張鐵英，王麗婷，宋超，許宜賀

（海軍航空大學，山東煙臺，264001）

0 引言

柴油發(fā)電機組作為重要的供電設備，廣泛應用于通信、軍事、醫(yī)院等重要場合[1,2]，其轉速的變化不僅影響發(fā)電頻率，還直接影響發(fā)電機組輸出電壓。由于柴油發(fā)電機組工作環(huán)境的復雜性，符合變化的實時性，導致通過控制油量來同時滿足輸出轉矩和負荷轉矩，并保持發(fā)電機轉速是比較困難的[2]。因此，對于發(fā)電機組來講，調速穩(wěn)壓裝置是不可或缺的裝置之一。目前，以柴油機為原動力的交流同步無刷發(fā)電機組調速穩(wěn)壓裝置的工作過程是：對于兩對磁極的同軸傳動無刷發(fā)電機，將柴油機轉速調整至1500 轉/分，對應50Hz，然后通過AVR 可控硅勵磁調節(jié)器進行穩(wěn)壓，從而達到穩(wěn)定輸出額定電壓和額定頻率的目的[5～7]。不過，這種調速調壓裝置雖然精度比較高，但是價格貴，且一般與交流同步無刷發(fā)電機組配套使用，通用性不強[3～4]。比如：對于出廠為手動調節(jié)的有刷發(fā)電機組自動調速改造或皮帶傳動的發(fā)電機組則難以應用。

為此，本文設計了一種自動調速穩(wěn)壓裝置，不僅能夠控制不同傳動方式下發(fā)電機組的電壓穩(wěn)定輸出問題，而且造價低，通用性強。此外，此調速穩(wěn)壓裝置也可以作為院校課目化實操教學的綜合制作考核科目，從而提升學生的方案設計、器件選型、安裝調試等能力。

1 控制方案設計及實現(xiàn)

手動柴油發(fā)電機組從啟動到進入工作狀態(tài)（穩(wěn)定輸出220V 電壓）這個過程，一般需要人為操控和調整。本文的目標是設計制作一種在啟動柴油發(fā)電機后，在發(fā)電機負載發(fā)生變化時，能不斷自動調節(jié)柴油機油門，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)電機的輸出電壓發(fā)生波動，或發(fā)動機負載始終處于變化的過程，該裝置也能迅速進行調節(jié)，使輸出電壓趨于平穩(wěn)。此外，該裝置應當盡可能簡單可靠高效。

1.1 控制裝置原理

為實現(xiàn)目標，同時進一步理清思路，確立設計方向，首先對調速裝置的原理方案進行設計，如圖1 所示。當發(fā)電機組啟動后，輸出交流電壓被線性轉化為直流電壓，并與之對應的基準電壓（對應～220V）進行比較，若小于基準電壓，則輸出比較信號，通過自動調節(jié)部件增加柴油機的轉速，使發(fā)電電壓上升；若大于與基準電壓，則輸出比較信號，通過自動調節(jié)部件降低柴油機的轉速，使發(fā)電電壓下降；否則，不輸出比較信號。從圖1 中可以看出整個原理圖為閉環(huán)反饋回路，功能上也基本實現(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，并在此基礎上進行路實驗設計。

圖1 調速裝置的原理框圖

1.2 電路主要元器件選擇

由調速裝置原理可知，控制系統(tǒng)核心的部件是交流變送器和比較器。

對交流變送器的要求是：能夠將交流電轉換為直流電，且其轉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，半波整流器產生的電壓為原交流電壓的90%，全波為100%，所以交流220V 其產生的電壓最小為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，導致后續(xù)的控制設計困難，因而舍棄。最終選擇了交流電壓變送器，其可將AC 0～300V 轉換為DC 0～10V，且其轉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上，著手選擇另一個核心部件比較器。

對比較器的要求是：能夠對交流電壓變送器輸出的直流電壓進行比較處理，當輸入電壓低于下限電壓時，輸出一個正向控制信號；當輸入電壓高于上限電壓時，則輸出一個反向控制信號；當輸入電壓處于兩上下限電壓之間時，則無控制信號輸出。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置具備三種功能。功能一：輸入一個電壓與模塊上設定的基準電壓對比，當輸入的電壓大于基準電壓時，繼電器閉合（11-10 閉合，11-12 斷開）；當輸入的電壓小于基準電壓時，繼電器不動作。功能二：分別輸入待比較的電壓A和B，當A>B 時，繼電器閉合（11-10 閉合，11-12 斷開），當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24V 直流電源。此外還需要交流接觸器，用于控制推桿機構的正反向運行。這里需要兩臺接觸器以實現(xiàn)自鎖和互鎖。這兩種器件均為通用型號，不在贅述。

