,用于交流发电机的电压、电流、相序、频率等主要参数显示和波形图表显 示。测试界面示意图如图4.21所示。图4.21数据采集和监测软件界面对每个数据进行数据监控是系统管理的一项要紧任务,需要可以借助表格、曲线等形 式对数据进行回放,并保存有关展示配置。数据回放系统界面如图4.22所示。数拒1*1放[文件讼捂f [ 牛 ] !~~5图4.22数据回放系统界面4.5本章小结在第3章对测试平台的重要系统变频拖动系统进行数学建模和仿真剖析得出理论依据 的状况下,本章主要完成了测试平台的详细设计。围绕测试平台的变频拖动及冷却系统和 操作控制与测试系统及模拟负载等三大主要功能系统进行详细设计。分别对测试平台从变 频拖动及冷却系统的传动、冷却、供电等几个主要组成部分进行硬件设计,通过数学建模 计算确定风冷系统的流量设计及设施选配。对操作控制与测试系统的硬件电路和操作台功能设计等方面对进行了详细硬件设计;从拖动控制、系统管理与数据测试等几个部分进行 了详细软件设计。5地面测试平台系统调试及试验验证5.1测试平台系统调试系统调试主要包含功能检査和指标调试。功能检查主要指对飞机电源稳态特质测试系 统的基本功能进行测试,完成测试平台的供电、控制功能测试,包含系统耗电、功能切换、 时间精度、数据记录与变频拖动平台的调速性能等检查。指标调试主要指对每一个测试通 道的测试指标进行调整,确保整个测试系统满足设计指标,最后确保测试平台达到设计预期 目的。测试平台完成搭建之后,最重要工作是对测试平台进行调试。本节着重介绍几个在调 试过程中遇见的有代表性问题和解决方案。(1) 问题描述:在测试平台调试机会载交流发电机的永磁机电压采集偏低。缘由:在设计采集电路时将釆集点设在了永磁机电压输岀电缆挨近变频拖动系统一端, 采集到的永磁机电压遭到系统干扰。解决方案:将永磁机电压采集点移至永磁机电压输岀点,重新进行测试,永磁机电压 釆集正常。(2) 问题描述:在进行机载交流发电机三相不平衡度(不大于0.5%)测试时,因为 硬件电路已经在控制机柜中安装到位,要想分别测试AB、BC、CA每相电压时,操作困难程度 较大,而且测试误差也比较大。缘由:因为该交流发电机在地面测试平台中实质每次只不过单相电而非三相电,三相不 平衡测试测试,使用仪表分时测试,先测AC相,再测BC相,再测AB相,测试数据存在偏 差。解决方案:使用星型接法设计实时测试电路,用程序控制波段开关切换三相电,提 高了交流发电机三相不平衡度的测试便捷性和数据精度。(3) 问题描述:测试交流发电机缺相保护时间(应不大于Is)时,测试数据不准确。缘由:因为该交流发电机测试电路设计时考虑整个系统控制电路和电压采集电路的干 扰处置不健全,电机发电中存在电磁干扰,导致测试系统提前停止计时,测试的缺相保护 时间不准确。解决方案:在硬件上使用滤波处置,在计时测试电路中,增加RC滤波电路,问题得到 知道决。如图5.1所示,在整个测试电路中增加这种电路也称兀型RC滤波电路。在电容滤波 之后又加了一级RC滤波,使得输出电压更平滑。图5.1 RC滤波电路问题描述:变频拖动及冷却系统在电机测试加载试验时,出现变频器通信问题, 原动机出现忽然停机。设施调试测试报故界面如图5.2所示。图5.2设施调试测试报故界面缘由:操作台同变频器使用远程总线控制,在大负载试验时,功率线路电流超越150A, 地沟内电磁干扰紧急,导致通讯总线数据丢失。变频器收到错误控制信号,致使设施急停。解决方案:通信总线的屏蔽线,使用多点接地方法,将电磁干扰就近接入地,有效降 低了电磁干扰。问题描述:在测试交流电源控制器时,用实验室电源代替永磁机电压和主发 电电源,同时接入时交流电源控制器时实验室电源岀现了保护现象。缘由:经查询交流电源控制器的工作交联关系原理,发现其在工作时永磁机电压要先 接入到控制器内,再接入主发电电压。解决方案:在控制软件中进行逻辑判断,根据机载电源系统工作上电顺序加电。先接 入永磁机模拟电源,再接入主发模拟电源,交流电源控制器通电测试工作正常。设施调试完成之后,先对测试电缆的插头、插座再进行一次绝缘检查,用500V兆欧 表检查电缆插头的插针或插孔相对于壳体的绝缘电阻应不小于20 MQO5.1.1供电到位检查打开飞机电源参数采集显示系统综合测试设施主控软件,选择XXX型号测试任务, 在弹出的图5.3供电检查界面中选择“手工测试”,再选“设施迅速上电”;等待电源工作指 示灯变为工作状况后,用万用表在图5.3所示信号适配箱前面板处的“28 V工 作”和“28 V工作地”之间测试电压值应为28 V 。用万用表在控制器XS1插头的125 脚与127脚之间测量,应有28V±1 V直流电压值。