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电网络试验台动力系统开发 a b s t r a c t e l e c t r i c a ln e t w o r kt e s tb e di st h ee s s e n t i a le q u i p m e n ti nt h ea i r c r a f tp o w e rs y s t e mt e s t s i t sm a i n f u n c t i o ni st od e t e c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa i rg e n e r a t o ra n dt ot e s tt h eq u a l i t yo fa i r c r a f tp o w e rs y s t e m t h es y s t e mp r o v i d e sab a s i sf o rp o w e rs y s t e md e s i g na n dm a i n t e n a n c e t h em a i no b j e c to ft h i si s s u e i st os e tu pap o w e rs y s t e mf o rt h ee l e c t r i c a ln e t w o r kt e s tb e d t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h eo v e r a l lp r o g r a mo ft h ee l e c t r i c a ln e t w o r ks y s t e ma n dt h ec h o i c e o ft h ed e v i c e s s e c o n d , i td e s c r i b e st h ed e s i g no ft h es o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h ep l cs o f t w a r ea n d m o n i t o r i n gs o r w a r e t h es i e m e n sp l cp r o d u c t ( s t e p7 ) a n di n d u s t r i a ls o f t w a r ep r o d u c t ( v c + + ) a r e u s e dt od e s i g nt h el o g i cc o n t r o lp r o g r a m sa n dt h em o n i t o r - c o n t r o li n t e r f a c es e p a r a t e l y t h ep l c s o f t w a r ec a l lr e a l i z et h ec o n t r o lo fi n v e r t e r , a n df e e d b a c ki n v e r t e rf a u l ti n f o r m a t i o n t h em o n i t o r i n g s o f t w a r ec a ns e tt h ep a r a m e t e r so fi n v e r t e r , m o n i t o ru ，i np a r a m e t e rv a l u e s ，p r i n tr u n n i n gs t a t u s c u r v e s f i n a l l y , t h ea r t i c l ed e s c r i b e st h ed e s i g no fe m if i l t e r , w h i c hr e d u c e st h ee l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n di m p r o v e st h et e s t i n ga c c u r a c y a tp r e s e n t , t h es y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e da n dp u ti n t ou s e i ti sc o n f i r m e db yf i e l dd e b u g g i n g w i t h9 0 0 ds t a b i l i t y , f a s tr e s p o n s ea n di n t e r r u p t - r o b u s t o e s s b e s i d e s ，t h es y s t e mw i n sl l i g hc o m