柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)調(diào)速穩(wěn)壓裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張鐵英，王麗婷，宋超，許宜賀

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)，264001）

0 引言

柴油發(fā)電機(jī)組作為重要的供電設(shè)備，廣泛應(yīng)用于通信、軍事、醫(yī)院等重要場(chǎng)合[1,2]，其轉(zhuǎn)速的變化不僅影響發(fā)電頻率，還直接影響發(fā)電機(jī)組輸出電壓。由于柴油發(fā)電機(jī)組工作環(huán)境的復(fù)雜性，符合變化的實(shí)時(shí)性，導(dǎo)致通過控制油量來同時(shí)滿足輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，并保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是比較困難的[2]。因此，對(duì)于發(fā)電機(jī)組來講，調(diào)速穩(wěn)壓裝置是不可或缺的裝置之一。目前，以柴油機(jī)為原動(dòng)力的交流同步無刷發(fā)電機(jī)組調(diào)速穩(wěn)壓裝置的工作過程是：對(duì)于兩對(duì)磁極的同軸傳動(dòng)無刷發(fā)電機(jī)，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整至1500 轉(zhuǎn)/分，對(duì)應(yīng)50Hz，然后通過AVR 可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行穩(wěn)壓，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出額定電壓和額定頻率的目的[5～7]。不過，這種調(diào)速調(diào)壓裝置雖然精度比較高，但是價(jià)格貴，且一般與交流同步無刷發(fā)電機(jī)組配套使用，通用性不強(qiáng)[3～4]。比如：對(duì)于出廠為手動(dòng)調(diào)節(jié)的有刷發(fā)電機(jī)組自動(dòng)調(diào)速改造或皮帶傳動(dòng)的發(fā)電機(jī)組則難以應(yīng)用。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)調(diào)速穩(wěn)壓裝置，不僅能夠控制不同傳動(dòng)方式下發(fā)電機(jī)組的電壓穩(wěn)定輸出問題，而且造價(jià)低，通用性強(qiáng)。此外，此調(diào)速穩(wěn)壓裝置也可以作為院校課目化實(shí)操教學(xué)的綜合制作考核科目，從而提升學(xué)生的方案設(shè)計(jì)、器件選型、安裝調(diào)試等能力。

1 控制方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

手動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組從啟動(dòng)到進(jìn)入工作狀態(tài)（穩(wěn)定輸出220V 電壓）這個(gè)過程，一般需要人為操控和調(diào)整。本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)制作一種在啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)后，在發(fā)電機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，能不斷自動(dòng)調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門，使其持續(xù)穩(wěn)定輸出220V 電壓的裝置，即使在工作過程中柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓發(fā)生波動(dòng)，或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載始終處于變化的過程，該裝置也能迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出電壓趨于平穩(wěn)。此外，該裝置應(yīng)當(dāng)盡可能簡(jiǎn)單可靠高效。

1.1 控制裝置原理

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，同時(shí)進(jìn)一步理清思路，確立設(shè)計(jì)方向，首先對(duì)調(diào)速裝置的原理方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1 所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后，輸出交流電壓被線性轉(zhuǎn)化為直流電壓，并與之對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓（對(duì)應(yīng)～220V）進(jìn)行比較，若小于基準(zhǔn)電壓，則輸出比較信號(hào)，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)部件增加柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電電壓上升；若大于與基準(zhǔn)電壓，則輸出比較信號(hào)，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)部件降低柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電電壓下降；否則，不輸出比較信號(hào)。從圖1 中可以看出整個(gè)原理圖為閉環(huán)反饋回路，功能上也基本實(shí)現(xiàn)了本文所提出的要求，所以根據(jù)原理圖來選擇所需元器件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