用万用表在采集器1 插头的B102 脚与B105 脚之间测量,应 有28V±1 V直流电压值。用万用表在控制盒插头的N 脚与R 脚之间测量,应有28V±1V直流电 压值。图5.3供电检查假如电源供电异常,查询信号适配箱28 V电源输入航插是不是连接正常,并确认自保 开关处于导通状况;查询信号转线箱28 V电源输入航插是不是连接正常,并确认自保开关 处于导通状况;测试信号适配箱前面板28 V电源是不是工作正常。5.1.2直流电压电流计量确认在5.1.1条的基础上,选择手工测试按钮。在弹岀图5.4中的对话框中,对其中的直流 电压、电流勉励模块进行数据设置。并用万用表在图5.4所示信号适配单元前面板的对 应引出口处测试直流电压电流值。假如直流电压信号输出异常,测试NI机箱的输入线缆是不是松动;测试信号适配箱前 面板测试点是不是有电压信号输出;确认与设施连接的线缆是不是拧紧;确认电压调理箱的电 源开关是不是打开。5.1.3交流电压电流计量确认在手工测试工作界面中,对其中的交流电压、电流勉励模块进行数据设置。并用万用表在图5.5所示的信号适配单元前面板的对应引出口处测试交流电压电流值,确认交流频率。图5.5交流电压计量确认交流电压信号输出异常,确认交流电压电源是不是输出异常;确认与设施连接的线缆是 否拧紧;确认交流电压配电箱的电源开关是不是打开,判断互联网是不是连接正常;确认前面板 的橡胶插头是不是被拔岀或松动;手工测试时确认输入电压配置是不是正常。5.1.4发动机启动及其他信号计量确认在手工测试工作界面中,对发动机启动、其他信号模块进行数据设置并保存,用万 用表在图5.6所示信号适配单元前面板的对应引出口处测试电压电流值。图5.6发动机启动信号确认5.1.5 ARINC429总线信号测试本测试用例适用于飞机电源参数采集显示系统ARINC 429总线信号,通过运行该测 试用例,测试在调用所有板卡时,各板卡的采集、输出和通讯功能。打开ARINC429接口 测试软件进行数据勉励采集配置,通过在信号适配箱前面板用短接线进行ARINC 429 通道互联。ARINC429总线信号测试操作示意图如图5.7所示。-srort Avisw — it. :;joft Rent tjelpARINC 429 Front Panel: ir«as»i tuac .•Botrd I&中所示,额定转速设置为6000r/mino拖动控制系统实时曲线图5.9变频拖动系统调速试验结果变频拖动系统实质转速曲线如图5.9中所示,由实质运行曲线可以看出变频拖动系 统经过一段均匀加速后,转速稳定在625.7rad/s附近。折算后可知,转速稳定在5975r/min 附近。由此可以得到,变频拖动系统的调速稳态精度达到了 99.6%,满足工程实质需要。5.2测试一试验验证与结果剖析5.2.1发电机控制器功能测试交流发电机控制器是机载交流电源系统的要紧成品,主如果配合和保护交流发电机工 作,在交流发电机工作过程中发生过压、欠压、过频、欠频、电压差过大等突发状况时在 规定时间内断电保护交流发电机和机上其他用电设施。因此在进行交流发电机性能测试之 前需要先对交流发电机控制器进行功能测试。这一节内容主要介绍交流发电机控制器的功 能测试。5.2.2发电机控制器测试结果5.2.2.1过压保护点电压和延时时间测试结果分别测试发电机电压过压为130 V、160 V和180 V的保护功能和保护时间。发电机 控制器过压测试结果如表5.1所示。表5.1发电机控制器过压测试结果电压值(V) 是不是保护 延时时间合格范围(s) 测试延时时间(S)三相电压115V突变为130V 是 <0.3 0.2三相电压115V突变为160V 是 <0.2 0.15三相电压115V突变为180V 是 <0.1 0.085.2.2.2欠压保护点和延时时间测试结果测试发电机输岀电压由115 V突变为100V±2.5 V时的保护功能和保护时间。发电机 控制器欠压测试结果如表5.2所示。表5.2发电机控制器欠压测试结果电压值(V) 是不是 延时时间合格范围 测试延时时间保护 三相电压115V突变为97.5V 是 <3 1.28三相电压115V突变为100V 是 <3 1.25三相电压115V突变为102.5V 是 <3 1.185.2.23过频、欠频保护动作点和延时时间测试结果测试发电机输岀电压频率分别由400 Hz突变为480 Hz和320 Hz时的保护功能和保 护时间。发电机控制器过频、欠频测试结果如表5.3所示。