第5篇应用篇项目四电气设备性能测试

公司徽标项目四电气设备性能测试目录任务4-1RC电路过渡过程的测试和计算任务4-2数字信号的频率测量和滤波处理任务4-3电力设备谐波的测试和计算项目介绍本篇通过RC电路过渡过程的测试和计算、数字信号的频率测量和滤波处理、电气设备谐波的测试和计算三个子任务的训练，要求学生能基于LabVIEW平台对典型应用电路和电气设备进行一般性能测试和分析。1、教学目标会使用LabVIEW图形显示控件显示数据分析结果；会使用常用的信号分析与处理函数进行一般信号测试和处理；能在ELVIS平台实现函数发生器、滤波器、谐波分析仪等常用测试仪器；能基于LabVIEW实现电路暂态分析、滤波、谐波分析等常用仪器功能；能根据测试要求进行测试系统的设计、编程、调试和软硬件集成。能力目标1、教学目标掌握LabVIEW波形图控件；了解和掌握LabVIEWAPI；掌握RC电路过渡过程和LabVIEW数据采集函数；掌握滤波器的功能和分类和LabVIEW滤波函数掌握谐波分析原理和LabVIEW的频域分析和窗函数。知识目标1、教学目标培养团队协作、交流沟通能力；养成良好的实训室5S操作素养；培养自学能力、文献检索能力及独立工作能力；培养创新精神和工程规范意识。素质目标公司徽标任务4-1RC电路过渡过程的测试和计算1、任务目标任务描述认知：使用ELVIS函数发生器和万用表测试RC电路学习：使用LabVIEWAPI例程观察RC电路暂态电压变化设计：使用NI-DAQmx编程实现电容充放电波形显示和计算1、任务目标预习要点RC一阶电路的过渡过程LabVIEW波形图图形显示ELVIS函数发生器和万用表LabVIEWAPI2、任务背景1、RC过渡过程分析电路的过渡过程是指从一种稳定状态转到另一种稳定状态所需的过程时间，RC一阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减增长，其变化快慢决定于时间常数τ。零状态响应零输入响应RC一阶电路过渡过程/tceRUdtduCi)1()(/tCeUtu电路的零状态响应，/tUieR/()tCutUe电路的零输入响应，2、任务背景1、RC过渡过程分析过渡过程虽时间短，但在实际工作中，某些电路接通或断开产生过电压、过电流不充分考虑过渡过程因素会使电气设备受损失。另外可以利用过渡过程原理制造一些电气元件。例如：时间继电器等。２、研究过渡过程的意义：RC一阶电路过渡过程其中时间常数τ=RC，它直接影响Uc变化快慢程度，RC越大，Uc变化越慢,τ量纲为S。)1()(/tCeUtuUUeUtuC%2.63)368.01()1()(1分析：,当t=τ时：。由此可见：τ的意义就是Uc由初始值变到稳态值63.2%所需时间。一般认为t=3τ-5τ（99.3%Ｕ）时，即到达稳态了。2、任务背景波形图1、波形图控件波形图控件可显示项2、任务背景波形图2、波形图接收数据类型单曲线数据类型第一种接收数据类型：单值数组。每个数据被视为图形中的点，从x＝0开始以1为增量递增x索引。第二种接收数据类型：包含x初始值、Δx间隔、Y值数组的簇。如下图所示：在该例子中，使用For循环生成y数组，然后定义初始值x0=10和Δx=2。2、任务背景波形图2、波形图接收数据类型多曲线数据类型第一种接收数据类型：二维数组。数组中的一行即一条曲线。第二种接收数据类型：初始x值、△x和y二维数组的簇。第三种接收数据类型：两个簇构成的数组，每个簇都由x初始值、△x间隔和一组波形数据的簇。双曲线数据类型的三种形式2、任务背景波形图2、波形图接收数据类型波形和动态数据类型波形和动态数据类型波形图还也接收波形数据类型和动态数据类型，波形数据类型包含了波形的数据、起始时间和时间间隔(△t)；动态数据类型，用于ExpressVI。3、任务实施用ELVIS函数发生器和万用表测试RC电路利用ELVIS函数发生器和万用表等ELVIS相关SFP设备对RC电路进行测试。完成以下步骤来观察RC瞬态电路的电压变化：构造RC串联电路。