船舶发电机组负荷突加突卸测试系统设计

郑俊和，史步海

（华南理工大学自动化科学与工程学院，广东 广州 510640）

0 引 言

船舶发电机组是船舶制造过程中除驱动力之外的最重要的核心部件之一。一般包含3～4台发电机，其发电机组容量较小，通常发电机单机容量为400～2000kW。而船舶上某些大负载的容量可与单台发电机容量相比，当这样的负载启动时将对发电机组造成很大的冲击（电压、频率跌落均很大），因此对船舶电力系统的稳定性提出了较高的要求。发电机的负荷突加突卸性能测试就成为了船舶制造过程中的重要测试内容[1]。负荷突加突卸性能测试由于时间短、波动大，用一般的数据采集系统并不能达到精度上的要求，由此开发出一套基于LabVIEW的数据采集测试系统。该系统基于奈奎斯特采样原理，在短时间内采集大量数据，并对数据进行分析和处理。由于采样速率快，所以能很好地满足时间短、波动大的数据变化要求。该测试系统已于2009年5月成功应用于某船厂的船舶发电机组测试系统中，满足了测试的要求。其测试系统的流程如图1所示[2-3]。

图1 系统流程图

其中，被控对象即要测试的发电机电压；信号调理主要是为了滤去被测信号中的噪声，使信号尽可能干净地被送到DAQ设备；数据采集卡主要用来将模拟信号转换成数字信号，并送到计算机进行处理；数据处理模块将数据采集卡采集的数据按要求进行处理，并通过虚拟仪器面板显示出。

1 系统的硬件组成

系统的测试对象为船舶发电机，其发电机规格为：电压450V，电流2245A，转速720r/min，频率60Hz，功率1475kVA，功率因数0.8，台数为3台。测试要求：在进行负载突加突卸（负荷从0%到40%，40%到70%，70%到100%，100%到0%）实验中，测试电网中电压的波动情况，记录整个变化过程中电压和频率的最大值、最小值以及恢复时间等参数。

进行突加突卸试验时，电压和频率的波形变化经历了突加突卸前的平稳，到发生突加突卸时的上下波动，再到波形回复平稳的这么一个过程。整个变化过程在5 s左右，所以要求采样速度足够快。

基于上述要求，选取了NI公司的USB6009数据采集卡。USB6009最高采集速率为48 kb/s，可以轻松地完成采集60 Hz电压的任务，其价格低廉，体积小，即插即用，具有很高的性价比且方便携带使用。

由于USB6009采集卡的单端测量范围在电压-10～+10V，不能直接测量450V的发电机电压，因此需要对其进行降压处理。首先采用一个450/24的变压器将450V交流电降为24V交流电，然后通过一个20 kΩ的降压电阻和一个5 kΩ的可调电阻串联，可以实现数据采集卡的采集电压在数据采集卡的测量范围内，其硬件电路图如图2所示。

图2 数据采集系统硬件图

发电机的线电压为450 V，则其相电压为450/1.732≈260V，相电压峰值为260×1.414≈367V。由硬件电路图可知，数据采集卡采集电压的范围为0～4.8V，在数据采集卡的采集范围之内。所以通过设置增益为100，然后通过微调电位器，可以复原发电机电压的幅值。

2 虚拟示波器设计

2.1 系统参数设置

2.1.1 采样频率设定

假设被采集电压的最高频率为fh，根据奈奎斯特采样定理，采样频率fs≥2fh。由于被采样信号的频率为60Hz，且存在高次谐波，通过采集电压的10次谐波来满足数据采集高精度的要求。由此可以得到信号采集的最高频率为600 Hz，所以采样频率应大于1200Hz，为了能更好地反映原始信号，设置采样频率为10kHz。

2.1.2 采样时间

由于突加突卸的电压变化过程大约为5s，考虑能完整显示整个电压和频率波形的变化过程，将采集时间设置为20s。

2.2 前面板设计

前面板是系统与用户的接口，也是控制和选择信息输入/输出的主要途径。该系统前面板主要由输入控制面板、输出面板、波形存储回放面板以及波形显示面板4部分组成[4-7]。输入控制面板主要功能在于参数的输入，包括虚拟通道的设置、采样频率的设置、电压采集时间的设置以及电压增益的设置；输出面板主要用来输出显示测量所需的数据，包括最大电压有效值、最小电压有效值、最大频率以及最小频率；波形显示面板主要用来显示发电机电压变化波形以及频率变化波形；波形存储回放面板主要包括设置电压和频率波形的存储位置和从保存文件中读取电压和频率波形。

2.3 程序面板设计

系统主要由模拟输入模块、数据采集和处理模块、数据显示模块、数据保存模块、数据回放模块以及程序运行控制模块组成[8]，其程序流程图如图3所示。数据采集程序如图4所示。

