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柴油发电机组输出特性现场检定装置的设计与实

2020-10-28
来源: 礼德动力

0 引言

近些年来,由于船舶系统规模的扩大,各系统自动化水平的提高,促使船用电力系统发生变化,船用发电机组容量不断增加,对供电的连续性和电能质量要求更高。船用柴油发电机组为船上各种设备提供充足的动力保障,有效保证了供电的连续性,保证了供电系统的可靠性和稳定性,发电机组时刻发挥着重要的安全保障作用。在工程项目进行验收时,由于没有专门的仪器对柴油发电机组进行加载试机,无法测试各项输出指标及带载能力能否达到设计要求,直接影响工程验收;其次,柴油发电机组加装降噪设备后对机组的输出功率存在一定影响,无法测试机组输出功率损失量。柴油发电机组输出特性现场检定装置,能够实现柴油发电机组性能、容量、控制和状态管理功能的现场检定,通过多次典型数据的积累可分析专用设备计量特性的变化趋势,实现设备计量特性变化特征的预判,为设备计量管理提供参考依据,从而提高设备的可靠性。

1 系统设计

柴油发电机组输出特性现场检定装置主要由硬件和软件两部分,系统主要由交流电子负载模块、电量采集模块、温度采集模块、数据处理软件以及人机交互系统组成,系统组成框图如图1所示。

 

图1 柴油发电机组输出特性现场检定装置系统框图

其系统主要工作流程为:

 

1)系统上电后,用户根据试验检测需要,通过触屏输入设定交流电子负载输出模拟负荷,嵌入式计算机通过串口向交流电子负载发送指令,控制交流电子负载的输出阻性负载。

2)电量采集模块实时采集被测柴油发电机组输出的三相电压、三相电流、频率等相关信息,经模数转换后,将模拟量转换为数字量经串口发送给嵌入式计算机。

3)温度采集模块实时采集系统环境温度,经模数转换后,将模拟量转换为数字量经串口发送给嵌入式计算机。

4)嵌入式计算机通过串口接收电量采集模块和温度采集模块的测量信息,数据处理系统实时解算交流电路中三相电压、三相电流的有效值以及有功功率、无功功率、功率因数等相关参数,并对采集到的电压、电流进行快速傅里叶变换处理,实现对系统谐波、骤变的检测分析。

5)数据处理系统同时实时记录解算出的各种参数及设备的工作状态,并根据用户需求生成测试报告。

6)最终在人机交互系统上显示设备的运行状态、电量信息以及放电曲线等。

主要技术指标:

1)功率测量范围:0~100 kW,最大允许误差:±1%。

2)电压测量范围:0~1000 V,最大允许误差:±0.5%。

3)电流测量范围:0~300 A,最大允许误差:±0.5%。

2 硬件设计

2.1 电量温度采集模块电路设计

设计采用32位的STM32F103作为主芯片,其带有16位高精度的A/D、UART、SPI接口。完全可以满足设计要求,且成本低,可靠性高等特点。电量采集模块组成系统框图如图2所示。

图2 电量采集模块组成系统框图

2.1.1 三相电压检测信号调理电路

该电路是将三相电压转换成处理器A/D可输入的电压范围,该信号调理电路运用运放电路中的差动电路来实现。

电压传感器外接原边电阻,将电压信号转换为电流信号,电压传感器再隔离测量。额定测量电流范围为:±5 mA,额定电压输出为2.5±0.625 V,基准电压为2.5 V。额定测量电压为220 V,选用100 K精密电阻,则额定测量电流为2.2 mA,因此额定电压输出为2.5±0.275 V。电压检测电路如图3所示。

图3 电压检测电路

由差分放大电路叠加原理可知,

ACVOLA=ACVOL_A+VREF_A=

R13=R5R14=R1时,

2.1.2 三相电流检测信号调理电路

三相电流检测信号调理电路测量原理与三相电压检测电路基本相同,由于电流传感器无基准电压输出,故条例电路运用运放电路中的跟随电路来实现。

额定测量电流范围为:±150 A,额定电压输出为2.5±0.625 V。电压检测电路如图4所示。

图4 电流检测电路

2.1.3 频率检测信号调理电路

通过比较器把输入电压的正弦波整形为方波型式然后ARM通过捕捉方波的上升沿或下降沿来触发内部定时器中断,以计数方式来计算一个周波的时间从而计算出输入的电压频率。频率检测信号调理电路如图5所示。

图5 频率检测信号调理电路

2.1.4 温度检测调理电路

本设计选用DS18B20作为测温传感器,通过DS18B20直接读取被测温度值,进行数据转换,该器件的物理化学性能稳定,线性度好,在-55℃~+125℃最大线性偏差小于0.01℃。该器件可直接向ARM传输数字信号,采用了单总线的数据传输,便于ARM处理及控制。温度检测调理电路如图6所示。

图6 温度检测调理电路

2.2 通讯接口模块

柴油发电机组输出特性现场检定装置系统包含交流电子负载、电量采集模块、温度采集模块等及部分,因此采用RS-232,因此要使RS-485总线可以与上位机通讯,则需将RS-485转换成RS-232,利用Modbus协议与上位机通讯,RS-485接口采用MAX422与MAX232转换成RS-232接口。通过该串口接收下位机监测到的参数,也可以通过此串口设置交流电子负载的控制参数。

3 软件设计

柴油发电机组输出特性现场检定装置的上位机监控软件是整个系统的核心部分,根据被测柴油发电机组的额定输出,对交流电子负载的输出进行智能控制以及控制策略计算,测试参数的采集以及数据的集中处理,监控界面的实时显示等。针对上位机监控软件所要实现的功能,监控软件由数据采集子系统、通信子系统、数据管理子系统与人机交互子系统和控制策略软件构成。数据库作为中间支承层,支撑通信子系统、人机交互子系统和控制策略等应用软件的运行;由于交流电子负载、电量采集模块、温度采集模块之间的通信协议不同,因此通信子系统完成与各个采集装置的报文收发和解释任务,并将协议统一处理成Modbus标准通信协议;人机交互子系统实现整个系统的人机界面的显示以及系统维护等功能。系统计算软件流程如图7所示。

图7 系统计算软件流程图

4 结果分析

项目样机研制完成后进行了性能指标的检测,试验结果如下。

表1 交流电压测试数据

表2 交流电流测试数据

试验结果表明,交流电压和交流电流的实测值均小于允许误差限,系统满足设计要求,达到了设计的目的,可以用于设备配套油机的现场检测。

5 结束语

本文通过对柴油发电机组输出特性现场检定装置系统的研究,设计了基于STM32的电量采集模块,实现状态参数的检测,完成了硬件设计和软件设计。经实验对比分析可知,本设计能够有效的提高测量精度和响应时间,对于大负载导致发电机电压变化可以快速的响应显示,并且能够现场输出检定结果,实现了柴油发电机组进行在线检定和检测,非常适合目前开展的柴油发电机组现场检定工作,随着柴油发电机组现场检定工作的深入开展与推广,其应用前景非常广阔,不仅提高检定工作效率,而且必将促进设备的发展。