Captronic Systems 公司的啟動發電機 (Starter Generator) 測試系統

Author(s):
Vijay Jayabalan - Captronic Systems

Industry:
Electronics, Electromechanics/ Electrotechnics

Products:
CompactRIO, LabVIEW, FPGA Module

The Challenge:
開發彈性、堅固，且高本益比的自動化測試系統，以測試啟動發電機在多種負載條件下的效能。

The Solution:
使用 NI CompactRIO 平台與 NI LabVIEW，開發彈性、堅固，且高本益比的自動化「啟動發電機 (Starter-generator) 測試系統」。

簡單來說，由於啟動發電機 (Starter-generator) 可迅速發動渦輪引擎，因此可著發燃油，並於發動飛行載具之後取代發電機，供應 DC 電源至電子系統。

啟動有 2 種方式：並聯發動 (Shunt start) 與串聯發動(Series start)。常見的並聯發動是接線盒上具有 2 組大型端點與 2 組小型端點，分別標示為A、B、D，與 E。在發動時，B 與 E 端點將供應電源至電樞線圈 (Armature winding) 與定子線圈 (Stator winding)。在此同時，發電機控制組 (GCU) 將供應電壓至並聯磁場 (Shunt field) 終端 A 與 D。

接線盒上的 3 組大型終端分別標示為 C+、B，與 E-，以供識別串聯啟動的單元。並聯磁場終端 A 與 D 位於較大型終端的兩側。C+ 與 E- 終端將於啟動循環 (Start cycle) 期間，供應電流至電樞線圈與定子電圈，而啟動發電機的作用則等同於 DC 電子馬達。此模式將不會使用並聯線圈。在接下來的啟動作業中，GCU 將利用發電機的剩餘電壓，調整並聯磁場的電流，並維持 28 VDC 的額定 (Nominal) 系統電壓。

啟動發電機將以 2 種不同的模式進行測試，分別稱為發電機模式與啟動模式；於不同的負載條件下測試其效能。此 2 種模式均使用相同的控制介面與資料擷取系統 (DAS)，以控制、監測，並儲存所需的參數。

發電機模式

此模式所需的設備包含 1 組變頻 (Inverter duty) AC 馬達、1 組 AC 驅動器、1 組升壓 (Step up) 齒輪箱、1 組轉矩 (Torque) 感測器，與 1 組栓槽軸 (Spline shaft) 搭配冷卻風扇。AC 馬達與升壓齒輪箱均固定於軟鋼 (Mild steel) 平板上。整組設定以水泥固定於軟鋼架構的的基座上。齒輪箱輸出栓槽軸並偶合至發電機。

在操作發電機模式時，將使用 1 組 AC 馬達連接至 1 組 1:10 的升壓齒輪箱，藉以驅動此發電機。固定於中空軸 (Hollow shaft) 轉矩感測器的發電機，將呈現凸起狀態。轉矩感測器並固定至升壓齒輪箱上。AC 馬達的速度則因閉迴路磁通向量 (Flux vector) 驅動器而有所不同。透過阻性負載 (Resistive load) 進行步進升壓，並以不同的速度測試發電機的負載；開始時的負載步進為 0.3 秒的暫時性負載。

起動機模式

此模式所需的設備包含 1 組粉末動力計 (Powder dynamo meter)、1 組固定板 (Adaptor plate)、1 組固定杆 (Mounting pad)，與 1 組栓槽軸。粉末動力計將固定於軟鋼平板上。啟動器馬達則固定於反應類型的中空軸轉矩感測器。啟動器馬達的電源供應器，將供應最高 4000 A 與 24 V 的 DC 電源。而針對磁場線圈激發 (Field coil excitation)，則有獨立的 30 V、20 A 磁場電源供應。

啟動發電機可透過自動模式與手動模式進行測試。在自動模式中，CompactRIO 資料擷取與控制系統將主導整個測試作業。在手動模式中，使用者可透過控制面板中的輸入功能，依序執行適合的作業，以執行完整測試。控制面板 (Control desk) 可取得所有的作業步驟與指示。如發電機速度、負載，與啟動機轉矩等的測試輸入值，均將透過電腦進行傳輸。控制作業則包含電位計、選擇切換器 (Selector switch)、光照式按鈕開關、緊急停機，與可取得作業指示的重設按鈕。

