航空发电机交流畸变的测量与实现

韩明琦，党幼云，王湘涛，江秀浩

(西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)



航空发电机交流畸变的测量与实现

韩明琦，党幼云，王湘涛，江秀浩

(西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)

针对航空发电机交流畸变的测试,设计了一种基于LabVIEW的测量系统.根据飞机在运行过程中产生交流畸变的原因，以及交流畸变具有的特性，依据GJB 181A—2003《飞机供电特性》确定交流畸变系数和交流畸变频谱等需测量的畸变参数，搭建测试系统硬件部分.利用LabVIEW进行编程,对采集的信号进行分析处理,并采用分段式频谱测量的方法,得到相应的畸变系数和畸变频谱,实现航空发电机测试过程中交流畸变的测试.

航空发电机;交流畸变;畸变参数

0 引 言

由于飞机用电设备种类和数量不断增加,产生了谐波污染,所以对航空发电机的电能品质也有更加严格的要求.在飞机投入使用前要对其进行严格的检测.其中,发电机交流畸变的测量是整个检测过程中极为重要的一项.根据GJB 181A—2003《飞机供电特性》规定,采用交流畸变系数和交流畸变频谱来综合评定一台航空发电机的交流畸变状况,交流畸变系数为交流畸变与基波分量方均根的比值,交流畸变通过每一频率分量复制的量化表示，即为畸变频谱,畸变频谱包括电压调制的频率调制产生的分量以及波形中的谐波和非谐波分量.根据上述定义可知,在测量交流畸变频谱的过程中,要同时测得交流电的谐波分量和非谐波分量.目前在工业应用中,主要采用频谱分析仪器,不但价格昂贵,而且由于需要测得的频带过宽,分辨率要求高,往往需要多台同时使用,造成经济上的浪费,而测量精度却难以达到标准[1-3].文献[4]给出系统的软硬件结构,但是没有具体的测量方法;文献[5]在算法方面有详细的介绍,但是没有利用LabVIEW实现信号的分析与处理.本文提出一种基于LabVIEW的测量方法[6-10],对采集到的波形进行分析处理,并利用分段式频谱测量的方法，得到相应的交流畸变参数,满足GJB 181A—2003《飞机供电特性》的测量要求[11].

图 1 GJB 181A—2003畸变频谱包络曲线Fig.1 The distortion spectrum envelope curve in GJB 181A—2003

1 交流畸变产生的原因

电力系统中产生的波形为正弦波,但是在实际的生产过程中并不能达到理想的正弦波形,这是由于不同频率和幅值的正弦波形与基波叠加在一起所产生的,即波形畸变.在飞机的供电系统中,主电源通常为115V/400Hz的交流电.飞机上的负载主要由电动机构,加热和防冰负载,照明设备和各种精密的电子设备组成,正是由于这些非线性负载的存在,所以飞机供电系统具有较为严重的谐波污染,因此对飞机交流电源的电能品质提出了相应的要求.在GJB 181A—2003《飞机供电特性》中规定,畸变系数最大不得超过0.05,畸变频谱则是按照相应的包络曲线进行规定,纵坐标是以均方根1V为基准值的分贝数,图1所示为畸变频谱包络曲线.

通常情况下,引起畸变的波形为谐波和间谐波,谐波为交流电中含有基波频率整数倍的电气分量,计算公式为

(1)

式中:r为谐波分量；U1为基波电压有效值,un为第n次谐波电压有效值.基波频率的非整数倍(例如2.6,3.14倍)的分量称之为间谐波,同时,将低于基波频率的间谐波称之为次谐波.根据GJB181A—2003《飞机供电特性》要求,在测试交流畸变的过程中要包含波形中的谐波和非谐波分量.

图 2 硬件系统结构图Fig.2 The structure diagram of hardware system

2 硬件系统及测试原理

2.1 硬件结构设计

该系统工控机选择的是研华IPC-610,信号采集板卡为NI PCI-6225,信号调理模块,还包括发电机的拖动系统和由PLC(可编程逻辑控制器)控制的模拟负载系统.硬件系统结构如图2所示.

