液壓式柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)應(yīng)用

王永佳 石 光 鄭玉成

（1.沈陽東北電力調(diào)節(jié)技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

0 引言

戶外施工現(xiàn)場焊接主要通過綜合焊接車上的柴油發(fā)電機(jī)組提供電源，但現(xiàn)有的國產(chǎn)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速受負(fù)載變化的影響較大，而且轉(zhuǎn)速的調(diào)整時間過長，導(dǎo)致焊接時經(jīng)常出現(xiàn)缺陷，影響工作效率。為了解決這些問題，筆者在參照國外同類型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上開發(fā)了液壓式柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，經(jīng)過一段時間的努力該控制系統(tǒng)研究已告一段落，實驗室和現(xiàn)場試驗結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，為該項技術(shù)的應(yīng)用與推廣提供了技術(shù)支撐。

1 控制方案

1.1 控制方案

根據(jù)現(xiàn)場提供的ARCOTRAC6液壓系統(tǒng)圖和相關(guān)敘述材料，發(fā)電機(jī)與液壓馬達(dá)驅(qū)動相連，這樣柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)就可簡化為液壓泵控制液壓馬達(dá)的閉式液壓控制系統(tǒng)。

閉式系統(tǒng)多應(yīng)用于工程機(jī)械中，目前國內(nèi)大多的工程車輛所使用的閉式液壓系統(tǒng)全部是進(jìn)口的，國內(nèi)的幾大工程機(jī)械生產(chǎn)商也都相繼與國外相關(guān)公司合資，產(chǎn)品的主要液壓元件還是使用進(jìn)口元件?？紤]到該控制系統(tǒng)的可靠性及戶外作業(yè)環(huán)境的惡劣性，提出如下控制方案。

液壓泵選用比例變量泵，該液壓泵由比例壓力閥控液壓泵，響應(yīng)高，反應(yīng)快并且泵體集成各種閉式系統(tǒng)必需的保護(hù)、補(bǔ)油液壓閥，同時帶有過濾器。液壓馬達(dá)選用高速液壓馬達(dá)，具有壓力過載保護(hù)功能，比例液壓泵直接通過管路與液壓馬達(dá)連接，不需要外加各種保護(hù)液壓閥類。高速液壓馬達(dá)通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)軸連接，通過調(diào)節(jié)比例液壓泵中比例壓力閥的控制電流控制比例液壓泵的排量，達(dá)到控制高速液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的目的。該控制回路可通過單片機(jī)控制比例液壓泵的比例壓力閥，轉(zhuǎn)速信號（反饋信號）從發(fā)電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)速傳感器傳回，這樣就形成了一個閉環(huán)控制回路。當(dāng)外界負(fù)載發(fā)生變化時，通過控制器控制比例液壓泵的排量，就能始終保持高速液壓馬達(dá)（發(fā)電機(jī)）的轉(zhuǎn)速恒定。

1.2 主要元件選型計算和液壓原理圖

為了確定高速液壓馬達(dá)和比例液壓泵的型號，需要計算出發(fā)電機(jī)在滿負(fù)荷下的軸扭矩，如公式（1）所示。

式中：為扭矩（N·m）；為功率（kW）；為轉(zhuǎn)速（r/min）。

不考慮各種損失，可以計算出理論要求扭矩，在不計各種效率時，該扭矩就是液壓馬達(dá)的輸出扭矩。根據(jù)液壓馬達(dá)的扭矩和功率，可以選定液壓馬達(dá)排量，并確定液壓馬達(dá)型號；再根據(jù)提供的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，確定比例液壓泵的排量和型號。