m e n d s f r o mt h ei n v e s t o ro f t h ep r o j e c t k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ln e t w o r kt e s tb e d , a cs p e e dr e g u l a t i o n , p l c ，m o n i t o r i n gs o f t w a r e ，e m if i l t e r i i 电网络试验台动力系统开发 图表清单 图1 1 电网络试验台结构框图2 图2 1 西门子s 7 2 0 0 系列p l c 及其扩展模块：10 图2 2p c i 7 5 0 1 f 1 3 图2 3 电网络试验台动力系统硬件框图1 4 图2 4 控制柜面板图15 图3 1p l c 扫描过程示意图。1 8 图3 2p l c 主程序流程图：2 0 图3 3p l c 子程序流程图2 l 图3 4p l c 部分端子符号名称定义文件2 2 图3 5 电机运行状态的选择2 2 图3 6 电机加减速档位的选择2 3 图3 7 电机运行状态监视程序2 3 图3 8 子程序调用程序：2 4 图3 9 上位机软件主程序结构图。2 5 图3 1 0 计算机与变频器之间的传送方法2 7 图3 1 l7 系统监控功能分类图二：3 1 图3 1 2 系统登录界面_ 3 2 图3 1 3 主控界面3 2 图3 1 4 参数设置画面3 3 图3 1 5 实时监控画面。3 3 图4 1 被测直流发电机输出电压波形3 6 图4 2 系统中滤波器的设置3 6 图4 3 共模干扰3 7 图4 4 差模干扰3 7 图4 5e m i 电源滤波器基本网络结构3 7 图4 6 普通e m 【滤波电路：3 8 图4 7 增强型e m i 滤波电路3 8 图4 8 二端口网络。3 9 图4 9 滤波器插入损耗定义示意图：3 9 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 1 0 共模和差模干扰的频谱分布4 0 图4 ii 差模增强型e m i 滤波电路。4 0 图4 1 2 共模等效电路。4 1 图4 1 3 差模等效电路4 l 图4 1 4 滤波器共模插入损耗曲线。4 3 图4 15 滤波器差模插入损耗曲线。4 3 图4 1 6 不同源、负载阻抗系统共模仿真曲线“ 图4 1 7 不同源、负载阻抗系统差模仿真曲线4 4 图4 18 环形铁氧体磁芯。4 5 图4 1 9 接入滤波器后被测设备直流发电机输出电压波形4 7 图5 1p l c 软件调试流程图5 0 图5 2 小表头显示数据5 1 图5 3 曲线显示51 图5 4 打印区间的设置5 l 图5 5 打印曲线5 1 图5 6 数据的表格显示5 2 图5 7 改变数据的时间间隔5 2 表2 1 系统主要技术指标要求：8 、 表2 2 电机额定参数9 表2 3 富士f r n l 3 2 g 1 1 s 4 c x 变频器的主要参数1 1 表2 4 变频器部分端子功能设置1 2 表3 1 变频器通讯参数的设定2 6 表3 2 传送帧长2 8 表3 3m s c o m m 控件的属性。2 9 表3 4 主要c v i e w 打印覆盖函数3 4 表4 1 仿真模型参数列表4 2 v l i 电网络试验台动力系统开发 v m 注释表 可编程序控制器 晶闸管 门极可关断晶闻管 双极型功率晶体管 场效应管 静电感应晶体管 静电感应晶闸管 m o s 控制晶体管 控制晶闸管 绝缘栅双极型晶体管 耐高压绝缘栅双极型晶闸管 脉宽调制技术 变压变频调速 直接转矩控制 外设组件连接 发光二极管 逻辑门电路 微软基础类 状态转移图 单文档界面 多文档界面 电磁干扰 电动机的输出功率 电动机的效率 电动机的功率因数 电动机电压 电动机工频电源时的电流 电流波形的修正系数 变频器的额定容量 眦呱阱一孵一姗眦一啪附皿m眦毛；卿煳啪匕才唧后 南京航空航天大学硕士学位论文 l c n 厶 l 晰 q 晰 变频器的额定电流 漏电感 等效共模电感 等效共模电容 等效差模电感 等效差模电容 i x 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：型亟摺 e l期：垄p ：璺 酗吗 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 飞机供电系统 飞机供电系统是飞机上电能产生、控制、变换和输配的整套装置所组成的一个完整系统， 包含从电源到用电设备输入端的全部。它的作用是向飞机上所有用电设备连续地提供满足规定 技术性能的电能，以保证飞机可以安全飞行和完成运输或作战任务。 飞机供电系统可分为电源系统和配电系统两大部分i l 】。 飞机电源系统是指在飞机上产生电能的装置和相应配套设备构成的系统。一般包含交流电 源及直流电源( 含电瓶电源) ，以供应飞机各种电气装备及航空电子设备有效安全地运作。 