CN114035032A - 飞机交流接触器全寿命实验平台及特征参数提取方法 - Google Patents

飞机交流接触器全寿命实验平台及特征参数提取方法 Download PDF

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CN114035032A CN202111080627.9A CN202111080627A CN114035032A CN 114035032 A CN114035032 A CN 114035032A CN 202111080627 A CN202111080627 A CN 202111080627A CN 114035032 A CN114035032 A CN 114035032A
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郑永龙
周勇军
张子明
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Abstract

本发明涉及飞机航电系统器件可靠性分析技术领域,具体为飞机交流接触器全寿命实验平台及特征参数提取方法,该实验平台包括:电源电路模块;线圈电压电流采样电路,与电源电路模块、交流接触器连接;触点电压电流采样电路,与电源电路模块、交流接触器连接;NI数据采集卡,分别与线圈电压电流采样电路、触点电压电流采样电路连接;PC机,与NI数据采集卡连接;线圈驱动电路,与交流接触器连接且通过串行通信模块与PC机连接。本发明促进了整个电力电子电路系统可靠性的提高,提高了飞机安全性能;实现了对退化或故障部位的准确定位并及时维护或更换,保证了设备能够在预测的寿命范围内完成预期功能,切实保障了系统的可靠性与安全性。

Description

飞机交流接触器全寿命实验平台及特征参数提取方法
技术领域
本发明涉及飞机航电系统器件可靠性分析技术领域,具体为飞机交流接触器全寿命实验平台及特征参数提取方法。
背景技术
交流接触器是一种用来控制接通和分断大容量负载和控制回路的低压电器,在电力负载和工业自动化控制方面具有极为普遍的应用。近年来,电控系统对交流接触器电寿命和可靠性指标的要求逐渐增加。交流接触器具有控制容量大、可远程操控等优势。交流接触器的性能优劣是电力设备系统安全稳定运行的重要保证,由于交流接触器长期连续工作在频繁分断的工作状态下,一旦发生故障将造成巨大损失。正确预测交流接触器工作状态及其可靠程度,实现主动的状态监测与退化状态识别,对用电系统的安全运行有重要意义。接触器寿命试验是测试交流接触器性能优劣以及对于接触器寿命的预测最直接有效的方法。
在飞机电气控制系统中,接触器、继电器类等功率器件作为重要基础元件,要求在预定的时限内有百分百的工作可靠性,因此接触器、继电器的运行状态对飞机的运行安全至关重要,随着飞机服役期限的延长,这些功率器件的使用可靠性必然会下降。一旦发生故障,则会影响飞机正常执行任务,甚至会造成重大机械故障。如果能对接触器、继电器类等功率器件的寿命状态进行提前预测,在器件出现故障之前及时进行故障排查,从而有针对性的进行维修和替换,将大大提高飞机电源的可靠性、可用性和维修性。
综上所述,能否从原始数据中提取全面且有效的特征信息将直接影响到性能退化评估和预测结果的准确性。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提出了飞机交流接触器全寿命实验平台及特征参数提取方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
飞机交流接触器全寿命实验平台,包括:
电源电路模块,用于为部分电路供电;
线圈电压电流采样电路,与电源电路模块、交流接触器连接,通过电流传感器测量交流接触器中的线圈电流;
触点电压电流采样电路,与电源电路模块、交流接触器连接,通过电流传感器测量交流接触器中的触点电流;
NI数据采集卡,分别与线圈电压电流采样电路、触点电压电流采样电路连接,用于将电流传感器所测量的电流信号进行转换及信号调理;
PC机,与NI数据采集卡连接,用于对NI数据采集卡所传递的信号进行数据处理;
线圈驱动电路,与交流接触器连接且通过串行通信模块与PC机连接,用于控制继电器的通断以及控制交流接触器的线圈状态。