圖1 調(diào)速裝置的原理框圖

1.2 電路主要元器件選擇

由調(diào)速裝置原理可知，控制系統(tǒng)核心的部件是交流變送器和比較器。

對(duì)交流變送器的要求是：能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，且其轉(zhuǎn)換具有良好的線性特征，使其便于控制。方案之一是采用整流器。整流器分為半波整流和全波整流，半波整流器產(chǎn)生的電壓為原交流電壓的90%，全波為100%，所以交流220V 其產(chǎn)生的電壓最小為190V 以上，而后續(xù)的電壓比較器多為小電壓比較，因此很難匹配。此外，整流器的線性較差，導(dǎo)致后續(xù)的控制設(shè)計(jì)困難，因而舍棄。最終選擇了交流電壓變送器，其可將AC 0～300V 轉(zhuǎn)換為DC 0～10V，且其轉(zhuǎn)換具有良好的線性特性，滿足要求，如圖2 所示。

圖2 交流電壓變送器

在選擇了交流電壓變送器的基礎(chǔ)上，著手選擇另一個(gè)核心部件比較器。

對(duì)比較器的要求是：能夠?qū)涣麟妷鹤兯推鬏敵龅闹绷麟妷哼M(jìn)行比較處理，當(dāng)輸入電壓低于下限電壓時(shí)，輸出一個(gè)正向控制信號(hào)；當(dāng)輸入電壓高于上限電壓時(shí)，則輸出一個(gè)反向控制信號(hào)；當(dāng)輸入電壓處于兩上下限電壓之間時(shí)，則無控制信號(hào)輸出。最終，選擇了如圖3 所示的2 路電壓比較模塊。此模塊通過跳帽的設(shè)置具備三種功能。功能一：輸入一個(gè)電壓與模塊上設(shè)定的基準(zhǔn)電壓對(duì)比，當(dāng)輸入的電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，繼電器閉合（11-10 閉合，11-12 斷開）；當(dāng)輸入的電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，繼電器不動(dòng)作。功能二：分別輸入待比較的電壓A和B，當(dāng)A>B 時(shí)，繼電器閉合（11-10 閉合，11-12 斷開），當(dāng)A

圖3 兩路電壓比較器模塊

電壓比較模塊和交流電壓變送器都需要24V供電電壓，所以還需選擇一臺(tái)24V 直流電源。此外還需要交流接觸器，用于控制推桿機(jī)構(gòu)的正反向運(yùn)行。這里需要兩臺(tái)接觸器以實(shí)現(xiàn)自鎖和互鎖。這兩種器件均為通用型號(hào)，不在贅述。

1.3 電路設(shè)計(jì)

通過上述分析，控制部分的電氣線路如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)調(diào)速穩(wěn)壓裝置電氣線路圖

因?yàn)樗x柴油發(fā)電機(jī)無法通過自動(dòng)調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和熄火，所以電氣線路被設(shè)計(jì)成手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，兩種模式之間的切換通過開關(guān)來實(shí)現(xiàn)；手動(dòng)模式主要用來啟動(dòng)和關(guān)閉柴油機(jī)，也可用來在自動(dòng)模式發(fā)生故障時(shí)作應(yīng)急使用，手動(dòng)線路由正轉(zhuǎn)開關(guān)，反轉(zhuǎn)開關(guān)，KM1/KM2 接觸器組成；通過互鎖原理，KM1/KM2 接觸器連接在24V 直流電源與電動(dòng)推桿之間進(jìn)行互鎖，開關(guān)KM1 接觸器控制正轉(zhuǎn)開關(guān)，開關(guān)KM2 接觸器控制反轉(zhuǎn)開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)和控制發(fā)電壓輸出；使用電壓比較模塊將發(fā)電機(jī)輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，將基準(zhǔn)電壓設(shè)定為最高為230V（7.68 V）、最低為220V（7.37 V），通過電壓比較模塊的開關(guān)閉合開啟來實(shí)現(xiàn)控制電推桿的通斷電，進(jìn)而控制柴油機(jī)供油量：當(dāng)電壓超過230 V 時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)調(diào)速裝置降低柴油機(jī)供油量，降低轉(zhuǎn)速，電壓下降；當(dāng)電壓低于220 V 時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)調(diào)速裝置增加柴油機(jī)供油量，提高轉(zhuǎn)速，電壓上升；在使用電壓比較模塊時(shí)，不能直接使用交流電壓輸入，需要使用直流電信號(hào)進(jìn)行輸入，所以要使用交流電壓變送器，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電信號(hào)，輸入到電壓比較模塊上進(jìn)行比較，電壓比較后得到信號(hào)控制電壓比較模塊上繼電器的通斷，繼電器與KM1/KM2 相連接，用來控制調(diào)速裝置；因?yàn)樾枰獙?shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，所以需要配置一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，向左撥動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式，向右撥動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)。