飞机电源系统，按其用途可以分为主电源、二次电源和应急电源，有时还包括辅助电源。 主电源不工作时，飞机用电设备所需电能可由辅助电源或地面电源供给。飞行中一旦主电源产 生故障，则由应急电源供电。二次电源用于将主电源的电能转变为另一种或多种电能。 飞机上采用的电源系统的类型随着飞机类型及其性能、任务要求以及用电设备的不同而有 所不同。目前国内外正在使用的飞机电源系统是多种多样的，有低压直流电源系统、恒速恒频 交流电源系统、变速恒频交流电源系统、混合电源系统、变频交流电源系统以及高压直流电源 系统等f 2 j 。 交流电源来自交流发电机，其输出电压为三相四线制1 1 5 2 0 0 v ，4 0 0 h z ；直流电源一般来 自直流发电机或由交流电源转换而成，其标称电压为2 8 v 。电瓶电源供应飞机起动引擎或辅助 动力单元，必须具备瞬间输出高电流( 数百安培至数千安培) 的能力，一般标称电压为2 8 v 。 飞机在正常情况下，电瓶电源仅作为备用电力，并由充电控制器控制充电速率，使电瓶随时保 持在电力饱和状态下 3 1 。 配电系统由配电网络、配电装置及电网保护装置等组成，它的作用是将电源所产生的电能 传输和分配到飞机上各用电设备上去。配电方式一般可分为集中式、分散式和混合式配电系统。 飞机供电系统的这种构成方式目的在于：保证在各种条件下向用电设备连续和可靠地供 电；保证主电源正常时向用电设备提供质量高的电能，主电源故障时保证飞机能紧急安全着陆； 使飞机能不依赖于地面设备的支持自行起飞和着陆。 1 1 2 电网络试验台简介 飞机供电系统在现代飞机系统中占有十分重要的地位，是机载设备稳定运行的重要保障。 电网络试验台动力系统开发 机载用电设备都要求较高的供电质量，对电压调制精度、频率调制精度、交流电压波形、电压 浪涌等参数均有一定的技术标准。对于飞机供电系统来说，在其生产检修过程中都需要对其电 气参数进行测试。 电网络试验台是飞机供电系统地面测试和试验过程中所需的关键设备。它通过一台大功率 电机( 模拟飞机发动机) 拖动航空发电机发电，发出的电能通过配电装置配送到交直流负载箱， 来模拟飞机上供配电m 】。针对某些需要油冷或风冷的航空发电机，在发电过程中通过油冷或风 冷装置对航空发电机进行冷却 6 1 。这样，通过地面试验来模拟飞机各种正常运行状态( 包括起 飞、爬升、战斗及降落) 下电源系统的工作状态，以及在异常状况时航空电源系统的应急、保 护系统的工作状态，在各个状态下对航空电源的各项功能指标进行测试和分析从而检验其性能 指标是否达到设计要求。电网络试验台的一般结构框图如图1 1 所示。 动力系统供电系统 数 测控系统 冷却装置 据 采 j 、 集 拖动装置 1 直流发电机俐直流负载箱 信 1 卡 a 1 号 l 调模 计 r 1 q 交流发电机p 刮交流负载箱 理拟 算 装 a量 、机 叫 测 置输 i 冷却装置i 出 j 、控 、r 叫 系 卡 统 弋 7 变频器 l r s 4 8 5 通讯 通 一 j 、 讯 叫 量 图1 1 电网络试验台结构框图 为了设计更为可靠的飞机供电系统，我国很早就进行了电网络试验台的研究。9 0 年代初， 西北工业大学9 0 7 教研室依据飞机供电参数测试标准国军标g j b 1 8 1 即美国军标 m i l s t d - 7 0 4 a ，开始进行电网络试验台的研究和开发。经过近两年的深入研究，他们设计开 发出在当时处于国内领先水平的电网络试验台 7 - 8 。该系统较好地解决了飞机供电系统中性能参 数的测试问题，而且能够根据g j b l 8 1 8 6 和h b 6 4 4 8 - 9 0 的要求对参数进行全面的测试，但由于 数据采集设备采用i s a 总线接口而且软件在d o s 环境下开发，使得采集速度、精度以及数据 在内存的存储量受到限制，使得在计算某些测试项目时，不得不对采样速率和测试计算方法进 行取舍，这在一定程度上，影响了测试数据的准确性。同时测试系统软件也由于内存和速度的 限制，软件之间关联关系不好，大量的可以用图像表示的结果只能用数字显示，无法发挥现代 计算机系统的巨大效能。 随着现代科学技术的不断发展，电网络试验台也在不断完善和改进。目前，新一代电网络 试验台是集电力拖动、转速控制、拖动系统故障自检测、电源相关发电参数的实时监测、负载 2 南京航空航天大学硕士学位论文 的动态控制于一体的综合性试验台 9 - 1 0 1 ，其硬件环境基于p c i 总线，以提高数据传输速度【l l 】； 软件环境基于w i n d o w sx p 中文操作系统【埘，以解决试验数据的实时监控、记录等问题，同时 使界面更为美观，操作更为简易。 本课题来源于中国直升机设计研究所，主要研究任务就是开发电网络试验台的动力系统， 目的在于驱动航空发电机，达到一定的驱动动力，以模拟飞机上发电机的驱动。具体技术指标 详见论文2 1 节。 1 1 3 电网络试验台动力系统的发展和现状 动力系统是电网络试验台的重要组成部分，在飞机上是靠航空发动机的传动装置来驱动发 电机发电的。