优选的,所述线圈驱动电路包括继电器和单片机。
应用飞机交流接触器全寿命实验平台的特征参数提取方法,具体步骤如下:
步骤(一)系统供电,NI数据采集卡对线圈电压、电流以及主回路电压、电流进行采样;
步骤(二)用三极管的通断来控制继电器的线圈,单片机发出的高电平信号可以使三极管导通,进而继电器线圈得电,触点闭合;反之继电器线圈失电;
步骤(三)通过PC机中的Labview进行逻辑控制、数据采集与保存;
步骤(四)计算开断性能退化参数燃弧时间与燃弧能量参数;
步骤(五)计算开断性能退化参数释放时间;
步骤(六)计算开断性能退化参数弹跳时间;
步骤(七)计算开断性能退化参数吸合时间;
步骤(八)完成飞机电源系统交流接触器特征参数提取,供后续系统建模使用。
进一步地,所述步骤(一)中采样对象包括回路电压测试点Ua、Ub、Uc,回路电流测试点Ia、Ib、Ic,以及线圈电流I和电压U。
进一步地,所述步骤(四)的具体过程如下:
(1)读取释放过程主触头电压电流数据;
(2)确定电压阀值UN、电路阀值I;
(3)判断连续15个电压是否大于电压阀值UN,若大于则确定燃弧时间点ta,若不大于则查找下一个电压值并重新判断;
(4)判断连续15个电压是否小于电压阀值UN,若小于则确定息弧时间点tb,若不小于则查找下一个电压值并重新判断;
(5)利用公式:tarc=tb-ta,计算燃弧时间tarc
(6)利用公式:
Figure BDA0003263859290000031
计算燃弧能量E。
进一步地,所述步骤(五)的具体过程如下:
(A)读取释放过程线圈及主触头电压数据;
(B)确定线圈上电阀值UN,从数组第120000个数据开始顺向查找;
(C)判断连接15个值是否超过阀值UN,若超过则确定线圈开始掉电起始点tc,若不超过则查找下一个电压值并重新判断;
(D)确定触头电压释放阀值UHZ,从第tc个数据开始查找;
(E)判断连接15个电压是否小于阀值UHZ,若小于则确定结束点ta,若不小于则查找下一个电压值并重新判断;
(F)利用公式:ts=ta-tc,计算释放时间ts
进一步地,所述步骤(六)的具体过程如下:
(a)读取吸合过程主触头电压数据,确定动静触头第一次吸合阀值UHZ;
(b)判断连接15个电压是否属于UHZ,若属于则确定动静触头第一次吸合时刻te,若不属于则查找下一个电压值并重新判断;
(c)确定弹跳结束时主触头电压阀值UHZT,从数组中第t1+10000个点开始查找;
(d)判断连接15个电压是否低于UHZT,若低于则确定触头弹跳结束时刻tf,若不低于则查找下一个电压值并重新判断;
(e)利用公式:tt=tf-te,计算弹跳时间tt
进一步地,所述步骤(七)的具体过程如下:
(s1)读取吸合过程线圈及主触头电压数据;
(s2)确定线圈上电阀值UN,从数组第1个数据开始顺向查找;
(s3)判断连接15个值是否超过阀值UN,若超过则确定起始点td,若不超过则查找下一个电压值并重新判断;
(s4)确定触头电压吸合阀值UHZ,从第28000个数据开始查找;
(s5)判断连接15个电压是否小于阀值UHZ,若小于则确定结束点te,若不小于则查找下一个电压值并重新判断;
(s6)利用公式:tx=te-td,计算吸合时间tx
本发明的有益效果是:
本发明通过对采集到的数据进行数据滤波,建立故障特征参数和寿命之间的数学模型,实现了对电路中各个功率器件的故障诊断、故障预测,进而促进了整个电力电子电路系统可靠性的提高,提高了飞机安全性能;
本发明通过基于特征参数寿命预测分析技术,由接触器数学模型出发,为接触器建立故障模型,评估所建器件短时故障率模型对电气产品可靠性指标的影响。实时监控机载电子设备的工作状态和可靠性状况,进行故障预测,实现了对退化或故障部位的准确定位并及时维护或更换,保证了设备能够在预测的寿命范围内完成预期功能,切实保障了系统的可靠性与安全性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:
图1为本发明的结构框图;
图2为本发明中燃弧时间与燃弧能量参数计算流程图;
图3为本发明中释放时间参数算法流程图;
图4为本发明中弹跳时间参数算法流程图;
图5为本发明中吸合时间参数算法流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。