同時(shí)為了顯示直觀，在控制電路中增加了電源指示燈（LM1）、加油控制信號(hào)燈（LM2）和減油控制信號(hào)燈（LM3）。

1.4 電路調(diào)試與成品制作

（1）比較器基準(zhǔn)電壓的確定

比較器基準(zhǔn)電壓是自動(dòng)調(diào)速穩(wěn)壓裝置正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此確定基準(zhǔn)電壓十分重要。具體做法是：利用維修電工實(shí)訓(xùn)測(cè)試臺(tái)模擬發(fā)電機(jī)產(chǎn)生～220V 電壓，通過交流變送器后將其連接到電壓比較器的CH1-和GND 管腳上，此時(shí)正向緩慢調(diào)節(jié)電壓比較器上第一路的電位器，當(dāng)聽到“咔”的一聲時(shí)停止調(diào)整，并在電位器上用紅油漆封涂。此時(shí)電位器的電壓就是低端基準(zhǔn)電壓7.37V；然后再利用維修電工實(shí)訓(xùn)測(cè)試臺(tái)模擬發(fā)電機(jī)產(chǎn)生～230V 電壓，通過交流變送器后將其連接到電壓比較器的CH2-和GND 管腳上，重復(fù)第一路的調(diào)節(jié)動(dòng)作，當(dāng)聽到“咔”的一聲時(shí)停止調(diào)整，并在電位器上用紅油漆封涂。此時(shí)的電位器的電壓就是高端基準(zhǔn)電壓7.68V。

在調(diào)試過程中，出現(xiàn)了這種情況：當(dāng)電位器調(diào)到7.37V時(shí)，電壓比較器的輸出繼電器頻繁吸合與斷開，并出現(xiàn)了觸點(diǎn)打火的現(xiàn)象。這是因?yàn)?.37V 是電壓比較器對(duì)應(yīng)交流220V 的臨界點(diǎn)，是不穩(wěn)定的，所以才會(huì)出現(xiàn)繼電器頻繁通斷的狀況。但這并不會(huì)影響到實(shí)際電路的運(yùn)行，因?yàn)椴裼蜋C(jī)通過油門桿加減油時(shí)，其轉(zhuǎn)速改變會(huì)有一定程度的滯后性，使得發(fā)電機(jī)輸出的電壓變化也具有了滯后性，所以當(dāng)實(shí)際的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到要求時(shí)，但電壓并未及時(shí)到達(dá)臨界點(diǎn)，因此控制系統(tǒng)繼續(xù)輸出調(diào)速信號(hào)使得其平穩(wěn)度過臨界點(diǎn)。

（2）成品制作

先根據(jù)電氣線路圖將所需器件合理布放到有機(jī)玻璃板上，并進(jìn)行固定。原則是便于接線，利用調(diào)試。接線完畢后對(duì)電路所需功能進(jìn)行測(cè)試。利用維修電工實(shí)訓(xùn)測(cè)試臺(tái)模擬發(fā)電機(jī)發(fā)電過程，對(duì)電路功能進(jìn)行試驗(yàn)，即通電后KM1 接觸器是否吸合，接通正向信號(hào)，當(dāng)交流電壓逐漸增大并達(dá)到～220V 時(shí)，KM1 接觸器是否斷開，切斷正傳信號(hào)；當(dāng)交流電壓超過～230V 時(shí)，KM1 接觸器是否吸合，接通反向信號(hào)，并且在當(dāng)交流電壓逐漸減小并低于～230V 時(shí)，是否斷開反向信號(hào)。