 

作業的自動模式

發電機模式

發電機測試的自動模式，具有可透過使用者進行程式化的輸入項 (Entry)，適用於如發電機速度、負載 (Load-and-load) 期間，與所產生的電壓。系統將設定測試條件，包含切換驅動、鼓風機馬達 (Blower motor)、潤滑油幫浦等。一旦建立初始條件，則將由磁束向量 (Flux vector) 驅動產生合適的 AO 電壓，以設定發電機的速度。系統將透過磁場激發與數位 PI 控制器，以穩定發電機電壓。

FPGA 中亦將建置對應的整合式控制器。由負載 Vs 產生電壓的非線性動作，將促使作業點周圍的系統進行分段線性化 (Piece-wise linearization)。系統將於合適的負載點使用增益排程 (Gain scheduling)，以用於發電機的電壓控制。只要發電機達到額定的電壓，亦將透過輔助接點 (Auxiliary contactor) 接受負載。發電機將透過 6 個動態負載，在 60 秒內進行動態負載作業；每個動態負載於每個 300ms 的起始步進時間，均包含過載 (Overload) 應用。NI CompactRIO Real-Time 控制器將可提供精確的負載期間。

我們決定分享使用 LabVIEW 與 CompactRIO 的方法，在解決我們的問題時，不僅可縮短時間並可節省成本。發電機模式測試，使用 1 組 250kW 的再生向量驅動 (Regenerative vector drive) 以驅動 AC 馬達，可產生 EMC 雜訊達數公尺遠。即便抗雜訊式與接地訊號連接線，亦無法避免與訊號連接線偶合的雜訊。整組驅動若進行防磁波干擾 (Electromagnetic Shielding) 處理作業，勢必非常昂貴；而且亦將耗費購買與建置的時間。

歸功於 LabVIEW，讓我們使用軟體中的「中值濾波器 (Median filter)」解決了 EMC 雜訊問題。中值濾波器的最大優點，即是不需變更系統的端點對端點 (End-to-end) 轉換功能；此特性對動態測試作業特為重要。

起動機模式

起動機模式為測試的自動模式，可執行 5 種啟動作業。起動機將進行一系列的馬達啟動作業。系統將透過一系列通訊方式，針對功率類型 (Power type) 動力計設定所需的轉矩，並可透過 CompactRIO AO 模組，為遠端電源供應器設定合適的電壓。系統將建立實際測試前的必要初始條件，如供應水至動力計，或供應冷卻空氣至起動器。

若使用者欲終止測試，可於任何時間點按下緊急停止按鈕。使用者亦可按下重設 (Reset) 按鈕，讓系統回到初始狀態。整個系統將掌控 3 組數位 PID 控制器：1 組控制發電機電壓、1 組控制發電機裝置中的馬達速度，而最後 1 組則控制起動機裝置的轉矩。控制器可微調至略低於臨界阻尼響應 (Critical damped response)。

作業的手動模式

在發電機模式的手動模式中，操作者將透過選擇開關 (Selector switch) 執行所有作業，並透過電位計選擇所需的開關。使用者亦可透過手動模式，持續載入發電機。軟體將讀取所有的類比與數位輸入通道，並根據使用者輸入 (按鈕與選擇切換器的行動) 與聯鎖 (Interlock)，更新數位與類比輸出通道。該順序與作業式聯鎖 (Operational interlock) 相同，均建置於軟體中。此項建置功能將可簡化外部的繼電器邏輯。起動機模式的手動模式，則相同於發電機模式的手動模式。

透過 CompactRIO 與 LabVIEW，我們開發堅固且具彈性的自動化「起動發電機測試系統」。與 PLC 架構的系統相較，LabVIEW 架構的系統更具有類比訊號處理與圖形化使用者介面的優點。

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