将万用表DMM（电压）输入端连接电容C两端，并选择DMM[V]。接通5V电源之后，观察DMM显示器显示的电压变化情况：再次打开以及关闭电源，观察电压的上升与下降。RC串联电路ELVIS原型板接线图RC串联电路电路接线图3、任务实施LabVIEWAPI例程观察RC电路暂态电压变化调用使用LabVIEWAPI的例程观察这种瞬态效应。完成以下步骤实现RC瞬态电路电压可视化：移去＋5V电源接头，更换电线连接到可变电源插槽针脚VPS[+]。将输出电压V1连接到ACH0[＋]和ACH0[－]。关闭NIELVIS软件套件，启动LabVIEW。在Hands-OnNIELVISVILibrary文件夹中，选择RCTransient.vi。RC串联电路ELVIS原型板接线图RC串联电路电路接线图3、任务实施LabVIEWAPI例程观察RC电路暂态电压变化RCTransient.vi运行前面板RCTransient.vi程序框图程序中依次发生的事件如下：①左边的VPSInitializeVI打开NIELVIS，并选定＋电源。②UpdateVI将VPS＋输出电压设定为5V。③第一个顺序执行框连续测量50次电容器两端的电压。④在For循环中，DAQ数据采集助手VI以每秒1,000次的采样速率读取100个采样点，并将结果存入数组中。⑤数组被传入MeanVI，返回这100个读数的平均值。⑥使用局部变量（RC充电与放电）将平均值传入图表。⑦第二个顺序执行框将VPS＋电压设置为0V。⑧最后一个顺序执行框测量放电过程中的另50个平均值采样点。3、任务实施使用NI-DAQmx编程实现电容充放电波形显示和计算使用数据采集卡PCI-6251的模拟量输出通道为电路提供方波激励电源；使用模拟量输入通道测试电容两端电压；利用之前学过的知识，自行编程，实现电源控制、电容电压值测试、波形图显示、充放电时间计算等软硬件功能。参考下图所示程序前面板，完成电容充放电波形显示和时间常数计算。电容充放电波形显示和计算程序4、任务评价实验中出现的各种问题及学生的表现进行总结5、任务总结通过对RC一阶电路过渡过程、LabVIEW波形图、ELVIS函数发生器和万用表的学习，实现了用ELVIS函数发生器和万用表测量RC电路，用LabVIEWAPI例程观察RC电路暂态电压变化和使用NI-DAQmx编程实现电容充放电波形显示和计算。公司徽标任务4-2数字信号的频率测量和滤波处理1、任务目标任务描述认知：使用ELVIS了解高通、低通、带通滤波器性能学习：滤波器的分类功能和电路特性设计：使用LabVIEW实现常用滤波器功能1、任务目标预习要点滤波器的功能和分类741运算放大器LabVIEW信号分析函数功能LabVIEW滤波函数ELVIS波特图分析器和阻抗分析器2、任务背景定义滤波器功能与分类滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。能实施滤波功能的装置称为滤波器。分类按所采用的元器件来分：按照功能来分：按照信号处理的性质来分：无源滤波器有源滤波器模拟滤波器数字滤波器低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器从实现数字滤波器的网络结构或者从单位脉冲响应分类：无限脉冲响应（IIR）滤波器有限脉冲响应（IIR）滤波器2、任务背景LabVIEW的信号分析功能LabVIEW中信号处理函数模板子选板功能说明表2、任务背景LabVIEW的滤波器函数功能LabVIEW中提供了普通VI和Express快捷VI两类滤波器函数。路径分别为信号处理»滤波器；Express»信号分析»滤波器信号处理滤波器VIExpress滤波器VI贝塞尔滤波器(VI)LabVIEW信号处理VI中提供了十数种滤波器函数。举贝塞尔滤波器为例，通过“滤波器类型”、“输入信号X”、“采样频率”、“高低截至频率”、“阶数”等参数的设置，很方便就可以实现一种滤波器功能。