1.3 液壓原理圖

在液壓系統(tǒng)控制中，比例液壓泵組作為系統(tǒng)速度控制的核心部件，其控制原理及機(jī)能選擇決定了系統(tǒng)的運行效果，因此在綜合考慮現(xiàn)場使用工況與性能要求后確定液壓系統(tǒng)工作原理圖。由圖1可知，液壓油通過主泵吸入，通過并聯(lián)的主泵安全閥與過濾器（自帶安全閥），進(jìn)入控制閥組。為了防止主泵安全閥失效造成系統(tǒng)油路超壓，主油路上設(shè)置系統(tǒng)安全閥，起到雙重保護(hù)作用。當(dāng)液壓油同時進(jìn)入電液比例閥A和電液比例閥B，電液比例閥上比例電磁鐵根據(jù)輸入的電流信號指令推動閥芯滑塊A。閥芯滑塊A通過連桿同時帶動三位四通閥與閥芯滑塊B偏移，當(dāng)三位四通閥發(fā)生偏移的同時，液壓油進(jìn)入閥芯滑塊B并推動其移動，帶動變量泵的流量與方向發(fā)生變化，進(jìn)而控制系統(tǒng)的流量與方向。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)液壓原理圖

為了保證高速液壓馬達(dá)動作穩(wěn)定，在高速液壓馬達(dá)中設(shè)置了背壓機(jī)構(gòu)。當(dāng)變量泵輸出的壓力油同時進(jìn)入液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)在變量泵提供的壓力油驅(qū)動下動作并且其排油作為變量泵的進(jìn)油，形成了閉式回路系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)壓力過高或者流量過大時，壓力油會通過高速液壓馬達(dá)總成中背壓機(jī)構(gòu)釋放，保證液壓馬達(dá)運行平穩(wěn)。

1.4 連接示意圖

發(fā)電機(jī)與高速液壓馬達(dá)固定在同一基座，通過罩子、馬達(dá)聯(lián)軸器、彈性柱銷及法蘭等零件與高速液壓馬達(dá)連接。考慮到發(fā)電機(jī)與高速液壓馬達(dá)保持同軸度的要求，馬達(dá)聯(lián)軸器采用彈性柱銷連接。同時，高速液壓馬達(dá)通過軟管連接（后期優(yōu)化為硬管連接），與比例液壓泵油路連通。比例液壓泵與柴油發(fā)動機(jī)通過聯(lián)軸器連接。為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，在馬達(dá)聯(lián)軸器上設(shè)置了一個測速齒輪，并將相應(yīng)的磁阻傳感器固定在支架上。當(dāng)馬達(dá)聯(lián)軸器帶動測速齒輪轉(zhuǎn)動時，磁阻傳感器將實際轉(zhuǎn)速信號反饋至控制器，控制器結(jié)合給定轉(zhuǎn)速信號與實際轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)節(jié)液壓泵的各項參數(shù)，達(dá)到控制高速液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的目的。所有液壓元件均需要考慮戶外使用要求及防護(hù)要求，該系統(tǒng)在裝配并應(yīng)用后根據(jù)外形尺寸，在野外作業(yè)車輛上安裝簡易防護(hù)罩，美觀的同時起到風(fēng)沙防護(hù)、銹蝕防護(hù)的作用，保障設(shè)備安全。

圖2 高速液壓馬達(dá)與發(fā)電機(jī)連接示意圖

圖3 柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)控制方框圖

1.5 系統(tǒng)控制方框圖

柴油發(fā)動機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)及發(fā)電機(jī)組裝連接后，通過設(shè)置在支架上的磁阻傳感器采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，將采集到的實際轉(zhuǎn)速信號反饋至控制器，控制器結(jié)合轉(zhuǎn)速給定值，經(jīng)計算后通過調(diào)節(jié)比例液壓泵的比例壓力閥的控制電流實現(xiàn)對比例液壓泵的排量控制，最終實現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

2 試驗

2.1 柴油發(fā)電機(jī)的實際工作回路

根據(jù)系統(tǒng)控制方案，組裝相關(guān)元件。按照柴油發(fā)電機(jī)的實際工作回路順序（如圖4所示），依次連接柴油發(fā)動機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)及發(fā)電機(jī)。

