申春艷,楊 輝,趙 勇

(中國航發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)有限公司,遼寧 沈陽 110000)

1 引 言

某型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組由于其較高的發(fā)電品質(zhì)的穩(wěn)定性及可靠性,被作為常備應(yīng)急電源之一。工作穩(wěn)定性決定了供電質(zhì)量的好壞,而對發(fā)電品質(zhì)穩(wěn)定性影響最大的因素是其發(fā)電勵(lì)磁結(jié)構(gòu)。為了及時(shí)掌握燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組各部分的工作狀態(tài),需及時(shí)準(zhǔn)確檢測各項(xiàng)參數(shù),這是識別系統(tǒng)工作狀態(tài)及提前預(yù)警的前提。勵(lì)磁控制器是發(fā)電機(jī)不可或缺的部分,機(jī)組輸出電能參數(shù)(電壓、頻率、絕緣電阻等)質(zhì)量的好壞與該系統(tǒng)工作狀態(tài)息息相關(guān)。勵(lì)磁控制器離線自檢和檢測輸入的電參數(shù)品質(zhì)的能力高低決定了該系統(tǒng)整機(jī)調(diào)試的效率和正確性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行方式所需的調(diào)節(jié)、限制保護(hù)和檢測判斷故障功能,從而保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。

隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的不斷增加,器件老化率逐漸提高,勵(lì)磁控制系統(tǒng)的故障率也越來越高。本文將傳統(tǒng)的人工測試轉(zhuǎn)化為數(shù)字化檢測,完成了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制系統(tǒng)維修保障在線測試技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)了裝備現(xiàn)場維護(hù)時(shí)對部件級故障的在線快速定位,提升了裝備保障技術(shù)現(xiàn)場維修的技術(shù)能力[2]。

2 工作原理

勵(lì)磁控制系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的重要組成部分,由勵(lì)磁系統(tǒng)和勵(lì)磁控制器組成。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)根據(jù)客戶所需電力品質(zhì),規(guī)定勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原則。發(fā)電機(jī)依靠燃?xì)廨啓C(jī)輸出動(dòng)力,切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生符合要求的電力,發(fā)電機(jī)的磁場繞組需要直流電流才能建立磁感應(yīng)場。勵(lì)磁控制器用于正常運(yùn)行或事故時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以滿足運(yùn)行的需要,包括勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、強(qiáng)行勵(lì)磁、強(qiáng)行減磁和自動(dòng)滅磁等。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電品質(zhì)為中頻電力,所以采用無刷中頻同步發(fā)電機(jī)。三級式無刷同步啟動(dòng)發(fā)電機(jī)具有穩(wěn)定、高效的優(yōu)點(diǎn),所以勵(lì)磁控制系統(tǒng)采用三級式無刷勵(lì)磁方式,如圖1所示。本方案的勵(lì)磁系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī),旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)作為主勵(lì)磁機(jī),旋轉(zhuǎn)磁極式永磁同步發(fā)電機(jī)作為副勵(lì)磁機(jī)。方案中3個(gè)發(fā)電機(jī)同軸運(yùn)行,是無刷勵(lì)磁方式中最重要的一種。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)框圖

該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁發(fā)電保護(hù)系統(tǒng)通過主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有的旋轉(zhuǎn)整流器把三者集成在一起:通過旋轉(zhuǎn)整流器,主勵(lì)磁機(jī)電樞產(chǎn)生的交流電直接整流后給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組供電,勵(lì)磁控制器和控制保護(hù)電路的供電系統(tǒng)為副勵(lì)磁機(jī),勵(lì)磁控制器通過控制副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流間接地調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流,達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的[3]。

勵(lì)磁控制系統(tǒng)的主要作用是維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓,在并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)間合理分配無功功率,提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。勵(lì)磁控制器測試系統(tǒng)將現(xiàn)場輸入的操作和狀態(tài)信號通過物理及通信傳輸給勵(lì)磁控制器,勵(lì)磁控制器綜合各信號狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行方式所需的調(diào)節(jié)、限制保護(hù)和檢測判斷故障功能。