表5.3发电机控制器过频、欠频测试结果发电机输出频率(Hz) 是不是保护 延时时间合格范围(S) 测试延时时间(s)400 Hz 突变为 480 Hz 是 <2 0.95400 Hz 突变为 320 Hz 是 <2 0.75.2.2.4差动保护动作点电压和延时时间测试主要用于测试当发电机输出电压存在电压差时,控制器可进行断电保护的功能。分别 测试电压差为三相6.8 V和单相6.8 V时能否断电保护。发电机控制器差动保护功能 测试结果如表5.4所示。表5.4发电机控制器差动保护功能测试结果两组发电机输出电压差 是不是 延时时间合格范围 测试延时时间 保护 (S) 三相6.8 V 是 <2.5 1.1单相6.8 V 是 <2.5 1.75.2.3交流发电机性能测试本次研究的主要为了达成机载交流电源系统的交流发电机电气性能测试。在测试过 程中,通过给发电机输出线路主接触器前后分别从空载.50%, 100%加负载和100%、50%、 空载进行卸载,并在每个加载环节保持负载不变,测试交流发电机输岀各项参数。加载原理如图5.10所示。图5.10交流发电机加载示意图5.2.3.1测试步骤图5.11测试步骤图电机测试如图5.11所示,其在两种状况下进行:转动负载和空载数据的采集。转动负 载通过负载箱给电机输入规定的负载,对电机在不一样的型号和不一样的转速下进行加载实验。5.2.3.2操作步骤测试平台搭建并调试完成之后,初步的操作步骤如图5.12所示。图5.12初步操作步骤图设施运行需要完成以下筹备工作:a) 选择与电机匹配的连接器和法兰盘,联轴器与电机和试验台连接,将法兰盘卡在电机连接处。连接与电机匹配的电机线缆;b) 两个琴台220 V电源连接,开启220V空开,开启面板220 V, 28 V开关,打开 电脑;c) 总配电柜开启380V,给拖动电机控制柜供电启动;d) 开启负载箱供电断路器。开启28 V励磁电源供电断路器;e) 检查面板的切换开关是不是在分断地方,假如没应置于分断地方。确认面板的分 档连续切换开关在正确地方;f) 面板航插与被测试的电机控制器航插连接;g) 确认面板的风量调节旋钮、调速调节旋钮、调节旋钮都在零位;h) 开启冷却水阀门,水压调到0.2 MPa;i) 在手工模式下打开手工开关,从小自大缓慢调节风量调节旋钮或调速调节旋钮,同时察看电机运行状况,是不是有异响,确认无问题后继续按机载交流电源测试项 目进行测试。5.2.4交流发电机性能测试结果第一,对照GJB181A对交流稳态电压标准,交流稳态电压参数测试结果符合有关参数范围需要,如图5.13〜图5.16所示。图5.13交流稳态电压测试结果图0 0.005 0 01 0.015 0.02 0 D25 0.03 0.035 0 04 0.045 0 05时间€ s)图5.14稳态电流界面图5.15功率源测试界面串口配査「电压电流0--»)-图5.16频率相位界面-1S3-,0頻率设置 单傥:HzB0诸滾调制因同频第二,分别在功率因数为0.7时,加载和功率因数为0.95时卸载参数如表5.5和表5.6o测试结果表明,该电源系统在不同负载稳定状况时,包含各相的电压、频率、相位、波峰系数、谐波含量、电压不平衡度、畸变系数和各相电压的直流分量符合本文2.1.3条 中参数指标需要,均在GJB181A的规范范围内。表5.5功率因数是0.7加载后的稳态参数报表平衡负载,功率因数0.7,加载:参数 指标数据范围 测试结果1负载0% 测试结果2负载50% 测试结果3负载100%Ua 108-118 117.1 113.6 110.5Ub 108-118 116.3 113.5 109.2Uc 108-118 115.2 112.1 108.7频率(Hz) 393-407 400.16 400.16 400.17A-B相位差(。) 116。〜124。 119.3 119.23 119.3B-C相位差(。) 116°~124° 119.2 119.23 119.3C-A相位差(°) 116。〜124。 121.6 121.5 121.4Ua波峰系数 1.31 〜1.51 1.41 1.41 1.41Ub波峰系数 1.31 〜1.51 1.41 1.41 1.41Uc波峰系数 1.31 〜1.51 1.40 1.39 1.39Ua总谐波畸变(%) 不大于3 2.61 1.84 1.75Ub总谐波畸变(%) 不大于3 2.67 1.75 1.7Uc总谐波畸变(%) 不大于3 2.63 1.92 1.68Ua最高舷谐波舒(%) 不大于3 2.2 1.1 0.98Ub 最高 不大于3 2.21 1.08 0.97Uc最髙戦瞬锂(%) 不大于3 2.04 1.07 0.98三相电压不平衡值(V) .