在做地面试验时，则是采用拖动台来驱动，没有动力装置则发电机无法发电。动 力系统主要是由拖动电机、调速控制系统及操作控制系统组成。早期的动力系统采用直流电机 作为拖动电机，其优点是具有较好的调速性能和动态响应性能，机械特性硬，启动力矩大，技 术成熟，但是直流电机( 特别是大容量直流电机) 成本高，结构复杂，维护不便，体积大，同 样控制柜体积大，因此考虑减小试验台体积，减少维护，节省运行费用等方面的要求，直流调 速系统已逐渐不能满足当今电网络试验台的要求。 交流异步电机由于具有结构简单，价格便宜，免维护等显著的优点广泛被采用。随着电子 技术和自动控制技术的发展，以及各种高性能的电力电子元器件应用，交流变频调速系统在各 工业发达国已迅速广泛地应用，交流变频调速系统已逐步替代直流调速系统，交流变频调速系 统是驱动技术发展的趋势。由于交流请速系统技术先进；性台岂卓越；采用交流变频调速系统后， 试验台外围辅助设备极为简单，大大减小试验台的体积，并确保稳速精度要求。并且试验台调 速区设置在恒功率弱磁调速区域，使得试验台机械特性与发电机工作特性相吻合，避免了大马 拉小车，系统设备利用率高。目前电网络试验台普遍采用交流变频调速系统【1 3 d 4 】。 电网络试验台动力系统作为飞机供电系统地面测试的关键性硬件设备，在飞机的研制过程 中起着重要的作用，其性能的优劣直接关系到实验结果的可靠性和置信度。变频调速虽然在电 机的调速方面虽然具有较多优势，但由于目前的变频器几乎都采用s p w m 控制方式，这样的脉 冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流，污染了系统的供电电源，从而引入 高频干扰，影响实验结果的准确性，因此必须采取措施抑制动力系统的高频干扰，本文研究了 抑制动力系统高频干扰的e m i 电源滤波器。 1 2 相关技术概况 1 。2 1p l c 技术概况 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 简称p l c ，是上世9 6 0 年代末发明的工业 3 电网络试验台动力系统开发 控制器件，是美国数字公司( d e c ) 为美国通用公司( g m ) 研制开发并成功应用于汽车生产 线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程 控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将p l ，c 理解为开关量控制的时代已 经过去，p l c 不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技 术融为一体，其功能也日趋完善。目前的p l c 综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技 术，具有如下特点f 1 孓1 6 l ； ( 1 ) 高可靠性：如三菱、西门子、欧姆龙的p l c 产品，平均无故障时间大大超出i e c 规定 的1 0 万小时，并可采用多机冗余系统，进一步提高可靠性。 ( 2 ) 编程方便、易于使用：梯形图语言、s f 、功能块等多种编程语言和方式，直观易懂。 易于上手。 ( 3 ) 控制功能极强：除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，还可实现点位 控制、p i d 控制、过程控制、数字控制等功能，还可进行远程控制。 ( 4 ) 扩展机与外部连接极为方便：各个受控设备可通过p l c 网络模块连接在一起，实现有 效信息资源的共享与交换。 近年来p l c 在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普通应用，越来越多 的工厂设备采用p l c 、变频器、人机界面等自动化器件来控制，使设备自动化程度越来越高。 1 2 2 变频调速技术概况 变频技术是应交流电机! 无级调速的需要而诞笙的：笱二1 世纪6 b 年代后半期开始；4 电办电予 器件从s c r ( 晶闸管) 、g t o ( 门极可关断晶闸管) 、b j t ( 双极型功率晶体管) 、m o s f e t ( 金 属氧化物场效应管) 、s i t ( 静电感应晶体管) 、s i t h ( 静电感应晶闸管) ，m g t ( m o s 控制晶 体管) 、m c t ( 控制晶闸管) 发展到今天的i g b t ( 绝缘栅双极型晶体管) 、h v i g b t ( 耐高压 绝缘栅双极型晶闸管) ，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。2 0 世纪7 0 年代开始，脉宽 调制变压变频( p 以v ，f ) 调速研究引起了人们的高度重视，作为变频技术核心的p w m 模 式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣【艰瑚。 