船舶發(fā)電機(jī)組負(fù)荷突加突卸測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭俊和，史步海

（華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引 言

船舶發(fā)電機(jī)組是船舶制造過程中除驅(qū)動力之外的最重要的核心部件之一。一般包含3～4臺發(fā)電機(jī)，其發(fā)電機(jī)組容量較小，通常發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為400～2000kW。而船舶上某些大負(fù)載的容量可與單臺發(fā)電機(jī)容量相比，當(dāng)這樣的負(fù)載啟動時(shí)將對發(fā)電機(jī)組造成很大的沖擊（電壓、頻率跌落均很大），因此對船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了較高的要求。發(fā)電機(jī)的負(fù)荷突加突卸性能測試就成為了船舶制造過程中的重要測試內(nèi)容[1]。負(fù)荷突加突卸性能測試由于時(shí)間短、波動大，用一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并不能達(dá)到精度上的要求，由此開發(fā)出一套基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于奈奎斯特采樣原理，在短時(shí)間內(nèi)采集大量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。由于采樣速率快，所以能很好地滿足時(shí)間短、波動大的數(shù)據(jù)變化要求。該測試系統(tǒng)已于2009年5月成功應(yīng)用于某船廠的船舶發(fā)電機(jī)組測試系統(tǒng)中，滿足了測試的要求。其測試系統(tǒng)的流程如圖1所示[2-3]。

圖1 系統(tǒng)流程圖

其中，被控對象即要測試的發(fā)電機(jī)電壓；信號調(diào)理主要是為了濾去被測信號中的噪聲，使信號盡可能干凈地被送到DAQ設(shè)備；數(shù)據(jù)采集卡主要用來將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行處理，并通過虛擬儀器面板顯示出。

1 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的測試對象為船舶發(fā)電機(jī)，其發(fā)電機(jī)規(guī)格為：電壓450V，電流2245A，轉(zhuǎn)速720r/min，頻率60Hz，功率1475kVA，功率因數(shù)0.8，臺數(shù)為3臺。測試要求：在進(jìn)行負(fù)載突加突卸（負(fù)荷從0%到40%，40%到70%，70%到100%，100%到0%）實(shí)驗(yàn)中，測試電網(wǎng)中電壓的波動情況，記錄整個(gè)變化過程中電壓和頻率的最大值、最小值以及恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)。

進(jìn)行突加突卸試驗(yàn)時(shí)，電壓和頻率的波形變化經(jīng)歷了突加突卸前的平穩(wěn)，到發(fā)生突加突卸時(shí)的上下波動，再到波形回復(fù)平穩(wěn)的這么一個(gè)過程。整個(gè)變化過程在5 s左右，所以要求采樣速度足夠快。

基于上述要求，選取了NI公司的USB6009數(shù)據(jù)采集卡。USB6009最高采集速率為48 kb/s，可以輕松地完成采集60 Hz電壓的任務(wù)，其價(jià)格低廉，體積小，即插即用，具有很高的性價(jià)比且方便攜帶使用。

由于USB6009采集卡的單端測量范圍在電壓-10～+10V，不能直接測量450V的發(fā)電機(jī)電壓，因此需要對其進(jìn)行降壓處理。首先采用一個(gè)450/24的變壓器將450V交流電降為24V交流電，然后通過一個(gè)20 kΩ的降壓電阻和一個(gè)5 kΩ的可調(diào)電阻串聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的采集電壓在數(shù)據(jù)采集卡的測量范圍內(nèi)，其硬件電路圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件圖

發(fā)電機(jī)的線電壓為450 V，則其相電壓為450/1.732≈260V，相電壓峰值為260×1.414≈367V。由硬件電路圖可知，數(shù)據(jù)采集卡采集電壓的范圍為0～4.8V，在數(shù)據(jù)采集卡的采集范圍之內(nèi)。所以通過設(shè)置增益為100，然后通過微調(diào)電位器，可以復(fù)原發(fā)電機(jī)電壓的幅值。

2 虛擬示波器設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

2.1.1 采樣頻率設(shè)定

假設(shè)被采集電壓的最高頻率為fh，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率fs≥2fh。由于被采樣信號的頻率為60Hz，且存在高次諧波，通過采集電壓的10次諧波來滿足數(shù)據(jù)采集高精度的要求。由此可以得到信號采集的最高頻率為600 Hz，所以采樣頻率應(yīng)大于1200Hz，為了能更好地反映原始信號，設(shè)置采樣頻率為10kHz。

2.1.2 采樣時(shí)間

由于突加突卸的電壓變化過程大約為5s，考慮能完整顯示整個(gè)電壓和頻率波形的變化過程，將采集時(shí)間設(shè)置為20s。

2.2 前面板設(shè)計(jì)