目前对交流接触器进行特征分析的方法主要有:主成分分析、经验模态分解和小波分析,并取得较好效果。建立评判模型首先要从影响交流接触器运行状态的众多因素中选择出具有代表性的参数作为评判因素。选择特征参数的主要要求有:第一点:具有明确的物理意义,与交流接触器的运行状态紧密相关,是可以反映交流接触器工作状态的重要参量;第二点:易于测量与采集,且相对稳定,随着交流接触器工作或试验时间的延长,有一定的趋势性变化,方便监测和后续分析。
随着交流接触器不断地接通与断开电路,触头逐渐磨损,交流接触器的整体电气性能逐渐下降。在交流接触器工作过程中,电弧电流对触头的侵蚀最为重要,主要体现在接触器的吸合过程和分断过程中。从吸合过程中可以提取吸合时间、弹跳时间等特征参数,从分断过程中可以提取燃弧时间、燃弧能量、释放时间等特征参数。触点接触不良是接触器另一重要失效模式,进而根据电接触理论接触电阻的组成,分析接触器。
交流接触器的特征参数的采集主要依托搭建的实验平台,实验平台需要对交流接触器运行时的各个信号进行采集,要求采样率尽可能高,并能自动控制接触器通断及保存数据。根据国标IEC60947-4规定,交流接触器按照不同的负载类型可以分为四个工作制。在实际的工程环境中,在实际工程应用中,交流接触器主要运行在AC-4的使用类别下。下表给出了交流接触器在两个带负载工作制下的试验要求。从表中可知在这种使用类别下是以6倍额定电流接通电路,并仍以6倍额定电流分断电路。因此在这种工作条件下对电触头造成很大磨损,接触器性能状态退化的更快,能较为明显反映交流接触器运行状态指标参数变化,在本次全寿命试验拟选用AC-4的试验条件。下表如下:
Figure BDA0003263859290000051
注:
Figure BDA0003263859290000052
的误差为±0.05;L/R的误差为±15%。
具体的,如图1所示,飞机交流接触器全寿命实验平台,包括电源电路模块、线圈电压电流采样电路、触点电压电流采样电路、NI数据采集卡、PC机、线圈驱动电路。
具体的,所述电源电路模块分别与线圈电压电流采样电路、触点电压电流采样电路连接,以为其进行供电。
所述线圈电压电流采样电路、触点电压电流采样电路在使用时,分别与交流接触器连接,以通过电流传感器对交流接触器进行采样,具体的采样对象包括交流接触器的路电压测试点Ua、Ub、Uc,回路电流测试点Ia、Ib、Ic,以及线圈电流I和电压U。
所述线圈电压电流采样电路、触点电压电流采样电路中用于测量、采样的电流传感器具体为LF310-S,额定测量电流为300A,最大测量电流为500A,供电电压为±12V。
所述NI数据采集卡分别与线圈电压电流采样电路、触点电压电流采样电路连接,将电流传感器生成的电流信号,经采样电阻转换后,再进行信号调理。
所述PC机与NI数据采集卡连接,用于对NI数据采集卡所传递的信号进行数据处理。
所述线圈驱动电路与交流接触器以及通过串行通信模块与PC机连接,所述线圈驱动电路由继电器和单片机构成,其中继电器与交流接触器中的线圈连接,以控制线圈电流的通断;单片机与继电器连接,以控制继电器的通断,继而控制交流接触器的线圈状态。
所述继电器控制电路的过程是首先用三极管的通断来控制继电器的线圈,单片机发出的高电平信号可以使三极管导通,进而继电器线圈得电,触点闭合;反之继电器线圈失电。
所述串行通信模块采用RS485串行/CAN总线通讯线路,用于传输单片机信号以控制三极管导通与关闭。
如图2至图5所示,应用飞机交流接触器全寿命实验平台的特征参数提取方法,具体步骤如下:
步骤(一)系统供电,NI数据采集卡对线圈电压、电流以及主回路电压、电流进行采样。
步骤(二)用三极管的通断来控制继电器的线圈,单片机发出的高电平信号可以使三极管导通,进而继电器线圈得电,触点闭合;反之继电器线圈失电;
步骤(三)通过PC机中的Labview进行逻辑控制、数据采集与保存。
步骤(四)计算开断性能退化参数燃弧时间与燃弧能量参数。
具体的,燃弧时间为:从电弧产生的瞬间起到电弧最终熄灭的瞬间止的时间间隔。对于接触器的某一相触头,把电弧产生瞬间的时刻为ta,电弧最终熄灭的瞬间时刻记为tb,那么此相燃弧时间tarc可表示为:
tarc=tb-ta
其次,燃弧能量:一次电弧产生的燃弧能量E可表示为:
Figure BDA0003263859290000071
式中,ta、tb为电弧的起弧时刻和熄弧时刻,u(t)、i(t)为触头的电压值和电流值。
实际中,采集到的电压电流信号都是离散的,所以燃弧能量的离散化处理表示为:
Figure BDA0003263859290000072
式中,Δt为采样点时间间隔,fs为采样率。
如图2所示,为燃弧时间与燃弧能量特征参数的具体计算过程如下:
(1)读取释放过程主触头电压电流数据。
(2)确定电压阀值UN、电路阀值I。
(3)判断连续15个电压是否大于电压阀值UN,若大于则确定燃弧时间点ta,若不大于则查找下一个电压值并重新判断。
(4)判断连续15个电压是否小于电压阀值UN,若小于则确定息弧时间点tb,若不小于则查找下一个电压值并重新判断。
(5)利用公式:tarc=tb-ta,计算燃弧时间tarc
(6)利用公式:
Figure BDA0003263859290000073
计算燃弧能量E。
步骤(五)计算开断性能退化参数释放时间。
具体的,释放时间:从线圈掉电到动静触点分开的时间间隔。计算公式如下:
ts=ta-tc
式中,ts代表接触器释放时间,tc代表线圈掉电的时刻。
如图3所示,释放时间特征参数的具体计算过程如下:
(A)读取释放过程线圈及主触头电压数据;
(B)确定线圈上电阀值UN,从数组第120000个数据开始顺向查找;
(C)判断连接15个值是否超过阀值UN,若超过则确定线圈开始掉电起始点tc,若不超过则查找下一个电压值并重新判断;
(D)确定触头电压释放阀值UHZ,从第tc个数据开始查找;
(E)判断连接15个电压是否小于阀值UHZ,若小于则确定结束点ta,若不小于则查找下一个电压值并重新判断;
(F)利用公式:ts=ta-tc,计算释放时间ts
步骤(六)计算开断性能退化参数弹跳时间。
具体的,弹跳时间:触头闭合时发生弹跳,从动静触头第一次接触到触头稳定吸合所用的时间。把动静触头第一次接触的时刻记为te,两触头稳定吸合的时刻记为tf,那么弹跳时间记作tt可表示为:
tt=tf-te
如图4所示,弹跳时间特征参数的具体计算过程如下:
(a)读取吸合过程主触头电压数据,确定动静触头第一次吸合阀值UHZ;
(b)判断连接15个电压是否属于UHZ,若属于则确定动静触头第一次吸合时刻te,若不属于则查找下一个电压值并重新判断;
(c)确定弹跳结束时主触头电压阀值UHZT,从数组中第t1+10000个点开始查找;
(d)判断连接15个电压是否低于UHZT,若低于则确定触头弹跳结束时刻tf,若不低于则查找下一个电压值并重新判断;
(e)利用公式:tt=tf-te,计算弹跳时间tt
步骤(七)计算开断性能退化参数吸合时间。
具体的,吸合时间:吸合时间是指从给线圈通断到动静触头首次接触的时间。把线圈通电时刻记为td,动静触头第一次接触的时刻为te,则吸合时间记作tx可表示为:
tx=te-td
如图5所示,吸合时间特征参数的具体计算过程如下:
(s1)读取吸合过程线圈及主触头电压数据;
(s2)确定线圈上电阀值UN,从数组第1个数据开始顺向查找;
(s3)判断连接15个值是否超过阀值UN,若超过则确定起始点td,若不超过则查找下一个电压值并重新判断;
(s4)确定触头电压吸合阀值UHZ,从第28000个数据开始查找;
(s5)判断连接15个电压是否小于阀值UHZ,若小于则确定结束点te,若不小于则查找下一个电压值并重新判断;
(s6)利用公式:tx=te-td,计算吸合时间tx
步骤(八)完成飞机电源系统交流接触器特征参数提取,供后续系统建模使用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.飞机交流接触器全寿命实验平台,其特征在于:包括:
电源电路模块,用于为部分电路供电;
线圈电压电流采样电路,与电源电路模块、交流接触器连接,通过电流传感器测量交流接触器中的线圈电流;
触点电压电流采样电路,与电源电路模块、交流接触器连接,通过电流传感器测量交流接触器中的触点电流;
NI数据采集卡,分别与线圈电压电流采样电路、触点电压电流采样电路连接,用于将电流传感器所测量的电流信号进行转换及信号调理;
PC机,与NI数据采集卡连接,用于对NI数据采集卡所传递的信号进行数据处理;