1.3 電路設計

通過上述分析，控制部分的電氣線路如圖4 所示。

圖4 自動調速穩(wěn)壓裝置電氣線路圖

因為所選柴油發(fā)電機無法通過自動調節(jié)電路實現(xiàn)啟動和熄火，所以電氣線路被設計成手動和自動兩種模式，兩種模式之間的切換通過開關來實現(xiàn)；手動模式主要用來啟動和關閉柴油機，也可用來在自動模式發(fā)生故障時作應急使用，手動線路由正轉開關，反轉開關，KM1/KM2 接觸器組成；通過互鎖原理，KM1/KM2 接觸器連接在24V 直流電源與電動推桿之間進行互鎖，開關KM1 接觸器控制正轉開關，開關KM2 接觸器控制反轉開關，來實現(xiàn)柴油發(fā)電機的啟動和控制發(fā)電壓輸出；使用電壓比較模塊將發(fā)電機輸出電壓與基準電壓進行比較，將基準電壓設定為最高為230V（7.68 V）、最低為220V（7.37 V），通過電壓比較模塊的開關閉合開啟來實現(xiàn)控制電推桿的通斷電，進而控制柴油機供油量：當電壓超過230 V 時，電動機反轉，帶動調速裝置降低柴油機供油量，降低轉速，電壓下降；當電壓低于220 V 時，電動機正轉，帶動調速裝置增加柴油機供油量，提高轉速，電壓上升；在使用電壓比較模塊時，不能直接使用交流電壓輸入，需要使用直流電信號進行輸入，所以要使用交流電壓變送器，將交流電轉換成直流電信號，輸入到電壓比較模塊上進行比較，電壓比較后得到信號控制電壓比較模塊上繼電器的通斷，繼電器與KM1/KM2 相連接，用來控制調速裝置；因為需要實現(xiàn)手動和自動兩種模式，所以需要配置一個轉換開關，向左撥動時實現(xiàn)自動模式，向右撥動時實現(xiàn)手動。

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

1.4 電路調試與成品制作

（1）比較器基準電壓的確定

比較器基準電壓是自動調速穩(wěn)壓裝置正常運行的基礎，因此確定基準電壓十分重要。具體做法是：利用維修電工實訓測試臺模擬發(fā)電機產生～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，此時正向緩慢調節(jié)電壓比較器上第一路的電位器，當聽到“咔”的一聲時停止調整，并在電位器上用紅油漆封涂。此時電位器的電壓就是低端基準電壓7.37V；然后再利用維修電工實訓測試臺模擬發(fā)電機產生～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，重復第一路的調節(jié)動作，當聽到“咔”的一聲時停止調整，并在電位器上用紅油漆封涂。此時的電位器的電壓就是高端基準電壓7.68V。

在調試過程中，出現(xiàn)了這種情況：當電位器調到7.37V時，電壓比較器的輸出繼電器頻繁吸合與斷開，并出現(xiàn)了觸點打火的現(xiàn)象。這是因為7.37V 是電壓比較器對應交流220V 的臨界點，是不穩(wěn)定的，所以才會出現(xiàn)繼電器頻繁通斷的狀況。但這并不會影響到實際電路的運行，因為柴油機通過油門桿加減油時，其轉速改變會有一定程度的滯后性，使得發(fā)電機輸出的電壓變化也具有了滯后性，所以當實際的轉速已經達到要求時，但電壓并未及時到達臨界點，因此控制系統(tǒng)繼續(xù)輸出調速信號使得其平穩(wěn)度過臨界點。

（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玻璃板上，并進行固定。原則是便于接線，利用調試。接線完畢后對電路所需功能進行測試。利用維修電工實訓測試臺模擬發(fā)電機發(fā)電過程，對電路功能進行試驗，即通電后KM1 接觸器是否吸合，接通正向信號，當交流電壓逐漸增大并達到～220V 時，KM1 接觸器是否斷開，切斷正傳信號；當交流電壓超過～230V 時，KM1 接觸器是否吸合，接通反向信號，并且在當交流電壓逐漸減小并低于～230V 時，是否斷開反向信號。

當電氣線路通過測試后，為使整個控制電路美觀，方便操作、儲存和搬運。將所有元器件放入控制箱內，并對整體布局，線路進行重新規(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、輸出直流電動推桿信號防插錯插座，用于市電接入和直流控制信號輸出。

圖5 電氣線路控制箱外觀

圖6 電氣線路控制箱內部接線

2 機械裝置設計與實現(xiàn)

機械裝置就是調速裝置的執(zhí)行部分，用于推動柴油機油門調節(jié)手柄，實現(xiàn)轉速調節(jié)，進而實現(xiàn)發(fā)電機組的調壓功能。