v 腰变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求， 已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定 子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动 机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。 矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流l 、l 、t 通 过三相一= 相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流l ，、厶，再通过按转子磁场定向旋 转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流毛、( 相当于直流电动机的励磁电流，厶 4 南京航空航天大学硕士学位论文 相当于与转矩成正比的电枢电流) ，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量， 经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制【1 9 - 2 0 l 。 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测， 系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂， 使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授提出直接转矩控制方法。直接转矩控制采用电 压模型计算出定子磁链反馈信号，并构造出转矩反馈信号，与定子磁链给定信号、转矩给定信 号相比较后，对磁链与转矩实行b a n d - b a n d 控制，直接生成p w m 控制信号。由于计算磁链的 电压模型不受转了参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。转矩控制时无须对定子电流进 行解耦，省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；且控制方式采用非线性的b a n d b a n d 控制， 避开了复杂的电动机数学模型1 2 1 抛1 。 w 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺 点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网， 不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生1 2 _ a - 2 5 1 。由于矩阵式交一交变频省去了 中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l ，输入电流为 正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深 入研究。 目前，变频调速技术已被国内外公认为交流调速领域里最理想调速方式，具有广阔的市场 前景和重要的理论研究价值i 在工业应用各相关领域j + 对原有传动系统进行变频改造也是势在 必行。 1 2 3 滤波器技术概况 滤波器是按照某种规定的方式将输入信号变换为要求的输出信号的一种网络，其输出信号 可以用时间或频率来描述。在后一种情况下，滤波器通常起着频率选择的作用，让某些频率的 信号无损耗的通过而对于另一些频率的信号抑制和衰减。滤波器理论起始于1 9 1 5 年，美国的坎 贝尔( c a m p b e l l ) 和瓦格纳( w a g n e r ) 分别发明了滤波器。随后二十年代若贝尔( z o r b e l ) 提 出影像参数法的经典滤波器理论，三十年代柯尔( c a u e r ) 、达林顿( d a r l i n g t o n ) 等人提出现代 滤波器理论。现代滤波器理论包括用转移函数对滤波器指标近似和按近似所得的转移函数综合 网络两个问题。随着计算机在近似问题和实现问题中的应用，现代滤波器理论得到了广泛的应 用1 2 6 1 。 e m i 滤波器是抑制传导干扰最为有效的手段，它包括信号线滤波器和电源线滤波器。信号 线滤波器允许有用信号无衰减地通过，同时大大衰减无用干扰信号。电源线滤波器通常是一种 5 电网络试验台动力系统开发 低通滤波器，它让电源频率( 低予5 0 h z 或4 0 0 h z 的频率) 无损耗的通过，却阻止较高频率的 干扰信号通过滤波器。它既保护设备免受电网中电磁干扰的影响，同时它又能抑制设备本身产 生的e m i 信号，防止进入电网造成污染。