首先,系统通过RS-485总线控制变频器启动整个拖动系统,使发电机达到它的正常转速,选择两个ABB变频器分别控制拖动系统的电动机和进行风冷使用的风机.然后上位机再通过交换机与控制4个负载箱的PLC进行TCP/IP通信,对发电机进行空载、半载、满载、过载等实验操作.4个负载箱可以分别实现三项平衡负载和三项不平衡负载的加载.最后,在发电机的转速和负载到达实验要求后,通过传感器、调理电路和PCI-6225采集板卡对发电机交流信号进行采集,利用后台软件对采集得到的数据进行畸变分析处理.

2.2 交流畸变系数

根据GJB181A—2003《飞机供电特性》要求，交流畸变为交流电压波形除基波之外的方均根值，对波形以不低于1MHz的采样频率进行采样，采样时间小于1s，交流畸变计算公式为

(2)

式中：UJ为交流畸变电压的方均根值,V;T为采样时间,s;uJj为交流畸变电压波形的瞬时值;n为采样次数;j为采样序列;Δt为每次采样的时间.

交流畸变系数为交流畸变与基波分量方均根值之比，计算公式为

KJ=UJ/U1.

(3)

式中：KJ为交流畸变系数；UJ为交流畸变电压的方均根值；U1为基波电压方均根值.

2.3 交流畸变频谱

交流畸变频谱为交流畸变通过每一频率分量幅值的量化表示，包括波形中的谐波和非谐波分量.根据GJB181A—2003《飞机供电特性》中规定可知，交流畸变频谱需要测量的频带非常宽，为10～500kHz，而且幅度的分辨率也较高，如果将交流信号直接进行分析测试，那么工作量会很大，而且最后结果也会有很大误差.所以在测量之前需先滤掉基波，将滤出后畸变波形进行频谱分析.根据GJB181A—2003《飞机供电特性》，滤除频率在393Hz～407Hz之间的基波波形.

滤波器的选择有软件和硬件两种方式，硬件的选择会使整个测试系统运行速度加快，但是需要配套大量硬件设施，对前端调理电路的设计也提高了要求，灵活性差，所以综合考虑选择软件滤波，可以节约开发时间,也可节约成本.常用的数字滤波器包括有限冲击响应滤波器(FIR)和无限冲击响应滤波器(IIR).在相同的滤波器设计指标下，FIR滤波器在计算阶数上要高于IIR数倍，计算效率低，而且IIR滤波器在设计中可以直接借助于模拟滤波器的成果，如Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器，椭圆滤波器等，所以在系统滤波器的选择中采用IIR滤波器[12].IIR滤波器的差分方程可以写为

(4)

式中：x(n),y(n)分别表示输入信号的序列；ai,bi分别表示滤波器的系数.

在对已经滤波过后得到的波形进行畸变频谱分析时，由于波形在时域和频域上都是离散的而且为有限长，所以需对畸变波形进行DFT变换(离散傅立叶变换).设x(n)为一个长度为M的有限长序列，则x(n)的N点离散傅立叶变换为

(5)

X(k)的离散傅里叶逆变换IDFT为

(6)

在进行交流畸变频谱的测试过程中，采样频率会达到1.25MHz，在1s的采集时间里会有1.25M个数据点进行频谱分析，所以在大量的数据点进行DFT变换时，将会使程序运行时间变长，降低程序运行效率.在进行交流频谱分析的过程中，将信号按频段进行分类，可以减少所要分析的数据量，从而提高效率.信号频段可分为：低频段 (10Hz～1 000Hz) 分辨率为1Hz,中低频段 (1kHz～10kHz) 分辨率为10Hz,中高频段 (10kHz～100kHz) 分辨率为1kHz,高频段 (100kHz～500kHz) 分辨率为5kHz.