图3 程序流程图

图4 系统程序

2.3.1 模拟输入模块

由于输入信号的电压较高，且信号源到模拟输入硬件的导线较短，所以采用了单端输入模式。DAQmx Create Virtual Channel.vi的任务主要是创建一个虚拟通道并创建一个任务，该系统选择Analog Input→Voltage，物理通道设置为Dev1/ai0，电压的输入范围为-10～+10V。Sample Clock.vi主要用于设置采样速率，并生成数据缓冲区；DAQmx Start Task.vi主要用于启动任务；DAQmx Clear Task.vi用来清除创建的任务。

2.3.2 数据采集和处理模块

数据采集和处理是系统程序设计的核心部分[9-11]。DAQmx Read.vi的任务是从任务或从指定的虚拟通道读取数据样本，实际上是从缓冲区中读取数据，并指定返回数据的格式，该系统设置为Analog 1D DBL 1Chan NSamp，并设置每次从缓冲区读出的样本数为100。

由于采样频率为10kHz，所以0.01s对应100个采样点。为了能更好地抑制外部噪声，采用每100个采样点求其平均值来作为波形数据中的一个瞬时值。Mean.vi用于求出每100个采集点的平均值，并将数据传送给Build Waveform.vi用来创建输出电压波形，其中Δt为信号中两点间的时间间隔，由于采样频率为10kHz，故将其设置为0.0001。

通过Extract Single Tone information.vi对波形数据进行频域分析，测得其基波频率。由于电压频率在负载的突加突卸过程中是个变化的过程，所以为了更好地分析数据，通过Max&Min.vi求取频率在整个过程中的最大值和最小值，并通过反馈节点创建一维数组，通过Build Waveform.vi创建频率波形图。

通过Basic Average DC-RMS.vi对波形数据进行时域分析，获得其电压有效值。通过Max&Min.vi求取电压有效值在整个过程中的最大值和最小值。

2.3.3 数据保存模块

为了能够分析和重现电压和频率在负载突加突卸过程中的变化，通过Write Waveform to file.vi将波形数据保存起来。

2.3.4 数据回放模块

通过Write Waveform from file.vi将数据波形重新写入示波器中方便分析查看。

2.3.5 程序运行控制模块

程序运行控制模块的功能是控制程序的运行和停止，该系统停止条件主要包括采样时间20s、数据帧错误、按下停止按钮。

图5 负荷突加时电压和频率测试结果

表1 负荷突加测试报表

3 基于LabVIEW的测试系统应用

该测试系统在船舶发电机组的突加突卸测试时比较精确地记录了发电机组电压和频率的变化过程，其电压在突加的过程中是先急速下降然后慢慢回升的一个过程，频率也是先下降后回升的一个过程。测试报表如表1所示。

其负荷突加测试波形曲线如图5所示。通过报表记录以及测试曲线的相关数据，可以确定发电机电压的最大电压、最小电压以及恢复时间，由此来判定发电机性能。

4 结束语

针对船舶发电机组负荷突加突卸时间短、数据波动大的特点，系统采用USB6009数据采集卡，结合虚拟仪器的数据采集技术，使测试过程的实时性、测试精度以及测试结果的可视化程度都有很大提高，在实际测试中取得了良好的测试效果。由于存在干扰和噪声，测试波形不是很平滑，下一步的工作重点将转移到如何进行更好的噪声处理。相对于以往的测量仪表，该系统测量方便，数据参考价值更大。

[1] 徐超.船用发电机组新型自动化测试系统的研制[D].广州：华南理工大学自动化与科学学院，2009.

[2] 龙华伟，顾永刚.LabVIEW8.2.1与DAQ数据采集[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3]Travis J，Kring J.LabVIEW大学实用教程[M].3版.乔瑞萍，译.北京：电子工业出版社，2008.

[4] 窦修朋.基于LabVIEW的陀螺仪震动信号采集与分析[J].中国测试，2009，35（2）：64-66.

[5] 马昭胜.船舶发电机突加突卸负荷虚拟实验的研究[J].高教论坛，2003，8（4）：160-161.

[6] 胡仁喜，王恒海，齐东明.LabVIEW8.2.1虚拟仪器实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[7]梁秋明，田梦君.基于LabVIEW的虚拟示波器设计与实现[J].电子测量技术，2009，34（3）：158-161.

[8] 雷振山.LabVIEW高级编程与虚拟仪器工程应用[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[9]李鑫.基于LabVIEW的船用柴油机故障诊断系统数据采集[J].福建电脑，2009（3）：8-9.

[10]黄泉水，王国治.基于LabVIEW的虚拟振动信号分析仪设计[J].华东船舶工业学院学报，2004，6（3）：65-66.

[11]段军.机车柴油机数字式电子调速系统智能PID控制理论和技术的研究[D].大连：大连理工大学机械工程学院，2000.