前面板是系統(tǒng)與用戶的接口，也是控制和選擇信息輸入/輸出的主要途徑。該系統(tǒng)前面板主要由輸入控制面板、輸出面板、波形存儲回放面板以及波形顯示面板4部分組成[4-7]。輸入控制面板主要功能在于參數(shù)的輸入，包括虛擬通道的設(shè)置、采樣頻率的設(shè)置、電壓采集時(shí)間的設(shè)置以及電壓增益的設(shè)置；輸出面板主要用來輸出顯示測量所需的數(shù)據(jù)，包括最大電壓有效值、最小電壓有效值、最大頻率以及最小頻率；波形顯示面板主要用來顯示發(fā)電機(jī)電壓變化波形以及頻率變化波形；波形存儲回放面板主要包括設(shè)置電壓和頻率波形的存儲位置和從保存文件中讀取電壓和頻率波形。

2.3 程序面板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由模擬輸入模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、數(shù)據(jù)回放模塊以及程序運(yùn)行控制模塊組成[8]，其程序流程圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集程序如圖4所示。

圖3 程序流程圖

圖4 系統(tǒng)程序

2.3.1 模擬輸入模塊

由于輸入信號的電壓較高，且信號源到模擬輸入硬件的導(dǎo)線較短，所以采用了單端輸入模式。DAQmx Create Virtual Channel.vi的任務(wù)主要是創(chuàng)建一個(gè)虛擬通道并創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，該系統(tǒng)選擇Analog Input→Voltage，物理通道設(shè)置為Dev1/ai0，電壓的輸入范圍為-10～+10V。Sample Clock.vi主要用于設(shè)置采樣速率，并生成數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；DAQmx Start Task.vi主要用于啟動任務(wù)；DAQmx Clear Task.vi用來清除創(chuàng)建的任務(wù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

數(shù)據(jù)采集和處理是系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的核心部分[9-11]。DAQmx Read.vi的任務(wù)是從任務(wù)或從指定的虛擬通道讀取數(shù)據(jù)樣本，實(shí)際上是從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，并指定返回?cái)?shù)據(jù)的格式，該系統(tǒng)設(shè)置為Analog 1D DBL 1Chan NSamp，并設(shè)置每次從緩沖區(qū)讀出的樣本數(shù)為100。

由于采樣頻率為10kHz，所以0.01s對應(yīng)100個(gè)采樣點(diǎn)。為了能更好地抑制外部噪聲，采用每100個(gè)采樣點(diǎn)求其平均值來作為波形數(shù)據(jù)中的一個(gè)瞬時(shí)值。Mean.vi用于求出每100個(gè)采集點(diǎn)的平均值，并將數(shù)據(jù)傳送給Build Waveform.vi用來創(chuàng)建輸出電壓波形，其中Δt為信號中兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔，由于采樣頻率為10kHz，故將其設(shè)置為0.0001。

通過Extract Single Tone information.vi對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，測得其基波頻率。由于電壓頻率在負(fù)載的突加突卸過程中是個(gè)變化的過程，所以為了更好地分析數(shù)據(jù)，通過Max&Min.vi求取頻率在整個(gè)過程中的最大值和最小值，并通過反饋節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一維數(shù)組，通過Build Waveform.vi創(chuàng)建頻率波形圖。

通過Basic Average DC-RMS.vi對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，獲得其電壓有效值。通過Max&Min.vi求取電壓有效值在整個(gè)過程中的最大值和最小值。

2.3.3 數(shù)據(jù)保存模塊

為了能夠分析和重現(xiàn)電壓和頻率在負(fù)載突加突卸過程中的變化，通過Write Waveform to file.vi將波形數(shù)據(jù)保存起來。

2.3.4 數(shù)據(jù)回放模塊

通過Write Waveform from file.vi將數(shù)據(jù)波形重新寫入示波器中方便分析查看。

2.3.5 程序運(yùn)行控制模塊

程序運(yùn)行控制模塊的功能是控制程序的運(yùn)行和停止，該系統(tǒng)停止條件主要包括采樣時(shí)間20s、數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤、按下停止按鈕。

圖5 負(fù)荷突加時(shí)電壓和頻率測試結(jié)果

表1 負(fù)荷突加測試報(bào)表

3 基于LabVIEW的測試系統(tǒng)應(yīng)用

該測試系統(tǒng)在船舶發(fā)電機(jī)組的突加突卸測試時(shí)比較精確地記錄了發(fā)電機(jī)組電壓和頻率的變化過程，其電壓在突加的過程中是先急速下降然后慢慢回升的一個(gè)過程，頻率也是先下降后回升的一個(gè)過程。測試報(bào)表如表1所示。

其負(fù)荷突加測試波形曲線如圖5所示。通過報(bào)表記錄以及測試曲線的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以確定發(fā)電機(jī)電壓的最大電壓、最小電壓以及恢復(fù)時(shí)間，由此來判定發(fā)電機(jī)性能。

4 結(jié)束語

針對船舶發(fā)電機(jī)組負(fù)荷突加突卸時(shí)間短、數(shù)據(jù)波動大的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用USB6009數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，使測試過程的實(shí)時(shí)性、測試精度以及測試結(jié)果的可視化程度都有很大提高，在實(shí)際測試中取得了良好的測試效果。由于存在干擾和噪聲，測試波形不是很平滑，下一步的工作重點(diǎn)將轉(zhuǎn)移到如何進(jìn)行更好的噪聲處理。相對于以往的測量儀表，該系統(tǒng)測量方便，數(shù)據(jù)參考價(jià)值更大。

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