圖4 柴油發(fā)電機(jī)的實際工作回路方框圖

該系統(tǒng)主要由液壓元件連接組成，通過電子測速元件采集轉(zhuǎn)速信息，因此試驗過程中需要重點關(guān)注液壓元件連接的可靠性以及系統(tǒng)施加負(fù)載后運行效果。其中，液壓元件重要連接部位包括發(fā)電機(jī)與高速液壓馬達(dá)的連接，重點關(guān)注系統(tǒng)運行過程中的同軸度情況（如：振動、噪聲及發(fā)熱現(xiàn)象）。對于比例液壓泵與柴油發(fā)動機(jī)的連接，應(yīng)重點關(guān)注系統(tǒng)運行過程中的同軸度、連接件的緊固性（如：松動狀態(tài)）及磨損狀態(tài)（如：聯(lián)軸器齒輪磨損狀態(tài)）。還有，系統(tǒng)運行過程中測速齒輪是否有動能失衡或位移現(xiàn)象以及磁阻傳感器在振動情況下的牢固性及系統(tǒng)傳動效率。此外，電氣方面重點關(guān)注磁阻傳感器采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號的穩(wěn)定性與連續(xù)性（如：連續(xù)輸出信號值的偏差現(xiàn)象、信號值的缺失及信號值響應(yīng)性）。

2.2 出廠試驗

出廠試驗階段重點關(guān)注現(xiàn)場工況的模擬，因此出廠試驗回路應(yīng)與系統(tǒng)控制方案一致，通過有效數(shù)據(jù)來滿足現(xiàn)場工況的需要。由于試驗室沒有柴油發(fā)動機(jī)，所以出廠試驗時只能模擬現(xiàn)場工況，利用變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動液壓泵，同時將電焊機(jī)作為負(fù)載，其余元件與實際使用相同。

出廠試驗重點關(guān)注系統(tǒng)運行效果，因此需要盡可能地模擬現(xiàn)場可能發(fā)生的各種工況。并且在試驗期間尋找潛在的影響系統(tǒng)運行的不確定因素，提前發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。因此試驗過程需要分階段、逐步推行與驗證，所以試驗方案的設(shè)置、試驗設(shè)備的選定及試驗環(huán)境的模擬等需要認(rèn)真考量后制定，這也是關(guān)系到系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素，如：使用變頻調(diào)速電機(jī)替代柴油發(fā)動機(jī)是利用變頻電機(jī)的特性，可以與比例液壓泵進(jìn)行匹配，并且通過調(diào)整電流得到不同轉(zhuǎn)速，模擬不同參數(shù)下的工況，更好地掌握系統(tǒng)性能。

負(fù)載是工況模擬的重要環(huán)節(jié)，是驗證系統(tǒng)性能的重要設(shè)備?？紤]到柴油發(fā)電機(jī)現(xiàn)場實際負(fù)載絕大部分為電焊機(jī)，因此為了使系統(tǒng)運行最大限度地接近實際使用工況，在試驗過程中準(zhǔn)備了四臺不同功率與類型的電焊機(jī)作為負(fù)載。

試驗包括空載試驗和帶載試驗。試驗步驟如下。1）試運轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)速指令為零或控制器不通電的情況下，啟動電機(jī)，確保電機(jī)轉(zhuǎn)向為右旋。逐步加快電機(jī)的轉(zhuǎn)速，注意觀察液壓泵及液壓馬達(dá)有無異常，正常狀況下液壓馬達(dá)不應(yīng)有旋轉(zhuǎn)。液壓泵的轉(zhuǎn)速逐步升高到1800r/min，注意觀察比例液壓泵及高速液壓馬達(dá)有無異常。2）試運轉(zhuǎn)無問題后，在發(fā)電機(jī)沒有負(fù)載的情況下，保持液壓泵1800r/min，轉(zhuǎn)速控制指令以每150r/min的增幅逐步平穩(wěn)增加，并在每個指令數(shù)值上停留一段時間，觀察記錄發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化過程。3）保持控制指令1500r/min，原動機(jī)轉(zhuǎn)速從1800r/min逐步減到1500r/min，觀察記錄發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化情況。注意觀察，防止意外損壞設(shè)備。4）空載試驗完成后，在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，調(diào)試并整定PID參數(shù)。5）在保持原動機(jī)轉(zhuǎn)速不變的前提下（1800r/min），轉(zhuǎn)速控制指令也維持在1500r/min，分級給發(fā)電機(jī)增加負(fù)載，觀察記錄發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化情況。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無法控制。當(dāng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速未響應(yīng)，因此分析轉(zhuǎn)速控制器存在問題。經(jīng)測量轉(zhuǎn)速控制器輸入電壓正常，所以初步判定為輸出功率問題。經(jīng)測量與比對，判定故障原因為其輸出功率與比例放大器不匹配。為了解決該問題，從北京機(jī)械研究所購買專用的比例放大器。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化緩慢，穩(wěn)定時間過長，達(dá)不到試驗要求。通過檢查液壓系統(tǒng)，未發(fā)現(xiàn)影響液壓傳動效率的缺陷或滲漏情況并且在電機(jī)速度劇烈變化時比例液壓泵響應(yīng)速度慢，因此初步判定控制算法存在問題。通過優(yōu)化控制器算法，達(dá)到試驗要求。

