通用飞机电源系统测试平台设计
2019-03-02徐宇恒吕伟胡天翔
徐宇恒,吕伟,胡天翔
(中国民用航空飞行学院,广汉 618300)
0 引言
通用航空是使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动,通用机型是数量最大,用途最广泛的机型,在国民经济中起着非常重要的作用。通用飞机电源系统是机载电气设备的一个重要组成部分,承担了向飞机上的所有用电设备供电的任务。现代飞机装备了大量的用电设备,它们对电源的供电品质提出了越来越高的要求。因此在维修工作中,电源系统测试技术成为保障设备安全运行的一个重要因素[1]。传统的电源系统部件的测试都是采用模拟仪表对各电能参数进行检测,如指针式电压表、电流表、功率计等,但这些测试方法不够精确,无法记录瞬态响应,不能真实全面地反映电源参数。本测试平台利用LabVIEW仿真软件,使用虚拟仪器技术,可以精确快速地检测飞机电源系统部件的各种品质参数,同时显示并记录在测试计算机上。
1 硬件设计
本测试平台需要先搭建一个模拟发动机转动的驱动装置,可以真实地模拟出通用飞机发动机各种启动运行状态,其次要建立各种电源参数的测试记录系统,采集在各种条件下电源系统各个部附件的状态参数并能加以分析,本文主要对电源系统中的发电机做了品质测试,因为发电机的性能对飞机电源系统非常重要[2]。该硬件系统包括三相变频器、三相异步电动机、航空发电机、电压电流传感器、NI公司生产的CompactDAQ采集卡、测试计算机等。
1.1 通用飞机发动机模拟驱动装置
本装置采用三相380V交流电作为驱动电源,驱动三相变频器,根据一般通用飞机发电机功率,选用7.5KW变频器,变频器驱动三相异步电动机,电动机与航空发电机由皮带轮通过皮带传动连接,该装置由电动机驱动航空发电机,电动机可以通过变频调速模拟出通用飞机发动机各种转速状态。电源系统的各个部附件可以连接航空发电机带上模拟负载运行,模拟各种用电条件下的电源运行状况。针对通用飞机的交、直流发电机转速高、调速范围宽的特点,采用高速宽调频范围三相异步电动机直接拖动被测发电机,中间不加变速器,使拖动系统结构简单,机械维护方便,提高运行的可靠性。
1.2 传感器模块
传感器模块包括电压传感器、电流传感器、转速传感器等。由传感器将信号转换后经隔离电路及信号调理模块进行整形、放大、滤波等调理后输入数据采集卡。其中电压电流传感器可以将电源系统部附件的交流和直流信号转化为低压低电流的信号,最后传递给CompactDAQ采集平台。
1.3 数据采集卡
数据采集卡是计算机和外部设备连接的桥梁,将模拟信号转化为计算机可以读取的数字信号。本系统采用的是NI的CompactDAQ采集卡,它将连接和信号调理功能与模块化I/O相集成,可直接连接任何传感器或信号。CompactDAQ机箱具有一个总线供电的USB机箱,专为小型便携式传感器测量系统而设计。可以将这些机箱与C系列I/O模块共同使用,以创建模拟I/O、数字I/O和计数器/定时器测量的组合。CompactDAQ机箱可包括多个通用计数器/定时器,可以通过安装的硬件定时数字C系列模块访问这些计数器/定时器,用于涉及正交编码器、PWM、事件计数、脉冲序列生成以及周期或频率测量的应用。CompactDAQ机箱还提供多个定时引擎,可针对模拟输入以独立的速率同时运行多个硬件,NI的CompactDAQ采集卡如图2所示。
图2 NI-CompactDAQ数据采集卡
2 软件设计
该测试软件采用LabVIEW2014进行开发,结合NI MAX即NI的配置管理软件(Measurement&Automation Explorer),通过装入NI数据采集硬件产品驱动DAQmx,NIMAX可以识别和检测NI硬件,实现数据采集并自动导入LabVIEW,可方便的将PC与NI硬件产品交互。在此基础上进行信号处理,通过设计滤波算法,数据处理算法和数据挖掘技术,输出测量数据,并通过数据曲线进行实时显示,可以记录故障报警值并自动生成Excel报表。由于基于虚拟仪技术开发的检测分析系统平台能充分利用计算机的软硬件资源,能较大地突破传统仪器在信号分析、数据处理、数据传输、数据存储等方面的限制,同时还具有很强的开放性和灵活性[3-6]。图3为通用飞机电源系统测试软件流程图,运行时首先进入程序,选择电源系统部件和需要测试的参数,然后开始测试并输出结果,如果还需要测试其他项目则需要返回项目选择项,重新选择需要测试的参数,最后测试结果会以图形和报表的形式输出。