不大于3V 1.5 1.48 1.87Ua畸变系数(%) 不大于5 3.4 2.87 3.1Ub畸变系数(%) 不大于5 3.38 2.4 2.2Uc畸变系数(%) 不大于5 3.61 2.5 2.4A相直流分量(V) 0.10--0.10 0.06 0.06 0.04B相直流分量(V) 0.10〜-0.10 -0.17 -0.18 -0.17C相直流分量(V) 0.10—-0.10 0.02 0.03 0.04表5.6功率因数是0.95卸载后的稳态参数报表平衡负载,功率因数0.95,卸载:参数 指标数据范围 测试结果1负 载100% 测试结果2负载50% 测试结果3负载0%Ua(V) 108-118 110.7 114.5 118.1Ub 108-118 109.1 113.7 117.3Uc 108-118 109.2 112.5 115.8频率(Hz) 393〜407 400.16 400.2 400.16A-B相位差(。) 116°~124° 11&43 118.3 119.1B-C相位差(。) 116°~124° 118.3 119.7 118.7C-A相位差(。) 116。〜124。 121.4 121.6 120.4Ua波峰系数 1.31 〜1.51 1.41 1.38 1.40Ub波峰系数 1.31 〜1.51 1.38 1.42 1.41Uc波峰系数 1.31-1.51 1.35 1.42 1.45Ua总谐波畸变(%) 不大于3 1.74 1.87 2.5Ub总谐波畸变(%) 不大于3 1.72 1.74 2.7Uc总谐波畸变(%) 不大于3 1.71 1.82 2.68Ua最高单次谐波含量(%) 不大于3 0.99 1.4 2.24Ub最高单次谐波含量(%) 不大于3 0.98 1.1 2.21Uc最高单次谐波含量(%) 不大于3 0.96 1.07 2.04三相电压不平衡值(V) 不大于3V 1.83 1.51 1.5Ua畸变系数(%) 不大于5 3.1 2.84 3.3Ub畸变系数(%) 不大于5 2.7 2.4 3.4Uc畸变系数(%) 不大于5 2.3 2.6 3.2A相直流分量(V) 0.10 〜-0.10 0.04 0.06 0.06B相直流分量(V) 0.10 〜-0.10 -0.18 -0.2 -0.21C相直流分量(V) 0.10--0.10 0.04 0.05 0.035.3本章小结本章主要介绍了测试平台搭建后测试还是存在一些问题,测试结果不准确,存在误差 等状况。重点介绍几个调试过程中遇见的典型问题及解决手段。在完成调试之后,对某型 飞机机载交流电源系统进行了控制器的功能检查和发电机的性能参数测试。通过所测数据 可以反映出本文研究的机载交流电源测试平台基本达成设计目的,同时也为后续不同型号 的机载交流电源测试,甚至设计多型号通用的测试平台打下了理论和实践基础。6概要和展望6.1概要本文针对某型飞机机载交流电源系统电气性能测试实质需要,分别从变频拖动系统的 数学建模与调速控制办法、冷却系统流体流量建模与计算、测试平台软硬件设计、地面测 试平台系统调试与试验验证等方面展开研究,最后,设计并达成了可以满足测试需要的机 载交流电源系统的地面测试平台。论文的主要研究成就如下:(1) 依据待测试机型机载交流电源系统的性能指标需要进行需要剖析,确定测试平 台设计的性能指标和变频拖动、发动机系统冷却等重要技术,完成测试平台总体设计;(2) 打造了由三相交流异步电机与增速齿轮箱组成的变频拖动系统数学模型,研究 了异步电动机的矢量控制办法,针对增速齿轮箱所存在非线性特质这一不理想原因,设计 了变频拖动系统转速调节的闭环控制办法。在MATLAB/Simulink仿真环境中打造了变频 拖动系统仿真模型,分别对异步电机矢量控制、变频拖动系统半开环调速控制与变频拖 动系统闭环调速控制办法进行仿真。通过对仿真结果的剖析,验证了本文所设计的变频拖 动系统闭环调速控制办法的必要性与有效性。(3) 对变频拖动及冷却系统硬件进行组合选型,对冷却系统的流体流量进行计算。 依据各系统的交联关系,对拖动控制,系统管理,数据测试软件进行了设计;(4) 对测试平台进行功能调试,通过现场试验,验证了本文提出的变频拖动系统全 闭环调速控制办法的有效性。6.2展望因为时间、实验条件与本人能力等多方面原因的限制,本文对有的问题研究还不够 深入,可以进一步拓展的研究工作主要有:(1) 因为在测试平台设计过程中,对模拟负载的配置与负载工作过程中的散热考 虑的不是非常周全,虽然可以满足基本的试验需要,也考虑了拖动系统的散热问题,但后续 还需要研究负载装置发热量计算进行剖析,在满足节能环保的基础上设计对负载的通风散 热,保障测试平台的最好工作运行环境,确保在任务繁重状况下,延长连续作业时间。