在試驗過程中，客戶又提出要增加防無線干擾功能。無線干擾主要電氣元件油管，該系統(tǒng)主要電氣元件為轉(zhuǎn)速控制器和比例放大器，因此對轉(zhuǎn)速控制器和比例放大器增加了屏蔽功能。

開始做負(fù)荷試驗時，系統(tǒng)最大飛升轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)超過預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)仔細(xì)分析是由于選用了長粗軟管作為液壓泵和馬達(dá)之間的連接管路從而導(dǎo)致系統(tǒng)剛度下降造成的，為此，重新布置了液壓泵和液壓馬達(dá)的安裝位置以使連接管路最短，重新配管后進(jìn)行實驗，最大飛升轉(zhuǎn)速明顯下降。

圖5 出廠試驗回路方框圖

結(jié)論如下。1）任意功率時穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速波動幅度小于±2 r/min。2）100%突加負(fù)荷時，瞬態(tài)轉(zhuǎn)速下降不大于105 r/min（7%）。3）100%突減負(fù)荷時，瞬態(tài)轉(zhuǎn)速上升不大于150 r/min（10%）。4）100%功率突變后，轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)值的時間小于3 s。

2.3 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗負(fù)載選擇和試驗步驟基本與出廠試驗一致，但由于試驗室是采用變頻電機(jī)驅(qū)動比例泵，與實際應(yīng)用存在差異，而且現(xiàn)場油管路與出廠試驗時也大不相同，因此在現(xiàn)場試驗時又遇到了很多新問題并得出了一些新的結(jié)論。

初始試驗時柴油機(jī)轉(zhuǎn)速2000 r/min，轉(zhuǎn)速控制器輸出在出廠試驗時所使用到的最大電流410 mA，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速只能達(dá)到1150 r/min，達(dá)不到1500 r/min的額定轉(zhuǎn)速；解決方法是增加轉(zhuǎn)速控制器的輸出電流，并增大液壓泵吸油管的口徑以減少吸油時產(chǎn)生的沿程損失。針對現(xiàn)場試驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題提出有效的處置方法，使柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)速控制器現(xiàn)場抗干擾效果良好，柴油發(fā)電機(jī)工作效率滿足現(xiàn)場使用要求。

3 結(jié)語

通過現(xiàn)場驗證，液壓式柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)作為一種新型閉式液壓轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組供電過程中轉(zhuǎn)速受負(fù)載變化影響大的問題。該文從液壓原理、控制邏輯、試驗步驟及故障分析、處理等方面較系統(tǒng)地介紹了整套機(jī)構(gòu)的實際應(yīng)用情況及效果，特別在試驗步驟、故障匯總及分析處置方面提供了較詳細(xì)的說明與解決方案，為推進(jìn)該項技術(shù)在戶外施工過程中的應(yīng)用提供了新的技術(shù)方案，同時為閉式液壓系統(tǒng)的應(yīng)用提供了新的思路。