按照分类的不同，e m i 电源滤波器可分为反射式滤波 器和吸收式滤波器，无源滤波器和有源滤波器e 3 r l 。e m i 电源滤波器由于工作条件和作用有别于 普通滤波器，具有其独特的特点：源和负载阻抗变化范围大，干扰源电平变化幅度大，可能导 致滤波器磁饱和，要求抑制的频率范围宽，高频特性难以使用集总参数表示，通带内衰减要足 够小，阻带内衰减要足够大，对其工作可靠性和安全性要有足够的考虑。它要求设计出的滤波 器网络在安全标准对元件的限制和阻抗在很大范围内变化的条件下，在很宽的频率范围内达到 插入损耗等指标的要求 3 a 4 0 1 。 常见的e m i 滤波器为一个低通网络，它由电感、电容或电阻等无源器件组合而成。一般其 电路形式为l 型、t 型、7 型等基本电路形式或这几种形式的组合【4 1 1 。e m i 滤波器不同于普通 的低通滤波器，二者所关心的滤波器指标、使用环境等都有很大的差异。普通低通滤波器关心 幅频特性、相位特性、群延时、波形畸变等特性；而e m i 滤波器则更关心插入损耗、能量衰减、 截止频率等参量| 4 2 4 5 1 。从使用环境来看，一般低通滤波器工作电压较低、工作电流较小、源端 和负载端特性较单一；而e m i 滤波器不仅工作电压和电流会比较大，而且要能够承受瞬时大电 流的冲击，在使用中必须考虑源端和负载端的端接阻抗对滤波器性能的影响，而且必须结合屏 蔽接地技术才能达到良好的e m i 抑制效果【侮盯】。 近年来，在国内外研究人员的努力下，e m i 滤波器的设计理论不断发展。s h i f r a a nj c 于 1 9 6 5 年提出一种图表方法 4 8 1 ，通过事先绘制成的滤波器插损分析列线图设计单级l 型和万蛩。 e m i 滤波器；1 9 9 4 年，l a s z i ot i h a n y i 在其专著中发展了列线图方法1 4 9 1 。考虑滤波器器件非理 想特性对列线图的影响，并不再局限于单级滤波器。但这类方法需要搜索大量的图表，且设计 与校核过程都比较复杂；另一类方法由r i c h a r dl e eo z e n b a u g h 提出1 5 0 】，根据不同的设计阻抗和 插入损耗要求选取滤波电路，估算元件参数；再根据特殊频点的插入损耗要求，加入修正电路 模块，同时在设计过程中不断地校核分析滤波器插入损耗，并做以适当修正。但这些设计方法 分析过程繁杂，校核运算量很大。在上述理论设计方法的指导下，近年来又出现了一些新的设 计方法【5 1 。5 8 1 。 文献【5 l 】提供了一种滤波元件数值的计算方法，它以输入阻抗、输出阻抗、电磁兼容标准、 正常工作时流过滤波器的电流等作为初始条件，引入滤波器设计阻抗和截止频率的概念，根据 截止频率、电磁兼容标准及选取的滤波器电路形式计算得出滤波元件值。这种设计方法简单快 捷，但是没有考虑到元器件的高频特性及共模电感磁芯的性质，实际制作通常达不到预期的目 标。文献【5 2 】提出一种连续正交阵列( c o n s e c u t i v eo r t h o g o n a la r r a y ) 方法，无需分离共模和差 模噪声信号，直接设计整个e m i 滤波器，而且能够保证较高的功率因数( p o w e rf a c t o r ) 。但是 6 南京航空航天大学硕士学位论文 如果滤波器的拓扑结构复杂些，其运算量相当大。文献【5 3 】采用平面电磁综合技术( p l a n a r e l e c t r o m a g n e t i ci n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y ) ，通过减小等效串联电感和等效并联电容，提高滤波器 高频特性，最后利用m a x w e l l 二维有限元( f e a ) 软件验证滤波器结构。 本文主要利用网络理论分析滤波器的网络结构，计算得出滤波元件值，从而设计了应用于 电网络试验台的e m i 电源滤波器。 1 3 本文主要工作及研究意义 1 3 1 本文的主要内容 本文主要内容分为以下六个章节： 第一章主要介绍了本课题的研究背景，简单描述了电网络试验台的工作原理及相关技术 概况。最后介绍了本文研究的主要内容和意义。 第二章根据电网络试验台对动力系统的技术要求，确定了系统的总体方案，详细介绍了 变频器、p l c 、数据采集卡等主要设备的选型。 第三章主要介绍了电网络试验台动力系统的软件设计，包括p l c 软件的设计以及监控软 件的设计。 第四章本章针对电网络试验台中存在较大电磁干扰的情况，设计了e m i 电源滤波器，从 而降低了系统的干扰，提高了测试精度。 第五章介绍了电网络试验台动力系统的安装以及软硬件调试方法。 第六章对本论文所做的工作进行了总结，并对进二步的研究工作提出了二些建议j 1 3 2 本文的研究意义 电网络试验台动力系统的成功研制不仅满足了飞机电源地面测试系统的拖动要求，也为我 国飞机的研制、试验提供了良好的试验保障条件，对我国的国防建设和航空事业有着深远的影 响和重要的现实意义，同时，对其它大功率的电力拖动系统的工业应用有着重要的技术参考价 值和借鉴作用。 