當(dāng)電氣線路通過測(cè)試后，為使整個(gè)控制電路美觀，方便操作、儲(chǔ)存和搬運(yùn)。將所有元器件放入控制箱內(nèi)，并對(duì)整體布局，線路進(jìn)行重新規(guī)劃，優(yōu)化處理后得到最終成品，如圖5、圖6 所示。為了操作安全、方便，在控制箱配備了市電電源三相插頭、輸出直流電動(dòng)推桿信號(hào)防插錯(cuò)插座，用于市電接入和直流控制信號(hào)輸出。

圖5 電氣線路控制箱外觀

圖6 電氣線路控制箱內(nèi)部接線

2 機(jī)械裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

機(jī)械裝置就是調(diào)速裝置的執(zhí)行部分，用于推動(dòng)柴油機(jī)油門調(diào)節(jié)手柄，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的調(diào)壓功能。

2.1 方案選擇

可采用自動(dòng)拉線式油門控制器和直流電機(jī)電動(dòng)推桿兩種實(shí)現(xiàn)方案。

自動(dòng)拉線式油門控制器通過行程限位調(diào)節(jié)油門，即升速鋼絲繩往里拉，降速鋼絲繩往外伸，到達(dá)位置自動(dòng)停止。位置由背后的旋鈕設(shè)定。

直流電機(jī)電動(dòng)推桿頂部通過連接裝置與油門桿相連。初始位置為推桿伸到頂端，即油門處于最小的位置。工作時(shí)，推桿向內(nèi)收縮，油門手柄向下移動(dòng)，供油量增加，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加，達(dá)到規(guī)定電壓時(shí)，推桿停止運(yùn)行。

自動(dòng)拉線式油門控制器方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拉線與油門手柄相連，構(gòu)簡(jiǎn)單，不需考慮油門手柄弧形位移。但只能設(shè)置兩個(gè)固定位置，不能實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)。

直流電機(jī)電動(dòng)推桿方案結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，能夠?qū)崿F(xiàn)自由調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)是電動(dòng)推桿通過連接裝置才能與油門手柄相連，且連接裝置還需考慮油門手柄運(yùn)動(dòng)時(shí)弧形軌跡。

這里，我們重點(diǎn)考慮調(diào)節(jié)的便利性和通用性，因此采用直流電機(jī)電動(dòng)推桿方案。

2.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)要求及實(shí)現(xiàn)

2.2.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)要求

針對(duì)柴油機(jī)的具體情況，給出了以下幾條設(shè)計(jì)要求：

（1）機(jī)械裝置設(shè)置行程應(yīng)滿足既不會(huì)拉斷油門手柄又能滿足發(fā)電電壓調(diào)整要求；（2）油門桿運(yùn)動(dòng)軌跡為弧形，機(jī)械裝置帶動(dòng)油門桿運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足這一條件；（3）機(jī)械裝置安裝固定后不應(yīng)影響手搖啟動(dòng)柴油機(jī)；（4）機(jī)械裝置穩(wěn)定可靠，在柴油機(jī)震蕩條件下不易松動(dòng)，不影響動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 連接件長(zhǎng)孔尺寸的確定

連接件長(zhǎng)孔用途有兩個(gè)，一個(gè)是為了抵消推桿和油門桿行程差位移，另一個(gè)是為了實(shí)現(xiàn)油門桿弧形運(yùn)動(dòng)。由于推桿行程為100mm，而油門桿垂直行程為58mm。由于油門桿無需推到最頂端柴油機(jī)就會(huì)停機(jī)，所以裝置設(shè)置行程只需55mm 即可滿足要求。如果發(fā)生故障，比如發(fā)電機(jī)組的實(shí)際輸出已經(jīng)超過了規(guī)定值，而比較器沒有給出停止調(diào)節(jié)信號(hào)，則此時(shí)電動(dòng)推桿繼續(xù)運(yùn)行可能會(huì)損壞連接件。因此，考慮到裝置的安全運(yùn)行，在連接件鐵片上開有長(zhǎng)度為45mm孔，用于抵消行程差。