(2) 还需进一步研究不同型号机载交流发电机对模拟负载的需要,与变频拖动系 统拖动台转速自动调节步进控制精度的需要,对测试平台进行进一步改进、优化,拓展其 通用性。对机载交流电源测试平台进行工艺布局优化,研究一套通用性的地面工装简化测 试过程中的安装和拆卸电机的复杂程度,对控制和测试软件步骤和界面进行优化。参考文献[1]孟军红,范蟠果,许建社.基于LabVIEW的飞机电源地应聘验测试系统[J].计测技术, 2006:32-35.[2]聂建清.电源负载控制系统设计[D].南昌大学,2009.[3]张亚飞.机载电源互联网测控系统[D].南昌大学,2010.[4]Weimer J A. Electrical power technology for the more electric aircraft[C]. Digital Avionics Systems Conference, 1993. 12th DASC. 人工智能AA/IEEE. IEEE, 2002.[5]Quigley R. More Electric Aircraft[C]. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1993. APEC '93. Conference Proceepngs 1993. Eighth Annual. IEEE, 1993.[6]Elbuluk M E, Kankam M D. Potential starter/generator technology for future aerospace application[J]・ IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 1996,11:17-24.[7]万伟悦,严仰光.现代飞机电源系统及其进步[J].黑龙江科技信息,2011:47-4&[8]Walker R. Built in Test Utilization for Improved Supportability of the F-20 Aircrafit[C]. IEEE AUTOTESTCON, 1985: 446-449.[9]来文洁.飞机电源系统供电参数测试与剖析研究[D].西北工业大学,2003.[10]王静.飞机机载电源特质测试重要技术研究和测量系统开发[D].中国民航大学,2015.[11]肖涛,钱政,于浩,等.机载电源在线监测系统的研制[JJ.计算机测量与控制, 201&26:60-64.[12]任明翔,杨娟.飞机交流电源特质参数测量研究[J].计算机测量与控制, 2016,24:19-22.[13]金静.飞机电源系统配电技术研究[D].上海交通大学,2012.[14]王宏霞,王守方.飞机电气系统参数测试标准推行中问题剖析[JJ.航空标准化与水平, 2000:35-39.[15]王林,郭玉琦,史延东.飞机供电参数测试系统设计[J].测控技术,1993:10-12.[16]石山.飞机机电BIT技术[M].飞机机电BIT技术,2010.[17]Yu Y T, Chen M, Tian F, et al. The Design and Realization of airborne electrical equipments, online test system in the environments of mechanics [C]. Applied Mechanics and Materials,2014: 1038-1043.[18]Chu X, Luan S5 Wen Q・ Defects Analysis and Strategy Seeking of Automatic Test and Diagnosis System for Airborne EquipmentfC]. Proceepngs of the First Symposium on Aviation Maintenance and Management-Volume II, 2014: 275-285・[19]Zourides V G. Smart built-in-test : an overview[C]. Autotestcon 89 IEEE Automatic Testing Conference the Systems Reapness Technology Conference Automatic Testing in the Next Decade & the Century Conference Record. IEEE, 1989.