7 电网络试验台动力系统开发 第二章电网络试验台动力系统总体设计 2 1 任务分析 为了完成飞机发电机的性能试验，必须建立一个动力系统，拖动该发电机。本文的主要任 务是开发集拖动和控制、显示、故障报警等功能于一体的动力装置，目的在于驱动航空发电机， 达到一定的驱动动力，以模拟飞机上发电机的驱动装置性能。 为了模拟飞机上发电机驱动装置( 即航空发动机) 的性能，用户经过调研和分析，得出动 力系统的主要技术指标如表2 1 所示： 表2 1 系统主要技术指标要求 转速范围 正反转3 4 0 0 - - 1 8 0 0 0 r r a i n 可调 稳态精度误差 1 ，额定转速运行o 5 转速漂移 o 5 加减速度 最大加速度2 4 0 0 r p m s ，最大减速度1 0 0 0 r p m s 硬度在6 5 0 0 - 18 0 0 0r p m 范围，当突加或突卸1 5 0 、2 0 0 额定负载时； 在额定负载下，以1 0 0 0 r p m 加减速时；拖动台硬度均不小于9 5 r 存1 岛时间内同到稳表。，；t 另外，本系统要求能同时对两台航空发电机测试，需要两台拖动电机，可单台联动运行， 运行方式分为手动多步、自动多步、手动升降等；系统能进行故障自诊断、声光报警及自检； 可通过监控计算机设置变频器的工作参数，监视、缩放和打印运行状态曲线，存储、处理和打 印运行数据；系统具有良好的抗干扰性，尤其是被测直流发电机输出电压中干扰不得超过2 v ， 因此需设置合适的滤波器。 2 2 驱动方案 电网络试验台动力系统的功能就是模拟飞机发动机的性能，拖动被试航空发电机工作在 3 4 0 0 1 8 0 0 0 r p m 这一范围，为发电机工作状态技术参数的测试提供条件。由于一般的电机很难 达到1 8 0 0 0 r p m ，所以系统采用了变频调速电机加增速齿轮箱的设计方案。 由于拖动台采用交流变频调速系统，驱动电机必须采用交流变频异步电动机拖动，而不能 选用普通交流异步电动机，因为普通交流异步电机在结构上、性能上以工频( 5 0 h z ) 设计，只 能工作于工频转速，当低于或高于工频时，其磁路损耗增大，输出特性下降显著。而变频异步 电动机在电机结构上、性能上采取特殊设计，能在5 - 1 0 0 h z 范围正常工作，即在5 - 5 0 h z 为恒 8 南京航空航天大学硕士学位论文 转矩特性，在5 0 1 0 0 h z 为恒功率特性。 又由于国内的调速系统，一般采用恒转矩调速方法，即在电机额定频率以下调速，这样系 统设计难度小，但对于电网络试验台来说，却有缺陷，即在低速时，转矩裕量不够，高速时， 转矩裕量过大，设备利用率低，其次采用恒转矩调速，频率分辨率低，稳速精度虽可满足要求， 但要进一步提高就相当困难。因此必须采用恒功率和恒转矩结合的调速方法，则选用四极电机 为最佳【1 4 1 。 结合所需测试的航空发电机功率要求，本系统选用四极交流变频电机y b p 3 1 5 m 1 - 4 ，具体 参数如表2 2 所示。 表2 2 电机额定参数 电机级数4额定功率1 3 2 k w 额定电流 2 4 0 a额定转速14 9 7 r m i n 额定电压3 8 0 v频率范围0 - - 9 0 h z 根据所选变频调速电机的额定转速1 4 9 7 r m i n 的情况，系统采用增速比为1 ：6 9 9 7 的齿轮箱 增速系统。由于所选变频调速器的调速频率在0 9 0 h z ，这样就可使增速齿轮箱系统工作在 0 - 1 8 8 5 4 r r a i n 范围内，从而满足发电机工作状态转速3 4 0 0 1 8 0 0 0 r m i n 的技术指标要求。 2 3 控制系统的硬件设计与选型 控制系统是整个动力系统的核心和控制中枢，它由变频器、p l c 、显示仪表板、控制开关 板、手动控制电路、计算机控制电路、计算机、打印机为主要组成。所有试验可通过手动控制 方式完成，也可通过计算机控制方式自动完成。 2 3 1 可编程控制器的选型 可编程控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用 可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑计算、顺序控制、定时、计算和算术运算 等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 p l c 具有继电接触器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具备的特点。运行稳定， 可靠性高，抗干扰能力强，设计、使用和维护方便，编程语言直观易学，可以和网络技术相结 合，体积小，质量轻，能耗低。因此，选用p l c 为电网络试验台动力系统的控制中心处理器。 