2、任务背景LabVIEW的滤波器函数功能LabVIEW滤波器ExpressVI，通过对话框更加方便的进行滤波器类型的选择和各项参数的设置。Express滤波器VI配置对话框3、任务实施滤波器ELVIS实验1、在ELVIS面包板上，构造一个以741运算放大器为基本电路构建的高通滤波器电路。其中所使用的元器件为：10kΩ电阻R1（棕色、黑色、橙色）100kΩ电阻Rf（棕色、黑色、黄色）1μF电容C1741运算放大器2、在NIELVIS仪器启动界面中，打开波特图分析器。高通滤波器电路接线图高通滤波器ELVIS原型板接线图高通滤波器3、任务实施滤波器ELVIS实验3、按如下接线要求连接波特图分析器针脚：V1→ACH1＋（来自FUNCOUT）地→ACH1－Vout→ACH0＋（来自运算放大器输出）地→ACH0－4、设置如下波特图分析器扫描参数开始：5（Hz）结束：50000（Hz）步长：10（每10倍频程）5、点击运行按钮，观察高通滤波器电路的波特图。从图可知，高通滤波器低频响应出现衰减，而高频响应与运算放大器的基本相似高通滤波器电路的波特图高通滤波器3、任务实施滤波器ELVIS实验低通滤波器（1）在ELVIS面包板上，在高通滤波器实验的基础上修改一下电路：①短接输入电容C1（不用移该除输入电容，因为在实验3中还要使用）。②增加一个与100kΩ反馈电阻Rf并联的0.01μF反馈电容Cf。低通滤波器电路接线图（2）打开波特图分析器，按实验1连接针脚；3、任务实施滤波器ELVIS实验低通滤波器（3）用同样的扫描参数生成第二个波特图。低通滤波器电路的波特图低通滤波器电路的波特图从图可知，低通滤波器高频响应出现衰减，而低频响应与运算放大器的基本相似。（4）使用游标功能找出高频截止频率点，即幅值下降-3dB或相位变化45度时对应的频率。（5）将实际测量结果与以下理论预测值进行比较：。ffCRfu/12。3、任务实施低通滤波器带通滤波器1、如果在运算放大器电路中同时加入输入电容和反馈电容，响应曲线将同时具有低截止频率fL和高截止频率fU。频率范围（fU－fL）被称为带宽。例如一台优质的立体声放大器至少应具有20,000Hz的带宽。在ELVIS面包板上，在实验2的基础上去掉C1上的短路线，其他保持不变；2、打开波特图分析器，用同样的扫描参数生成第三个波特图。3、在最大幅值区域下方3dB处作一条直线，这条直线上方所包含的整个频率范围就是带宽。3、任务实施低通滤波器深入探索以上运算放大器及其搭建的滤波器电路的阻抗值分别为：3、任务实施低通滤波器深入探索在任何频率下，都可以使用阻抗分析器测量阻抗Zf和Z1。LabVIEW程序可以计算两个复数之比，比值|Zf/Z1|的幅值即为增益。还可以使用阻抗分析器找出R1等于XC1并且Rf等于XCf时的频率，从而验证波特图上读取到的下限截止频率点和上限截止频率点与这些频率值相等。ELVIS阻抗分析仪SFP3、任务实施滤波器的LabVIEW编程实现在上面的介绍中，我们知道在LabVIEW实现各类数字滤波器的功能，无须繁琐的编程，十分方便快捷。图5-24所示为一贝塞尔低通滤波器程序的前面板，输入信号为带有均匀噪声的三个不同频率（10Hz、50Hz、100Hz）的正弦波的叠加，经过贝塞尔低通滤波器滤波处理后，只有10Hz频率的信号清晰的显示在波形显示器上。贝塞尔低通滤波器程序的前面板4、任务评价实验中出现的各种问题及学生的表现进行总结5、任务总结通过学习滤波器的分类功能和电路特性，最终实现滤波器ELVIS的试验（高通、低通、带通滤波器）和滤波器的LabVIEW编程实现。公司徽标任务4-3电力设备谐波的测试和计算1、任务目标任务描述认知：频谱分析ELVIS实验实验（1）任意波形发生和编辑实验实验（2）动态分析仪频谱分析实验学习：谐波概念和LabVIEW的频域分析和窗函数设计：基于LabVIEW的谐波测试仪的设计和实现1、任务目标预习要点电力谐波的产生和危害谐波测试原理和基本参数窗函数的概念LabVIEW频域分