[20]Zhang H, Cai W? Wang J. A method for test of gapless harmonic analysis in power quality analyzer [J]. Automation of Electric Power System, 2010:73-77.[21]Hanique E, Sloot W. Traceability of tests and performance evaluations of large high voltage power equipment for the electrical power industry[C]. Power & Energy Society General Meeting. IEEE, 2012.[22]应怀樵.虚拟仪器与PC卡泰技术的近况与进步[J].计算机自动测量与控制, 2000:1-2.[23]应怀樵,刘进明,沈松,等.提升信号处置仪和虚拟仪器硬件频率精度的DASP数字处 理专门技术[C]:全国第二届信号处置与应用学术会议,中国广西南宁,200&[24]汪洋,张泾周,胡钢成.航空电源地面自动测试系统的设计与达成[J].计算机工程与 设计,2006:3051-3054.[25]Herndon A, Cramer M, Nicholson T. Analysis of advanced flight management systems , flight management computer field observations, trials; lateral and vertical path integration[C]. 2009 IEEE/AlAA 28th Digital Avionics Systems Conference. IEEE, 2009.[26]Westervelt K. Common built-in-test evaluation criteria[C]. Aerospace Conference, 2003. Proceepngs. IEEE, 2003.[27]顾伟豪.美国的靠谱性、修理性研究与进步[J].国际航空,1992,2:39-41.[28]刘冠军.基于边界扫描的智能板级BIT技术研究[D].长沙:国防科技大学机电工程及 智能化学院,2000.[29]阮景义.精通开关电源测试[M]・机械工业出版社,2021.[30]Corporation H S. Generator Control Unit Component Maintenance Manual[S]. 2009.[31]于新红.飞机电源系统建模仿真及实验平台研制[D].南昌航空大学,2015.[32]严仰光.航空航天器供电系统[M].航空航天器供电系统,1995.[33]翁诚.飞机GCU自测试功能研究及问题剖析[D].中国民航大学,2012.[34]郑崇勋.数字系统问题对策与靠谱性技术[M].数字系统问题对策与靠谱性技术,1995.[35]蒋志扬,李颂伦.飞机供电系统[M].北京:国防工业出版社,1990.[36]张保冰.基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究[D].南京航空航天大学, 2005.[37]刘震,林辉.多电飞机电源系统智能机内测试诊断技术研究[J].兵工学报, 2007:1357-1362.[38]姜舟.飞机电源问题诊断专家系统的应用研究[J].科技风,2015:130.[39]朱新宇,沈颂华.基于问题树的某型飞机电源BIT剖析[J].沈阳航空工业学院学报, 2000:8-11.[40]朱新宇,沈颂华.飞机电源系统问题诊断专家系统[J].北京航空航天大学学报, 2001:706-70&[41]Monroy A O, Le-Huy H5 Lavoie C. Modeling and simulation of a 24-pulse Transformer Rectifier Unit for more electric aircraft power system[C]. Electrical Systems for Aircraft, Railway & Ship Propulsion. IEEE, 2012.[42]Xia X5 Lawson C P・ The development of a design methodology for dynamic power pstribution management on a civil transport all electric aircraft[J]. Aerospace Science and Technology, 2013,25:125-131.