3 建立測試系統(tǒng)的意義

隨著燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組服役期的增加,其故障率明顯增加。同時(shí),由于備件的引進(jìn)渠道不暢使得價(jià)格昂貴,且不能保證供應(yīng),嚴(yán)重影響需求。勵(lì)磁控制系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的重要組成單元之一,用于調(diào)整發(fā)電機(jī)勵(lì)磁,并檢測發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量,自檢和檢測輸入的電參數(shù)(電壓、頻率、絕緣電阻等)時(shí)輸出相應(yīng)的指令信號,保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。勵(lì)磁控制系統(tǒng)發(fā)生故障將直接影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,控制系統(tǒng)應(yīng)能快速定位故障點(diǎn),通過邏輯判斷能盡快采取相應(yīng)措施進(jìn)行保護(hù),否則將出現(xiàn)供電異常,參數(shù)變化較大時(shí)甚至引起跳機(jī)故障。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組中的故障保護(hù)項(xiàng)目主要包括:

(1)發(fā)電機(jī)故障。檢測到發(fā)電機(jī)組過流、輸出缺相或相序錯(cuò)誤時(shí),由指定測試口發(fā)出此故障信號,故障信號包括缺相、錯(cuò)相、短路、絕緣電阻低。

(2)頻率低于標(biāo)準(zhǔn)值。交流頻率低于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),由測試端口指定芯點(diǎn)發(fā)出此故障信號,保護(hù)不可逆。

(3)頻率高于標(biāo)準(zhǔn)值。交流頻率高于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),由測試端口指定芯點(diǎn)發(fā)出此故障信號。

(4)頻率過高。交流頻率高于報(bào)警值時(shí),由測試端口指定芯點(diǎn)發(fā)出此信號進(jìn)行報(bào)警指示。

(5)絕緣電阻小。中頻發(fā)電機(jī)饋線對地絕緣電阻下降到設(shè)定保護(hù)值時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號。

(6)勵(lì)磁控制系統(tǒng)故障。勵(lì)磁控制系統(tǒng)檢測到自身故障時(shí)報(bào)警,由測試端口指定芯點(diǎn)輸出故障信號,包括線電壓升高、線電壓降低、電流過載等。另外,勵(lì)磁控制器通電自檢,檢測出故障時(shí)輸出報(bào)警信號。

控制系統(tǒng)將信號分為易失性故障信號和非易失性故障信號。勵(lì)磁控制器內(nèi)部設(shè)置存貯功能,時(shí)刻存儲非易失性故障信號,并能夠在系統(tǒng)掉電時(shí)保持信號依然存在。在系統(tǒng)重新上電時(shí),只有接收清除故障指令時(shí),各故障信號復(fù)位,存貯器清零。

勵(lì)磁控制系統(tǒng)報(bào)警信號及故障信號較多,在進(jìn)行維修時(shí),不能高效定位故障點(diǎn),大大增加了維修的難度和復(fù)雜度,所以急需研發(fā)一套自動(dòng)測試設(shè)備。

4 測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)特性,勵(lì)磁控制器測試系統(tǒng)采用模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的3個(gè)信號模塊,分別是交流27V/800Hz電源、交流127V/400Hz電源、交流9.5V/400Hz電源。測試過程中將勵(lì)磁控制系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)脫開,進(jìn)行離線調(diào)試。采用測試臺的電源模擬發(fā)電機(jī)輸出和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓輸出,輸入設(shè)置的各種模擬故障信號,分別模擬過壓、過流、欠頻故障信息,檢查系統(tǒng)的保護(hù)功能,以驗(yàn)證勵(lì)磁控制系統(tǒng)的各種保護(hù)功能是否符合系統(tǒng)要求,同時(shí)驗(yàn)證機(jī)組在各種工作模式下勵(lì)磁系統(tǒng)所報(bào)故障信號,以便于維修保護(hù)。測試原理如圖2所示。

