使用NI CompactRIO和LabVIEW开发起动发电机测试系统

作者：

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

从根本上说，起动发电机可使涡轮发动机快速旋转，以点燃燃料，从而在航空器起动后将发动机作为发电机为电气系统提供直流电。 

有两种起动发电机测试模式，即发电模式和起动模式，以检查其在各种负载条件下的性能。两种模式均使用公共控制台和数据采集系统(DAS)，用于控制、监控和存储所需的参数。

发电模式

在这种模式下，使用的设备包括变频交流电机、交流驱动器、升压变速箱、扭矩传感器、花键轴和冷却鼓风机。交流电机和升压变速箱安装在低碳钢底板上。该装置在地基/应力消除低碳钢结构上灌浆。变速箱输出花键轴与发电机连接。

在运行过程中，发电机由连接到1:10升速变速箱的交流电机驱动。发电机通过法兰安装在空心轴扭矩传感器上，然后将扭矩传感器安装在升压变速箱上。交流电机的转速通过闭环磁通矢量驱动器进行调节。发电机使用电阻负载组以不同速度分步加载，并在每一步加载开始时施加0.3 s的瞬间负载。

起动模式

在这种模式下，使用的设备包括粉末测功机、适配器板、安装垫和花键轴。粉末测功机安装在低碳钢底板上。起动电机安装在反作用力式霍尔轴扭矩传感器上。起动电机由最大电流为4000 A、电压为24 V的直流电源供电。一个30 V、20 A的独立磁场电源，用于磁场线圈励磁。

可在自动模式和手动模式下测试起动发电机。在自动模式下，CompactRIO数据采集和控制系统控制整个测试。在手动模式下，用户可通过控制台的输入按顺序执行适当的操作来控制测试。控制台用于获取所有操作指令。通过计算机提供测试输入（如发电机转速、负载和起动扭矩）。控制盘由电位器、选择开关、发光按钮以及紧急停止和复位按钮组成，用于获取操作员指令。

发电模式下的自动运行模式

在发电模式下，自动模式提供用户可编程条目，可用于发电机速度、负载和负载持续时间以及发电电压等功能。系统构建了驱动、风扇电机和润滑油泵的开关测试条件。初始条件确定后，通过磁通矢量驱动器产生适当的模拟输出电压来设定发电机转速。系统通过磁场激励调节发电机电压，并使用数字PI控制器调节发电机电压。

使用FPGA实现比例积分控制器。负载与发电电压的非线性关系要求系统在运行点附近进行片断线性化。系统利用适当负载的增益调度来控制发电机电压。发电机达到额定电压后，将通过辅助接触器加载发电机。动态加载发电机，持续时间为60 s，包含6个动态负载；每个负载均包含初始过载应用，每个步骤持续时间为300 ms。CompactRIO实时控制器可提供时间确定性加载持续时间。

LabVIEW和CompactRIO有助于及时以低成本方法解决问题。发电测试模式使用250 kW的再生矢量驱动为交流电机供电，这会在数米内产生EMC噪声。即使正确屏蔽及进行信号线缆接地也无法阻止噪声与信号线缆耦合。实现整个驱动器的电磁屏蔽需要高昂的成本，还需要一定的购买和实施时间。

LabVIEW软件中的中值滤波器解决了EMC噪声问题。中值滤波器的最大优点是不会改变系统的端到端传递函数，这对于任何动态测试都非常重要。

起动模式下的自动操作模式

在起动模式下，自动测试模式执行五种起动操作。起动器用于一系列电机起动操作。系统通过与功率型测力计通信来设置所需的扭矩，并使用CompactRIO模拟输出模块为远程电源设置合适的电压。开始实际测试前，系统将确定所需的初始条件，例如向测力计供水和向起动器提供冷却空气。

用户可通过按下紧急停止按钮随时中止测试。用户按下重置按钮可使系统进入初始状态。整个系统处理三个数字PID控制器：分别用于控制发电机电压、控制发电台的电机速度、控制起动台的扭矩。将控制器调整为略低于临界阻尼响应。

手动操作模式

在手动模式下，操作员通过选择器开关、按钮和电位器执行所有操作。用户可在手动模式下连续加载发电机。软件读取所有模拟和数字输入，并根据用户输入（按钮和选择器开关动作）和联锁更新数字和模拟输出。序列和操作联锁在软件中实现。该实现方式无需外部继电器逻辑。 

结论

我们使用CompactRIO和LabVIEW开发了一个灵活、耐用、经济高效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化用户界面方面优于基于PLC的系统。

作者信息：

Vijay Jayabalan
Captronic Systems
No 3, Victorian Meadows
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印度
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