线圈驱动电路,与交流接触器连接且通过串行通信模块与PC机连接,用于控制继电器的通断以及控制交流接触器的线圈状态。
2.根据权利要求1所述的飞机交流接触器全寿命实验平台,其特征在于:所述线圈驱动电路包括继电器和单片机。
3.应用权利要求1至2中任一项所述的飞机交流接触器全寿命实验平台的特征参数提取方法,其特征在于:具体步骤如下:
步骤(一)系统供电,NI数据采集卡对线圈电压、电流以及主回路电压、电流进行采样;
步骤(二)用三极管的通断来控制继电器的线圈,单片机发出的高电平信号可以使三极管导通,进而继电器线圈得电,触点闭合;反之继电器线圈失电;
步骤(三)通过PC机中的Labview进行逻辑控制、数据采集与保存;
步骤(四)计算开断性能退化参数燃弧时间与燃弧能量参数;
步骤(五)计算开断性能退化参数释放时间;
步骤(六)计算开断性能退化参数弹跳时间;
步骤(七)计算开断性能退化参数吸合时间;
步骤(八)完成飞机电源系统交流接触器特征参数提取,供后续系统建模使用。
4.根据权利要求3所述的飞机交流接触器全寿命实验平台的特征参数提取方法,其特征在于:所述步骤(一)中采样对象包括回路电压测试点Ua、Ub、Uc,回路电流测试点Ia、Ib、Ic,以及线圈电流I和电压U。
5.根据权利要求3所述的飞机交流接触器全寿命实验平台的特征参数提取方法,其特征在于:所述步骤(四)的具体过程如下:
(1)读取释放过程主触头电压电流数据;
(2)确定电压阀值UN、电路阀值I;
(3)判断连续15个电压是否大于电压阀值UN,若大于则确定燃弧时间点ta,若不大于则查找下一个电压值并重新判断;
(4)判断连续15个电压是否小于电压阀值UN,若小于则确定息弧时间点tb,若不小于则查找下一个电压值并重新判断;
(5)利用公式:tarc=tb-ta,计算燃弧时间tarc
(6)利用公式:
Figure FDA0003263859280000021
计算燃弧能量E。
6.根据权利要求3所述的飞机交流接触器全寿命实验平台的特征参数提取方法,其特征在于:所述步骤(五)的具体过程如下:
(A)读取释放过程线圈及主触头电压数据;
(B)确定线圈上电阀值UN,从数组第120000个数据开始顺向查找;
(C)判断连接15个值是否超过阀值UN,若超过则确定线圈开始掉电起始点tc,若不超过则查找下一个电压值并重新判断;
(D)确定触头电压释放阀值UHZ,从第tc个数据开始查找;
(E)判断连接15个电压是否小于阀值UHZ,若小于则确定结束点ta,若不小于则查找下一个电压值并重新判断;
(F)利用公式:ts=ta-tc,计算释放时间ts
7.根据权利要求3所述的飞机交流接触器全寿命实验平台的特征参数提取方法,其特征在于:所述步骤(六)的具体过程如下:
(a)读取吸合过程主触头电压数据,确定动静触头第一次吸合阀值UHZ;
(b)判断连接15个电压是否属于UHZ,若属于则确定动静触头第一次吸合时刻te,若不属于则查找下一个电压值并重新判断;
(c)确定弹跳结束时主触头电压阀值UHZT,从数组中第t1+10000个点开始查找;
(d)判断连接15个电压是否低于UHZT,若低于则确定触头弹跳结束时刻tf,若不低于则查找下一个电压值并重新判断;
(e)利用公式:tt=tf-te,计算弹跳时间tt
8.根据权利要求3所述的飞机交流接触器全寿命实验平台的特征参数提取方法,其特征在于:所述步骤(七)的具体过程如下:
(s1)读取吸合过程线圈及主触头电压数据;
(s2)确定线圈上电阀值UN,从数组第1个数据开始顺向查找;
(s3)判断连接15个值是否超过阀值UN,若超过则确定起始点td,若不超过则查找下一个电压值并重新判断;
(s4)确定触头电压吸合阀值UHZ,从第28000个数据开始查找;
(s5)判断连接15个电压是否小于阀值UHZ,若小于则确定结束点te,若不小于则查找下一个电压值并重新判断;
(s6)利用公式:tx=te-td,计算吸合时间tx
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CN115526540B (zh) * 2022-10-28 2024-02-23 苏州西门子电器有限公司 电寿命的评估方法、装置、计算机可读介质及电子设备

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