目前的厂商中，p l c 产品线全、历史悠久、编程语言流行、应用领域广的公司主要有德国 的西门子公司、日本的三菱公司、欧姆龙公司、美国的a b 公司等，根据性价比的选择，根据 被控对象的所需要的i o 点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等综合方面的考虑，我们 选用德国s i e m e n s 公司的s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 。1 9 9 6 年s i e m e n s 公司推出s i m a t i cs 7 9 电网络试验台动力系统开发 系列的p l c ，包括小型p l cs 7 - 2 0 0 中型p l cs 7 3 0 0 ，大型p l c3 7 4 0 0 。$ 7 - 2 0 0 是s i e m e n s 自动化与驱动集团开发、生产的小型模块化p l c 系统，一个实际的s 7 2 0 0 控制系统可由多个 模块化的组件和设各组成。s 7 2 0 0 系列产品具有高性能的中央趾理器，因其模块化的灵活设计 而具有广泛的使用范围同时具有极高的性价比。 图2 1 西门子s 7 2 0 0 系列p l c 及其扩展模块 s 7 - 2 0 0 的主要特性有；具有快速的中央处理运算能力、极丰富的编程指令集、响应快速的 数字量和模拟量输入，输出通道操作便捷，易于掌握，具有强大的通讯功能和丰富的扩展模块。 同时s 7 2 0 0c p u 还集成了丰富的内置功能，具有高速计数器输入、短暂脉冲捕捉功能、高速 脉冲输入、i o 硬件中断事件、特殊功能相关的中断功能、p i d 控制、p i d 自整定功能，支持多 种生产工艺配方和数据记录( 归档) 。此外，$ 7 - 2 0 0 还支持用户自定义的库指令，便于模块化 编程，完善的密码和知识产权保护功髓j 瘦持在砌! ( 运行，状态下韵在线编程能执直接诿 ，写实际f o ，具有可调整的数字量和模拟量的输入滤波，可定义数字量和模拟量在s t o p ( 停 止) 时的状态，同时支持多种敷据保持设置和一个可由用户定义的l e d 状态指示灯。 本系统选用p l c 的c p u 型号为6 e s 72 1 6 2 b d 2 3 4 ) x b 0 ，输入、输出点数分别为2 4 个和 1 6 个，而分析系统控制任务和要求，统计出的p l c 输 、输出点数分别为输入4 6 个点，输出 6 4 个点，可见i o 端子不满足要求需扩展模块，增加i o 端子的数目，以便达到控制要求。 晕终，我们选择增加了4 个扩晨模块它们分别是1 6 入1 6 出模块2 个，型号为6 e s 7 2 2 3 一i p l 2 2 - 0 x a 8 1 6 1 1 6 0 ；b 出模块2 十，型号为6 e s 72 2 2 1 h f 2 2 - 0 x a g8 0 。 232 变频器的选择及其端子功能设置 232 1 变频器的选型 随着变频调速技术的成熟，控制芯片和模块的硬件水平不断提高，变频器成本的不断下降， 这就使得变频器的应用也就越来越广泛。和其它调速方式相比，变频调速以其极高的性价比得 到了用户的普遍认可，成为电机调述领域的主力军。变频器的正确选择对于控制系统的正常运 南京航空航天大学硕士学位论文 行是非常关键的。 ( 1 )容量确定方法 依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连 续运转时，变频器容量( k 、，a ) 应同时满足下列三式： ， - 丝l ( 七蹦) ( 2 - 2 ) 卫c o s 矽 k x 4 3 u m 毛x 1 0 q ( k v a ) ( 2 3 ) b k 毛似) ( 2 - 4 ) 式中，易负载所要求的电动机的输出功率； 巧电动机的效率( 通常在o 8 5 以上) ； c o s 矽电动机的功率因数( 通常在o 8 以上) ； 电动机电压( v ) ； l 电动机工频电源时的电流( a ) ； k 电流波形的修正系数，对p w m 方式，取1 1 0 5 ； 变频器的额定容量( k v a ) ； t ，变频器的额定电流( a ) 。 这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流 是一个较关键的量。 ( 2 )型号选择 电网络试验台动力系统采用交流双变频控制方式，需要两台变频器同时驱动两台功率为、 1 3 2 k w 的异步电机，控制精度要求较高，可选用矢量控制高功能型变频器。 由于客户提供一台富士f r n l 3 2 g 9 s - 4 c x 变频器，我们再选用一台富士f r n l 3 2 g 1 1 s 一4 c x 变 频器即可满足要求。 富士f r n l 3 2 g 1 1 s - 4 c x 变频器是富士公司采用动态转矩矢量控制技术，结合诸多先进的生产 制造工艺推出的高性能变频器，其主要参数如表2 3 所示。 。 表2 3 富士f r n l 3 2 g 1i s - 4 c x 变频器的主要参数 额定容量 1 9 2 k v a 额定输出电流2 5