喬光林，李鐵英，易明陽(yáng)

(1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司，長(zhǎng)春 130021；2吉林省送變電工程有限公司，長(zhǎng)春 130022)

隨著國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，輸電線路施工工程也逐步增多。在施工中經(jīng)常采用各種電動(dòng)設(shè)備，如電動(dòng)扭力扳手、絞磨機(jī)、電焊機(jī)等，而張牽設(shè)備啟動(dòng)、報(bào)話機(jī)、多旋翼遙控飛機(jī)等也多采用電瓶供電的方式。野外施工中如使用電控設(shè)備需配置發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本，造成能源浪費(fèi)。在輸電線路施工中經(jīng)常采用汽油機(jī)型工器具(絞磨機(jī)、液壓機(jī)等)，在汽油機(jī)上安裝發(fā)電裝置不僅可以有效地減少附加設(shè)備與體積，也可以滿足復(fù)雜的工作環(huán)境下其他用電設(shè)備的開(kāi)發(fā)與利用。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

以導(dǎo)線壓接液壓機(jī)上配套的汽油機(jī)為基礎(chǔ)，根據(jù)輸電線路施工現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)和使用環(huán)境，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套適合現(xiàn)場(chǎng)施工的供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時(shí)提供2組電源，一組為低壓穩(wěn)壓電源，電壓可切換為12、24、36、48 V等；另一組為高壓電源220 V，通過(guò)對(duì)整流元件功率的選擇與取樣電壓的不同標(biāo)定，即可方便地調(diào)整輸出電源的電壓與功率限制。本例應(yīng)用中電壓標(biāo)定24 V，總功率輸出1 500 W。24 V電源可以給可編程控制器(PLC)、伺服驅(qū)動(dòng)器、電控溢流閥、電控?fù)Q向閥等供電，還可以對(duì)電瓶充電。220 V電源可以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、絞磨機(jī)等電控設(shè)備。

供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括3個(gè)方面：發(fā)電裝置的安裝、電控啟動(dòng)系統(tǒng)改造、增加三相半控整流穩(wěn)壓裝置。原型機(jī)選用SY-BJQ-3000/94-C型液壓機(jī)，動(dòng)力源為本田168F汽油機(jī)。汽油機(jī)為四沖程、風(fēng)冷、頂置氣門(mén)型式，啟動(dòng)方式為手拉式，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 168F汽油機(jī)主要參數(shù)

2 安裝發(fā)電裝置

選用與電力施工用汽油機(jī)配套的三相永磁外轉(zhuǎn)子交流發(fā)電機(jī)，規(guī)格為18N12P，全功率可達(dá)3 000 W以上，配合半控整流穩(wěn)壓裝置，更改原件參數(shù)亦可完成小型電焊機(jī)，室外應(yīng)急電源，電瓶臨時(shí)充電、張牽設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)救援等功能。發(fā)電機(jī)定子線圈與168F汽油機(jī)曲軸輸出端邊蓋預(yù)留孔吻合，旋轉(zhuǎn)磁鋼與曲軸輸出端相匹配。

用三相永磁外轉(zhuǎn)子交流發(fā)電機(jī)外轉(zhuǎn)子磁鋼代替汽油機(jī)飛輪，將傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)安裝位置由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端更改為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪安裝端，通過(guò)一個(gè)八孔法蘭盤(pán)，將定子線圈成功安裝到原機(jī)預(yù)留空置孔位，解決定子線圈安裝孔徑不同問(wèn)題，將定子線圈固定在汽油機(jī)飛輪側(cè)。將外轉(zhuǎn)子磁鋼通過(guò)特殊加工安裝孔徑裝配到原機(jī)飛輪位置，不增加發(fā)動(dòng)機(jī)外部尺寸，不添加活動(dòng)部件。解決電力供應(yīng)的同時(shí)保證了液壓全自動(dòng)平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)原有機(jī)械技術(shù)指標(biāo)與各項(xiàng)使用技術(shù)要求。

定子線圈由硅鋼片疊置而成，直徑為172 mm，厚度30 mm，分為18極極靴。繞組分為三相，每相線圈由6極極靴串聯(lián)，三相線圈為三角形接法，線圈直徑為1.5 mm，高強(qiáng)度漆包線并繞。定子線圈安裝方式為通孔螺栓安裝，表面通孔為正方型排列，邊距65 mm，與曲軸輸出側(cè)邊蓋預(yù)留孔一致，飛輪側(cè)預(yù)留孔距為74 mm。通過(guò)外加工8孔法蘭盤(pán)，將線圈安置于飛輪側(cè)安裝孔。原汽油機(jī)飛輪上安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇，拉盤(pán)啟動(dòng)杯、點(diǎn)火觸發(fā)磁鐵。