图3 通用飞机电源系统测试软件流程图
3 监控平台实验结果和分析
通用飞机电源系统的被测试部件可以是直(交)流发电机、电压调节器、反流割断器、过压保护器和航空蓄电池等。在测试平台上连接电源和负载后,根据机务维护手册对这些部件的测试要求,检测其电压、电流、转速等性能参数的稳态和瞬态响应,可以深入探查电源系统各部件的缺陷和隐患。本测试系统检测了PA44-180飞机的发电机,根据PA44-180飞机厂家关于电源系统发电机的几个测试要求,利用搭建的测试平台对发电机做了以下测试。
(1)发电机转子测试:传统的发电机转子的检测方法是给转子绕组串联一个电池和变阻器,电压表和转子并联,电流表和转子串联,调节变阻器的阻值使得电压表的读数为12V,然后查看电流表的读数是否在2.4A到4.0A范围内,如果是则转子正常,反之转子存在故障。由于这种传统的测试方法需要人工用仪表检测记录,工作量大,误差大,效率低。
基于LabVIEW的测试平台检测电气参数方便快捷,电压、电流信号输入CompactDAQ采集卡,Compact-DAQ采集卡输出数据至计算机,最终采集出来的数据在LabVIEW软件的虚拟仪器面板显示出来。图4是检测出的转子的直流电压和直流电流参数,从图中可以看出当转子电压12V时转子电流为3.2A,所以转子的这项检测正常。
图4 发电机转子电压、电流测试图
(2)发电机输出电压测试(低转速):根据测试要求令发电机转子转速为3000rpm,负载两端电压调至直流14V,然后需测试其负载电流,当负载电流大于直流33A才是正常的。
利用已经搭建好的模拟发动机的驱动平台与PA44-180飞机的发电机相连,利用驱动平台变频器来控制发电机的转速,转速传感器输出发电机的转子转速信号,发电机定子输出端与负载变阻器连接,发电机电压、电流、转速信号输入数据采集卡CompactDAQ,然后输出数据至计算机,计算机上显示出电压、电流和转速的值。调节变频器使发电机转速值为3000rpm,调节变阻器使得输出电压为14V,然后观测此时虚拟仪器显示电流的读数,通过图5可以知道此时电流为42A,所以发电机的这项检测正常。
图5 发电机转速3000rpm时负载电压和电流
(3)发电机输出电压测试(高转速):根据测试要求令发电机转子转速为6000rpm,负载两端电压是直流14V,然后需测试其负载电流,当负载电流大于直流57A才是正常的。
利用已经搭建好的模拟发动机的驱动平台与PA44-180飞机的发电机相连,连接方式和低转速下发电机输出电压测试方法相同。调节驱动平台使得计算机上显示的转速值为6000rpm,调节负载变阻器使得计算机上显示负载电压为14V,然后观测此时计算机上电流的读数为多少。通过图6可以知道此时负载电流为67A,所以发电机的这项检测结果正常。
图6 发电机转速6000rpm时负载被测电压、电流图
通过以上实验可以看出,通用飞机电源设备接入本测试系统后,可以利用本测试平台方便、快捷和精确地测出维修检测所需要的各种性能参数,同时可以记录这些参数,输出测试报表。
4 结语
本文主要阐述了通用飞机电源测试平台的搭建和检测方法,该平台可以长时间运行,测试出电源系统的各种状态参数,适用于内场维护工作中对通用飞机电源系统性能的自动测试。通过平台对飞机发电机品质参数的测试表明,该平台具有测试方便、测试结果准确、测试速度快,能自动记录测试结果等特点,有利于提高飞机电源品质检测的效率。这套测试系统已投入使用,由于其运用方便且可靠性高,受到了维修人员的一致好评。