应用NI CompactRIOLabVIEW开发起动电机测试系统

Vijay Jayabalan, Captronic Systems

"在模拟信号处理图形用户界面方面,基于LabVIEW系统基于PLC系统更有优势。"

- Vijay Jayabalan, Captronic Systems

挑战:

开发一套灵活、耐用和经济的自动化测试系统,以测试起动发电机在不同负载条件下的性能。

解决方案:

应用NI CompactRIO平台和NI LabVIEW图形化编程环境,开发一个自动化起动发电机测试系统

作者:

Vijay Jayabalan - Captronic Systems
Anu Kalidas - Captronic Systems, PVT. LTD.

 

 

本质上,起动发电机能带动涡轮发动机快速旋转以点燃燃料,而在飞机起动之后,发动机就作为发电机来为电气系统提供直流供电。

 

起动发电机是在发电机和起动器两种不同模式下进行测试,以检测在不同负载条件下的性能。两种模式均有普通控制台和数据采集系统(Data acquisition system, DAS),用来控制、检测和存储所需参数。

 

电机模式

在该模式下,所使用设备包括变频驱动的交流电机、交流电机驱动器、步进齿轮箱、扭矩传感器、花键轴和冷却风机。交流电机和步进齿轮箱是安装在一块低碳钢底板上。该装置安装在一个底座/应力释放的低碳钢结构上。齿轮箱输出至花键轴是与发电机相配合的。

 

在操作过程中,发电机是由交流电机以及相连的1:10的步进齿轮箱所驱动的。发电机法兰安装了空心轴扭矩传感器,然后扭矩传感器安装在步进齿轮箱上。交流电机转速是通过一个闭环磁通矢量驱动器控制的。在每一步加载开始时,利用每步电阻负载组合和0.3s的瞬间负载,发电机可在每一步以不同速度的完成加载。

 

动机模式

在该模式下,所使用设备包括粉末测功机、转接板、安装垫片和花键轴。粉末测功机安装在低碳钢底板上。起动发电机安装在反应式空心轴扭矩传感器上。起动发电机的供电来自一个最大电流为4000A和最大电压为24V的直流电源。另外有一个30V/20A的独立现场供电电源用于磁场线圈激励。

 

起动发电机能在手动或自动模式下进行检测。自动模式中,CompactRIO数据采集和控制系统掌控整个测试过程。在手动模式中,用户能按顺序在控制台上可用输入端执行适当操作控制测试。控制台用于获取所有操作指令。测试输入量如发电机速度、负载和起动机扭矩是从个人电脑输入的。控制盘由电位器、选择开关、照明按钮、急停和复位按钮等能获取操作指令的部件组成。

 

电机模式中的自动模式操作

在发电机模式中,自动模式有用户可编程项,可以对发电机速度、负载/空载时间和产生电压等功能进行设置。该系统建立了包括驱动器上的开关、风机马达、润滑油泵的试验条件。一旦建立初始条件,发电机的转速是通过磁通矢量驱动器产生适当的模拟输出电压来完成设置的。该系统通过励磁和数字PI控制器调节发电机的电压。

 

比例积分(Proportional integral, PI)控制器是在FPGA上实现的。由于存在生成电压和负载的非线性现象,必须要建立工作点附近的分段线性系统。该系统在适当负载下采用增益调度,实现发电机的电压控制。一旦发电机达到额定电压,发电机将通过辅助接触器加载。发电机将进行6次载荷的动态加载,每次持续60s。每次包括在每步开始时持续300ms的超负荷应用。利用CompactRIO实时控制器,我们能提供精确可控的持续加载时间。

 

LabVIEW 和CompactRIO帮助我们解决时间和经济效益上的问题。该发电机在测试模式下使用250kW的再生向量驱动器为交流电机供电,这将产生几米远的EMC噪声。即使正确屏蔽和接地信号电缆也不能阻止噪声对信号电缆的干扰。整车的电磁屏蔽太过昂贵,购买和实施起来也费时。

 

幸亏有了LabVIEW,软件中的中值滤波可以解决EMC噪声问题。中值滤波有很大优势,因为它没改变系统从终端到终端的传输功能,这对任何动态测试而言是至关重要的。

 

起动模式中的自动模式操作

在起动机模式中,自动模式测试完成五个起动指令。起动机用一系列电机启动指令来测试。系统通过与测功机通信设置所需的扭矩,使用CompactRIO模拟输出模块在远程供电电源上设置适当的电压。系统建立起需要的初始环境条件(例如测功机的供水和起动机的冷却供风等)之后开始实际的测试。

 

用户可在任何执行点通过紧急停止按钮中止测试。用户可通过按复位按钮将系统恢复至最初状态。整个系统处理三个数字PID控制器,一个用来控制发电机电压、一个用来控制发电机设备的电机转速、最后一个是用来控制起动机设备的扭矩。控制器需调整为略小于临界阻尼响应。

 

模式操作

在手动模式中,操作人员通过选择开关、按钮和电位器执行所有指令。用户在手动模式中能持续加载发电机。软件能读入所有模拟和数字输入,并且能够根据用户输入(按按钮和拨选择开关)和联动来更新数字和模拟输出。测试序列和操作联动,均可在软件中实现。该实施可避免使用外部继电器逻辑控制。

 

结论

利用CompactRIOLabVIEW,我们开发了一个灵活、耐用、经济的自动化起动发电机测试系统。基于LabVIEW的系统,在模拟信号处理和图形用户界面方面,比基于PLC的系统更有优势。

 

了解更多信息,联系:
Vijay Jayabalan

Captronic Systems
No  3, Victorian Meadows
Marathahalli, Bangalore
India
Tel:  080-4037 3900
Fax:  080-4037 3839
E-mail: vijay@captronicsystems.com

 

推荐配置:
硬件:
NI cRIO-9082 RT CompactRIO实时控制器
NI cRIO-9263 CompactRIO模拟输出模块
软件:
NI LabVIEW

Figure 1. The image above gives an example of the generator mode schematic diagram used in this application.