現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)外轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)僅能滿足發(fā)電任務(wù)，不能滿足上述要求，所以需要對(duì)外轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)。首先測(cè)繪原外轉(zhuǎn)子磁鋼外徑，鋼殼內(nèi)徑、磁鋼寬度；保證外轉(zhuǎn)子磁鋼安裝后與定子鐵心徑向間隙，測(cè)量曲軸端錐度與定子鐵心位置，確保外轉(zhuǎn)子磁鋼安裝后與定子鐵心軸向間隙；測(cè)量風(fēng)扇安裝定位銷(xiāo)柱尺寸并在轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)位置開(kāi)孔，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇無(wú)損安裝；最后啟動(dòng)拉盤(pán)杯，風(fēng)扇，轉(zhuǎn)子磁鋼通過(guò)原來(lái)飛輪螺栓緊固到曲軸。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，在不改變?cè)瓩C(jī)性能與幾何尺寸前提下，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與汽油機(jī)無(wú)損安裝。

3 改造汽油機(jī)電控啟動(dòng)系統(tǒng)

168F通用型汽油機(jī)出廠設(shè)計(jì)無(wú)電啟動(dòng)裝置。在啟動(dòng)過(guò)程中，拉盤(pán)啟動(dòng)方式需人工手動(dòng)操作，經(jīng)常出現(xiàn)拉盤(pán)繩磨損斷裂、拉盤(pán)棘輪卡死等故障，特別在北方冬季低溫環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑不良、啟動(dòng)阻力增大、汽油霧化不良會(huì)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)反彈現(xiàn)象，手動(dòng)快速拉扯過(guò)程的反彈還會(huì)導(dǎo)致操作人員肌肉拉傷等安全隱患，故本設(shè)計(jì)需要對(duì)汽油機(jī)進(jìn)行電控啟動(dòng)系統(tǒng)改造。

選用三相無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，產(chǎn)生三相對(duì)稱電流驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，設(shè)定啟動(dòng)頻率為40 Hz，電源限流值40 A，實(shí)測(cè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速可達(dá)350 r/min，啟動(dòng)迅速有力，為設(shè)備自動(dòng)、主動(dòng)、遠(yuǎn)程控制奠定基礎(chǔ)。為防止啟動(dòng)后發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓反饋給三相無(wú)刷驅(qū)動(dòng)控制器，在啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路中加入防逆保護(hù)環(huán)節(jié)，保護(hù)原理為利用斯密特電壓比較觸發(fā)器檢測(cè)U、V、W三相電源電壓值，在電壓26 V以下時(shí)比較器不動(dòng)作，控制繼電器常閉觸點(diǎn)保持接受來(lái)自于啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成或者轉(zhuǎn)速超過(guò)1 400 r/min時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)繼電器常閉觸點(diǎn)吸合，切斷啟動(dòng)電路從而完成永磁電動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電系統(tǒng)，防止誤操作。保護(hù)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，蓄電池及發(fā)電機(jī)，同時(shí)觸發(fā)器信號(hào)指令驅(qū)動(dòng)低壓電磁閥電源，高壓電源吸和，完成整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)加電。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程再次按壓?jiǎn)?dòng)開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)信號(hào)被驅(qū)動(dòng)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)引入熄火延時(shí)電路，切斷點(diǎn)火器電源使發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后觸發(fā)器因?yàn)闄z測(cè)電壓的降低，將釋放系統(tǒng)電源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)。 整個(gè)電源系統(tǒng)控制面板由一個(gè)自鎖開(kāi)關(guān)接通、斷開(kāi)信號(hào)電源，一個(gè)自復(fù)位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、熄火。 通用汽油機(jī)電控點(diǎn)火系統(tǒng)，將168F汽油機(jī)原電感蓄能無(wú)觸點(diǎn)磁電機(jī)點(diǎn)火方式改造成無(wú)觸點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)角電子點(diǎn)火方式。

4 增加三相半控整流穩(wěn)壓裝置

原機(jī)為三相永磁交流發(fā)電機(jī)，缺陷為隨著轉(zhuǎn)速與負(fù)載的變化輸出電壓相應(yīng)變化，因此需要增加整流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，滿足系統(tǒng)需要的穩(wěn)定直流電源。改造前汽油機(jī)電路原理圖見(jiàn)圖1。為了完成交流電轉(zhuǎn)化成直流電，需要將輸出電源電壓穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，加入穩(wěn)壓整流裝置。計(jì)算結(jié)果直流電源為24 V、50 A，半控整流穩(wěn)壓選擇斬波穩(wěn)壓方案。改造后汽油機(jī)電路原理圖見(jiàn)圖2。增加三相半控整流穩(wěn)壓裝置過(guò)程如下。