2.1 方案選擇

可采用自動拉線式油門控制器和直流電機電動推桿兩種實現(xiàn)方案。

自動拉線式油門控制器通過行程限位調節(jié)油門，即升速鋼絲繩往里拉，降速鋼絲繩往外伸，到達位置自動停止。位置由背后的旋鈕設定。

直流電機電動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，推桿向內收縮，油門手柄向下移動，供油量增加，柴油機轉速增加，達到規(guī)定電壓時，推桿停止運行。

自動拉線式油門控制器方案結構簡單，拉線與油門手柄相連，構簡單，不需考慮油門手柄弧形位移。但只能設置兩個固定位置，不能實現(xiàn)自由調節(jié)。

直流電機電動推桿方案結構也不復雜，能夠實現(xiàn)自由調節(jié)。缺點是電動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動時弧形軌跡。

這里，我們重點考慮調節(jié)的便利性和通用性，因此采用直流電機電動推桿方案。

2.2 機械部分設計要求及實現(xiàn)

2.2.1 機械部分設計要求

針對柴油機的具體情況，給出了以下幾條設計要求：

（1）機械裝置設置行程應滿足既不會拉斷油門手柄又能滿足發(fā)電電壓調整要求；（2）油門桿運動軌跡為弧形，機械裝置帶動油門桿運動應滿足這一條件；（3）機械裝置安裝固定后不應影響手搖啟動柴油機；（4）機械裝置穩(wěn)定可靠，在柴油機震蕩條件下不易松動，不影響動作實現(xiàn)。

2.2.2 連接件長孔尺寸的確定

連接件長孔用途有兩個，一個是為了抵消推桿和油門桿行程差位移，另一個是為了實現(xiàn)油門桿弧形運動。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就會停機，所以裝置設置行程只需55mm 即可滿足要求。如果發(fā)生故障，比如發(fā)電機組的實際輸出已經超過了規(guī)定值，而比較器沒有給出停止調節(jié)信號，則此時電動推桿繼續(xù)運行可能會損壞連接件。因此，考慮到裝置的安全運行，在連接件鐵片上開有長度為45mm孔，用于抵消行程差。

還有一個問題是確定連接件長孔的寬度。由于電動推桿的運行軌跡為直線，而柴油機油門桿的運行軌跡為弧線，若直接相連則會造成不匹配。不管是按照油門桿最長位移連接還是最短位移連接，均會造成連接件在上下運動過程中卡住油門桿。因此，需要合理確定連接件長孔的寬度。如圖7 所示，弧線^AB 為油門桿的運行軌跡，CD 即為連接件長孔的寬度。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為油門桿的運行軌跡上下兩端的距離，r為弧線^AB 對應圓的半徑。因此只要測得AB的長度和油門桿運動軌跡半徑即可確定連接件長孔的寬度。

在實際計算時，由于弧線^AB 的半徑測量難以精確，加上油門桿有一定的寬度，所以在計算的基礎上，經反復試驗，給出了一個經驗值，即連接件長孔的寬度以2.5 倍油門桿直徑為宜。

2.2.3 機械執(zhí)行部分的實現(xiàn)

為了更好地說明機械執(zhí)行部分的實現(xiàn)過程，給出了圖8柴油機調速裝置機械部分示意圖。

圖8 柴油機調速裝置機械部分示意圖

執(zhí)行的主要部件選定直流電機電動推桿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。當輸出電壓小于230V 時，推桿收到信號開始收縮，油門桿向下移動，供油量增加，柴油機轉速增加，電壓隨之升高；當供電電壓高于230V 時，推桿收到信號開始拉伸，油門桿向上移動，供油量減小，柴油機轉速減小，電壓隨之降低。

機械部分將直流電機電動推桿3 的底部通過螺栓固定在柴油機底座上，在油門桿左側下方，即便于實現(xiàn)運動，又不影響柴油機手動啟動。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，上端通過長孔41 與油門桿2 相連。由于柴油機運轉時振動大，為了提高機械執(zhí)行部分的運行穩(wěn)定性，故在直流電機電動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 機械執(zhí)行部分的安裝

3 結束語

本文設計并制作了一種發(fā)電機組自動調速穩(wěn)壓裝置，其結構設計簡捷穩(wěn)定可靠，在啟動柴油發(fā)電機后，能夠自動調節(jié)柴油機油門，使發(fā)電機穩(wěn)定輸出220V～230V 范圍內電壓，即使在工作過程中柴油發(fā)電機的輸出電壓發(fā)生波動，或發(fā)動機負載始終處于變化的過程中，該裝置也能迅速進行調節(jié)，使輸出電壓趨于平穩(wěn)。

該裝置不僅能為手動調速柴油發(fā)電機組自動調速改裝提供了一種樣例，而且也可作為院校課目化實操教學、理實一體教學的綜合制作考核科目，從而鍛煉學生的方案設計、器件選型、安裝調試和工具使用等能力。