[43]陈永刚,倪世宏,汪海峰.人工神经互联网在飞机电源系统问题诊断中的应用[J]・航空 计算技术,2001:27-29.[44]龙欣欣.飞机电源系统BIT技术的进步及其应用[J].科技革新与应用,2014:117.[45]郝德文,张泾周,袁军,等.航空电源控制保护器测试系统设计与达成[J]•计算机工程 与设计,2008:457-459.[46]PCI S I G. PCI Local Bus Specification Draft revision2.1[S]. PCI Special Interest Group, 1995.[47]PCI SIG. PCI Local Bus Specification Draft revision2.2[S]. PCI Special Interest Group, 199&[48]LPC213x User Manual Philips SemiconductorsfM]. 2005.[49]国家军用标准.GJB181A-2003飞机供电特质及对用电设施的需要[S].[50]航空行业准则.HB6492-1991飞机400Hz三相系统模拟负载箱通用技术条件[S]・[51]National Instruments C. NI Digital Multimeters Getting Started Guide[M]. 2002.[52]National Instruments C. Lab VIEW Development GuidelinesfM].[53]National Insfruments C. NI Digital Multimeters Getting Started Guide[M]. 2007.[54]National Instruments C. Lab VIEW Measurement Manual [M]. 2002.[55]Alshanfari A K? Wang J. Influence of control bandwidth on stability of permanent magnet brushless motor drive for "more electric" aircraft systems[C]. International Conference on Electrical Machines & Systems .IEEE, 2011.[56]李颂伦.电气测试技术[M]・电气测试技术,1992.[57]于新红.飞机电源系统建模仿真及实验平台研制[D].南昌航空大学,2015.[58]樊尚春,周浩敏.信号与测试技术[M].信号与测试技术,2011.[59]Yang B, Han H. A CMAC-PD compound torque controller with fast learning capacity and improved output smoothness for electric load simulator[J]・ Intemational Journal of Control, Automation and Systems, 2014,12:805-812.[60]陆利忠.测控系统中采样数据的预处置[J].测控技术,2000: 15-16.[61]党智乾.基于LabVIEW与DSP的机载电源模拟测试系统的设计与研究[J].计算机与数 字工程,2016,44:1733-1736.[62]Eid A, El-Kishky H, Abdel-Salam M, et al. On Power Quality of Variable-Speed Constant- Frequency Aircraft Electric Power Systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2010,25:55-65.顾春雷,陈中.电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真[M].电力拖动自动控制系统与 MATLAB仿真,2011.
 
打赏
 
更多>同类资讯
0相关评论

推荐图文
推荐资讯
点击排行
网站首页  |  关于我们  |  联系方式  |  使用协议  |  版权隐私  |  网站地图  |  排名推广  |  广告服务  |  积分换礼  |  网站留言  |  RSS订阅  |  违规举报