圖1 改造前汽油機(jī)電路原理圖

圖2 改造后汽油機(jī)電路原理圖

a.基準(zhǔn)采樣電路電壓基準(zhǔn)元件選用TL431。TL431是可控精密穩(wěn)壓源模塊，只有3個(gè)引腳，簡(jiǎn)單易用。其輸出電壓用2個(gè)電阻就可以任意設(shè)置到從2.5～36 V范圍內(nèi)的任何值，可編程輸出電壓：2.495～36 V，電壓參考誤差：±0.4% ，全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦。

b.觸發(fā)電路U、V、W為三相永磁交流發(fā)電機(jī)完全相同的3個(gè)線圈繞組。其相位差為120°，按“三角形”接法，首尾端接于一點(diǎn)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)使定子線圈匝數(shù)達(dá)到發(fā)電要求，考慮到整流效率，發(fā)電電壓不易設(shè)計(jì)過(guò)高，電壓對(duì)應(yīng)怠速1 400 r/min，到全速3 600 r/min，電壓值從26 V升高到72 V。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低或者負(fù)荷增大時(shí)，輸出電壓也低，小于目標(biāo)穩(wěn)壓值，比較器輸入端信號(hào)為正，比較器截止，可控硅觸發(fā)器不受控，接在三相整流橋臂上的功率硅呈導(dǎo)通狀態(tài)；對(duì)應(yīng)橋臂上的正半波電壓到來(lái)時(shí)，可控硅陰極電位高于陽(yáng)極和控制極，可控硅流過(guò)電流，與下橋臂對(duì)應(yīng)二極管配合，進(jìn)行全波整流，提高輸出電壓。輸出電壓高于設(shè)定值時(shí)候，取樣點(diǎn)電壓會(huì)超過(guò)基準(zhǔn)電壓，觸發(fā)器輸入端電位為正，比較器翻轉(zhuǎn)，可控硅觸發(fā)器不再對(duì)可控硅控制極提供電壓信號(hào)，可控硅延時(shí)至無(wú)正向電壓時(shí)關(guān)斷，逐相關(guān)閉定子繞組供電回路，迫使輸出電壓下降。電壓值低于設(shè)定值后，觸發(fā)電路再次啟動(dòng)，可控硅導(dǎo)通，周而復(fù)始，通過(guò)移相、斬波、整流，保證永磁發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定的直流電壓，給用電設(shè)備提供直流電源并給蓄電池充電。

c.大功率斬波可控硅驅(qū)動(dòng)。為了在不依賴外界電源(蓄電池)條件下，使發(fā)電機(jī)額定電壓建立前整流器投入工作，控制器增設(shè)一級(jí)小功率可控硅開(kāi)關(guān)，提供給控制極電源，同時(shí)把控制系統(tǒng)中輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)大功率可控硅，使功率器件更有效接受控制。采用電壓輸出信號(hào)的電壓型比較器比電流輸出型比較器的電路簡(jiǎn)化，省略電流比較反饋環(huán)節(jié)等部分電路，提高電路可靠性與穩(wěn)定性。

d.超壓過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)由壓敏器件構(gòu)成，壓敏器件穩(wěn)壓值設(shè)定在28 V。壓敏器件并聯(lián)在比較器與整流穩(wěn)壓器控制端，當(dāng)出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，比較器電位被拉低，比較器閉鎖可控硅，同時(shí)控制端電位升高，整機(jī)切斷輸出。過(guò)流保護(hù)采用大功率電阻取樣電流方法，標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)在保護(hù)三極管基極與集電極之間，當(dāng)電流超過(guò)時(shí)，流過(guò)電阻的電流將產(chǎn)生大于0.7 V的電壓，此電壓大于三極管基極導(dǎo)通電壓，三極管導(dǎo)通，將比較器電位拉低，閉鎖比較器輸出，保護(hù)了發(fā)電裝置和用電裝置。在輸出端口布置LC電壓吸收抑制元件，有效消除因可控硅開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電壓，同時(shí)阻擋感性執(zhí)行元件通斷產(chǎn)生的尖峰電壓干擾整流器取樣電壓標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)而使輸出電壓穩(wěn)定安全。

e.整體布局安裝印制電路板(PCB)及元件排列。PCB設(shè)計(jì)為雙面板，強(qiáng)弱電流器件分開(kāi)布置，大電流走線覆錫。小功率器件均采用獨(dú)立插件，大功率整流器件，電源輸入輸出端子均可直接由焊接連線引出。綜合承載電流能力與整體體積考慮，大功率可控硅與肖特基二極管選用TO247封裝，在PCB上反式安裝，固定在105 mm×150 mm×20 mm鋁散熱板上，全部封裝在150 mm×105 mm×50 mm鋁盒內(nèi)，以不飽和環(huán)氧樹(shù)脂灌封成整體，防潮，防塵，絕緣，抗沖擊，抗震動(dòng)。

5 結(jié)論

電力施工用汽油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決了送變電施工現(xiàn)場(chǎng)常用電問(wèn)題，避免了額外的購(gòu)買(mǎi)發(fā)電機(jī)及運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)情況。該設(shè)備在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)和性能的情況下提供的電源可帶動(dòng)電動(dòng)扳手等施工工器具，還可以對(duì)報(bào)話機(jī)、張牽設(shè)備電瓶進(jìn)行充電，提高了施工生產(chǎn)的效率，同時(shí)可采用按鈕對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一鍵電子啟動(dòng)，避免了人工拉繩啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致的人身傷害等安全隱患，提高了輸電線路工程施工的安全性。