還有一個(gè)問題是確定連接件長(zhǎng)孔的寬度。由于電動(dòng)推桿的運(yùn)行軌跡為直線，而柴油機(jī)油門桿的運(yùn)行軌跡為弧線，若直接相連則會(huì)造成不匹配。不管是按照油門桿最長(zhǎng)位移連接還是最短位移連接，均會(huì)造成連接件在上下運(yùn)動(dòng)過程中卡住油門桿。因此，需要合理確定連接件長(zhǎng)孔的寬度。如圖7 所示，弧線^AB 為油門桿的運(yùn)行軌跡，CD 即為連接件長(zhǎng)孔的寬度。CD 可由下列公式來確定。

圖7 連接件孔徑確定示意圖

其中，AB為油門桿的運(yùn)行軌跡上下兩端的距離，r為弧線^AB 對(duì)應(yīng)圓的半徑。因此只要測(cè)得AB的長(zhǎng)度和油門桿運(yùn)動(dòng)軌跡半徑即可確定連接件長(zhǎng)孔的寬度。

在實(shí)際計(jì)算時(shí)，由于弧線^AB 的半徑測(cè)量難以精確，加上油門桿有一定的寬度，所以在計(jì)算的基礎(chǔ)上，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，給出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，即連接件長(zhǎng)孔的寬度以2.5 倍油門桿直徑為宜。

2.2.3 機(jī)械執(zhí)行部分的實(shí)現(xiàn)

為了更好地說明機(jī)械執(zhí)行部分的實(shí)現(xiàn)過程，給出了圖8柴油機(jī)調(diào)速裝置機(jī)械部分示意圖。

圖8 柴油機(jī)調(diào)速裝置機(jī)械部分示意圖

執(zhí)行的主要部件選定直流電機(jī)電動(dòng)推桿3，將推桿頂部通過連接件4 與油門桿2 相連。初始位置為推桿伸到頂端，即油門處于最小的位置。當(dāng)輸出電壓小于230V 時(shí)，推桿收到信號(hào)開始收縮，油門桿向下移動(dòng)，供油量增加，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加，電壓隨之升高；當(dāng)供電電壓高于230V 時(shí)，推桿收到信號(hào)開始拉伸，油門桿向上移動(dòng)，供油量減小，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速減小，電壓隨之降低。

機(jī)械部分將直流電機(jī)電動(dòng)推桿3 的底部通過螺栓固定在柴油機(jī)底座上，在油門桿左側(cè)下方，即便于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，又不影響柴油機(jī)手動(dòng)啟動(dòng)。連接件采用為帶孔鐵片4，下端通過螺栓5 與推桿端部31 相連，上端通過長(zhǎng)孔41 與油門桿2 相連。由于柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)大，為了提高機(jī)械執(zhí)行部分的運(yùn)行穩(wěn)定性，故在直流電機(jī)電動(dòng)推桿的下端增加了橡膠墊片。

制作完成的成品件如圖9 和圖10 所示。

圖9 連接件成品

圖10 機(jī)械執(zhí)行部分的安裝

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并制作了一種發(fā)電機(jī)組自動(dòng)調(diào)速穩(wěn)壓裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷穩(wěn)定可靠，在啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)后，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門，使發(fā)電機(jī)穩(wěn)定輸出220V～230V 范圍內(nèi)電壓，即使在工作過程中柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓發(fā)生波動(dòng)，或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載始終處于變化的過程中，該裝置也能迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出電壓趨于平穩(wěn)。

該裝置不僅能為手動(dòng)調(diào)速柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)調(diào)速改裝提供了一種樣例，而且也可作為院校課目化實(shí)操教學(xué)、理實(shí)一體教學(xué)的綜合制作考核科目，從而鍛煉學(xué)生的方案設(shè)計(jì)、器件選型、安裝調(diào)試和工具使用等能力。