圖2 測試原理圖

勵(lì)磁控制器測試系統(tǒng)具有模塊的結(jié)構(gòu),分為硬件和軟件兩大部分。將各種故障信息、報(bào)警信息集成,系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好,方便后續(xù)的迭代升級。各模塊分別獨(dú)立設(shè)計(jì),各模塊間互不影響,進(jìn)一步保證了系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行,且更便于后續(xù)維護(hù)。為了滿足測試需要,制定人性化的軟件人機(jī)交互界面,且界面簡潔,操作簡單,數(shù)據(jù)可高速傳輸,支持在線分析處理。

4.1 硬件設(shè)計(jì)

采用穩(wěn)壓直流電源(24V直流電)代替燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)提供給勵(lì)磁控制系統(tǒng)的電源和指令控制電源。靜止變頻電源1提供27V、800Hz電源,作為勵(lì)磁電源,模擬副勵(lì)磁機(jī)為勵(lì)磁系統(tǒng)提供的電源信號;靜止變頻電源2提供127V、400Hz電源,模擬同步發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電;靜止變頻電源3提供9.5V、400Hz電源,模擬主勵(lì)磁機(jī)為同步發(fā)電機(jī)提供電流反饋,實(shí)現(xiàn)控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流大小,從而控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓。

進(jìn)行維修時(shí),按要求設(shè)定程控電源輸出,為勵(lì)磁控制系統(tǒng)提供輸入,通過測試軟件測試勵(lì)磁系統(tǒng)輸出信號,給與不同的控制信號,采集勵(lì)磁控制系統(tǒng)輸出信息,判斷故障信息,定位故障點(diǎn)。進(jìn)行測試時(shí),通過測試軟件控制程控電源輸出信號,模擬機(jī)組不同運(yùn)行狀態(tài),監(jiān)測勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出狀態(tài),以判斷勵(lì)磁控制系統(tǒng)的性能情況。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是通用化圖形界面開發(fā)軟件,具有開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)簡便等特點(diǎn)。該測試系統(tǒng)采用LabVIEW的編程語言作為測控系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境,設(shè)計(jì)簡潔,人機(jī)交互界面友好,功能強(qiáng)大,程序框圖如圖3所示,界面如圖4所示,主要功能包括數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)存儲、回放、分析和自動(dòng)判斷、電源電壓及頻率控制、報(bào)警及錯(cuò)誤顯示,對測試過程和步驟進(jìn)行自動(dòng)化控制。

圖3 結(jié)構(gòu)框架

圖4 監(jiān)控界面

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制系統(tǒng)監(jiān)控上位機(jī)根據(jù)測控需求,需同步執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù),如直流電源控制程序、400Hz變頻電源控制程序、800Hz變頻電源控制程序、數(shù)據(jù)采集模塊程序、繼電器控制模塊程序等,且各任務(wù)間互不干擾。程序應(yīng)用多線程技術(shù),使得多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)并發(fā)執(zhí)行,從而極大地提高了程序的效率。同時(shí),采用基于事件的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)模式,利用LabVIEW的事件結(jié)構(gòu)+狀態(tài)機(jī)為框架實(shí)現(xiàn)用戶要求的功能。

5 結(jié)束語

基于LabVIEW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)測試臺現(xiàn)已成功應(yīng)用于工廠測試中。該系統(tǒng)人機(jī)接口友好,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,其使用大大縮短了測試時(shí)間,提高了部件維修效率,可以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)對測試的要求。結(jié)合中頻程控電源控制,可測試機(jī)組在不同工作狀況下勵(lì)磁控制系統(tǒng)的性能。整個(gè)系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)采集、信號處理以及用戶界面顯示和數(shù)據(jù)存儲等功能,該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證,其運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高,效果良好,易于操縱和顯示,滿足用戶需求。本文提出的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)測試設(shè)計(jì)方法和路徑可行,對類似工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。