液壓式柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)應用

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.天津機電職業(yè)技術(shù)學院，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)電機組提供電源，但現(xiàn)有的國產(chǎn)發(fā)電機組轉(zhuǎn)速受負載變化的影響較大，而且轉(zhuǎn)速的調(diào)整時間過長，導致焊接時經(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)能達到預期目標，為該項技術(shù)的應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)電機與液壓馬達驅(qū)動相連，這樣柴油發(fā)電機組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)就可簡化為液壓泵控制液壓馬達的閉式液壓控制系統(tǒng)。

閉式系統(tǒng)多應用于工程機械中，目前國內(nèi)大多的工程車輛所使用的閉式液壓系統(tǒng)全部是進口的，國內(nèi)的幾大工程機械生產(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，響應高，反應快并且泵體集成各種閉式系統(tǒng)必需的保護、補油液壓閥，同時帶有過濾器。液壓馬達選用高速液壓馬達，具有壓力過載保護功能，比例液壓泵直接通過管路與液壓馬達連接，不需要外加各種保護液壓閥類。高速液壓馬達通過聯(lián)軸器與發(fā)電機軸連接，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，達到控制高速液壓馬達轉(zhuǎn)速的目的。該控制回路可通過單片機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。當外界負載發(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（發(fā)電機）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和比例液壓泵的型號，需要計算出發(fā)電機在滿負荷下的軸扭矩，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的輸出扭矩。根據(jù)液壓馬達的扭矩和功率，可以選定液壓馬達排量，并確定液壓馬達型號；再根據(jù)提供的發(fā)動機轉(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，主油路上設置系統(tǒng)安全閥，起到雙重保護作用。當液壓油同時進入電液比例閥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，當三位四通閥發(fā)生偏移的同時，液壓油進入閥芯滑塊B并推動其移動，帶動變量泵的流量與方向發(fā)生變化，進而控制系統(tǒng)的流量與方向。

圖1 柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)液壓原理圖

為了保證高速液壓馬達動作穩(wěn)定，在高速液壓馬達中設置了背壓機構(gòu)。當變量泵輸出的壓力油同時進入液壓馬達，液壓馬達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油，形成了閉式回路系統(tǒng)。當系統(tǒng)壓力過高或者流量過大時，壓力油會通過高速液壓馬達總成中背壓機構(gòu)釋放，保證液壓馬達運行平穩(wěn)。

1.4 連接示意圖

發(fā)電機與高速液壓馬達固定在同一基座，通過罩子、馬達聯(lián)軸器、彈性柱銷及法蘭等零件與高速液壓馬達連接?？紤]到發(fā)電機與高速液壓馬達保持同軸度的要求，馬達聯(lián)軸器采用彈性柱銷連接。同時，高速液壓馬達通過軟管連接（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)動機通過聯(lián)軸器連接。為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，在馬達聯(lián)軸器上設置了一個測速齒輪，并將相應的磁阻傳感器固定在支架上。當馬達聯(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)，達到控制高速液壓馬達轉(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要求，該系統(tǒng)在裝配并應用后根據(jù)外形尺寸，在野外作業(yè)車輛上安裝簡易防護罩，美觀的同時起到風沙防護、銹蝕防護的作用，保障設備安全。

圖2 高速液壓馬達與發(fā)電機連接示意圖

圖3 柴油發(fā)電機轉(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、液壓泵、液壓馬達及發(fā)電機組裝連接后，通過設置在支架上的磁阻傳感器采集發(fā)電機轉(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)電機轉(zhuǎn)速控制。

2 試驗

2.1 柴油發(fā)電機的實際工作回路

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

圖4 柴油發(fā)電機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)施加負載后運行效果。其中，液壓元件重要連接部位包括發(fā)電機與高速液壓馬達的連接，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)動機的連接，應重點關(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，所以出廠試驗時只能模擬現(xiàn)場工況，利用變頻調(diào)速電機驅(qū)動液壓泵，同時將電焊機作為負載，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，所以試驗方案的設置、試驗設備的選定及試驗環(huán)境的模擬等需要認真考量后制定，這也是關(guān)系到系統(tǒng)現(xiàn)場應用效果的關(guān)鍵因素，如：使用變頻調(diào)速電機替代柴油發(fā)動機是利用變頻電機的特性，可以與比例液壓泵進行匹配，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)性能的重要設備?？紤]到柴油發(fā)電機現(xiàn)場實際負載絕大部分為電焊機，因此為了使系統(tǒng)運行最大限度地接近實際使用工況，在試驗過程中準備了四臺不同功率與類型的電焊機作為負載。

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，確保電機轉(zhuǎn)向為右旋。逐步加快電機的轉(zhuǎn)速，注意觀察液壓泵及液壓馬達有無異常，正常狀況下液壓馬達不應有旋轉(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有無異常。2）試運轉(zhuǎn)無問題后，在發(fā)電機沒有負載的情況下，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)電機的轉(zhuǎn)速變化過程。3）保持控制指令1500r/min，原動機轉(zhuǎn)速從1800r/min逐步減到1500r/min，觀察記錄發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化情況。注意觀察，防止意外損壞設備。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)電機增加負載，觀察記錄發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化情況。

發(fā)電機轉(zhuǎn)速無法控制。當調(diào)整電機轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速未響應，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，從北京機械研究所購買專用的比例放大器。發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化緩慢，穩(wěn)定時間過長，達不到試驗要求。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速度劇烈變化時比例液壓泵響應速度慢，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。

開始做負荷試驗時，系統(tǒng)最大飛升轉(zhuǎn)速遠超過預期目標。經(jīng)仔細分析是由于選用了長粗軟管作為液壓泵和馬達之間的連接管路從而導致系統(tǒng)剛度下降造成的，為此，重新布置了液壓泵和液壓馬達的安裝位置以使連接管路最短，重新配管后進行實驗，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%突加負荷時，瞬態(tài)轉(zhuǎn)速下降不大于105 r/min（7%）。3）100%突減負荷時，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驅(qū)動比例泵，與實際應用存在差異，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)電機轉(zhuǎn)速只能達到1150 r/min，達不到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)電機組供電過程中轉(zhuǎn)速受負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)地介紹了整套機構(gòu)的實際應用情況及效果，特別在試驗步驟、故障匯總及分析處置方面提供了較詳細的說明與解決方案，為推進該項技術(shù)在戶外施工過程中的應用提供了新的技術(shù)方案，同時為閉式液壓系統(tǒng)的應用提供了新的思路。