(1) 低频段信号的处理.在低频段信号处理过程中，采样率F=1.25MHz，分辨率f=1Hz，采样时间取1s，共采集的点数为1.25M.根据采样定理，采样频率为信号最高频率的2倍，由于信号的频段为10Hz～1 000Hz之间，所以在低频段信号中，可以将采样频率取为N=2.5kHz.在实现的过程中可以对信号进行系数N=500进行抽取，由于N=500数值较大，进行N=10，N=50两步抽取.

(2) 中低频段信号的处理.在中低频段信号处理过程中，采样率F=1.25MHz，分辨率f=10Hz.采样时间取0.1s，共采集点数为125k.根据采样定理，由于信号的频段为1kHz～10kHz之间，所以在该频段中，可以将采样率取为f2=25kHz，抽取系数N=50.

(3)中高频段信号的处理.在中高频段信号处理过程中，采样率F=1.25MHz，分辨率f=1kHz,采样时间取0.001s，共采集点数为1 250.根据采样定理，由于信号的频段为10kHz～100kHz之间，所以在该频段中，可以将采样率取为f3=250kHz，抽取系数N=5.

(4) 高频段信号的处理.在高频段信号处理过程中，采样率F=1.25MHz，分辨率f=5kHz.采样时间取0.000 2s，共采集点数为250.根据采样定理，由于信号的频段为100kHz～500kHz之间，所以在该频段中，可以将采样率取为f4=1.25MHz.

各个频段的信号经滤波和DFT变换后，将分析结果从低到高依次进行波形的输出，根据GJB 181A—2003《飞机供电特性》给出的包络曲线判断是否满足测试标准要求.

3 测量与实现

LabVIEW( Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是由美国国家仪器(NI)公司研制开发的一种程序开发环境，使用的是图形化编程语言G编写程序，是以框图的形式编写代码.目前LabVIEW已广泛应用于测控领域，因为它可以取代传统仪器中的硬件来完成测量仪器的功能，有良好的灵活性和复用性，而且具有强大的数据处理能力，计算机的发展及信号处理算法的优化，为其快速，准确地处理数据提供了良好的基础[13-14].

在LabVIEW中有谐波失真分析VI(Visual instrument)，如图3所示，该VI可以直接测得波形的THD值(总谐波畸变率)，交流畸变系数便可通过该VI得到.

在采用分段式对交流频谱分析的过程中[15-18]，要先对输入的交流信号进行滤波，使用带阻(Bandstop)滤波器使信号为不含基波分量的畸变信号，分别通过4个滤波器，1个低通(Lowpass)，1个带通(Bandpass)和两个高通(Highpass)滤波器分别得到4个频带的波形，对得到的不同频段的数据进行抽取和频谱分析.

通过模拟实际的交流电压状况，通过每个频段的频谱分析模块，将最后得到的数据经过绑定输出到一个波形图中，如图4所示.

图 3 谐波失真分析VI 图 4 畸变频谱分析 Fig.3 The VI of Harmonic distortion analysis Fig.4 Distortion spectrum analysis

4 结束语

在航空发电机的检测过程中，交流畸变系数与交流畸变频谱为其重要的一项测试.本文依据GJB 181A—2003《飞机供电特性》所给出的测试要求，利用LabVIEW进行编程，对采集的信号进行分析和计算，改进了交流畸变的测试方法.交流畸变系数可通过总谐波畸变率直接得到；交流畸变频谱通过分段式测量，分别计算各个频段的畸变频谱，再将信号进行合并，得出整个频段的畸变频谱.该测量方法编程简单、成本较低.

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编辑、校对：赵 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

党幼云(1962—),女，陕西省澄县人，西安工程大学教授,研究方向为电力电子电源技术与运动控制系统.

E-mail:xk-dyy@qq.com

韩明琦,党幼云,王湘涛，等.航空发电机交流畸变的测量与实现[J].西安工程大学学报，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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