3kW背負式數碼發電機組設計

郭海芹　王慶華　龔星元

摘 要： 本文對機功能及組成進行了介紹，重點對3kW背負式數碼發電機組設計方法及試驗驗證作出了分析。

關鍵詞： 數碼發電機組；逆變控制器；背架；設計

隨著我國軍事裝備的不斷發展，對小型裝備的要求越來越高，其中，小型電源裝備作為現代化裝備系統的一部分，不可或缺。近年來，數碼發電機組由于重量輕、體積小、效率高等優點在民用市場已被廣泛應用，在對體積、重量以及電性能要求比較高的軍用裝備中的應用也在逐年增加。3kW背負式數碼發電機組（以下簡稱“數碼發電機機組”）作為某武器系統配套裝備，是一個典型應用案例。

1 機組主要功能及組成

數碼發電機組根據部隊作戰需要，主要運用于野營條件下用電設備的供電，并滿足單兵背負要求。機組主要由數碼發電機和機組背架組成。

2 機組類型選擇

若實現單兵背負，機組最大重量不應超過40kg。若按傳統發電機組設計，其主要采用1500r/min或3000r/min發動機帶動一個工頻發電機進行工作，直接輸出對應要求工頻電源，由于傳統無刷勵磁發電機須有交流勵磁機和發電機的勵磁繞組，并且發電機為外置式，很難將發電機的體積、重量做小，對整個系統而言就很難做到輕量化、便攜化。傳統3kW發電機組重量一般為70kg左右，很難實現單兵背負要求。

背負式發電機組采用數碼型發電機組，將交流發電機直接與發動機結合，取消發動機飛輪，與傳統發電機組相比，數碼發電機組在尺寸和重量上減小至少50%，可以真正做到輕量化要求。

3 數碼發電機原理

數碼發電機組利用發動機帶動雙凸極中頻發電機發電，經整流后通過逆變控制器對輸出電壓進行控制，將發電機輸出的三相中頻非正弦交流電通過“交-直-交”轉換成工頻50Hz、230V的交流電源。其輸出交流電壓波形失真小，精度高，工作頻率幾乎不受負載影響。數碼發電機工作原理框圖如圖1。

4 總體結構設計

為實現輕量化目標，實現單兵背負式機組，3kW背負式數碼發電機組采用KOHLER CH270汽油機，其重量17.5kg，為同類型柴油發動機的1/2。發電機為嵌入式數碼發電機，體積和重量可以進一步減小。數碼發電機組總重量為34kg，為同功率段重量較輕，可以滿足單兵背負要求。其機組和發電機主要結構外形圖如2、圖3。

4.1 逆變控制器設計

逆變控制器作為數碼發電機控制的核心，主要將發電機輸出的電能整流濾波后得到的直流電重新變換成頻率和電壓比較穩定、受負載影響小的功率交流電。其控制電源設計的好壞很大程度上決定了供電系統輸出電壓的質量。方案中將逆變控制器安裝在發動機進風端并加裝進風導風罩，以利于逆變控制的散熱，適應高溫工作環境，經高溫50℃試驗驗證，機組高溫工作正常。

4.2 機組背架

根據單兵背負要求，數碼發電機組配有符合人機工程的機組背架，不僅采用雙肩背帶，還設置了腰部支撐，使承重受力更加合理，在肩部支點處理上，用柔軟的通氣材料隆起，使背后形成一個安部，從而良好地解決了通風性。機組背架后方設置發電機組的固定托架以及緊固器，以便機組的固定牢固。機組背架外形圖如圖4。

5 數碼發電機組與傳統發電機組對比

數碼發電機組與傳統發電機組相比具有以下優點：

a）體積小、重量輕

數碼發電機采用外轉子凸極的結構形式，將發動機和發電機融為一體，取消了發動機的飛輪，減輕了發動機的重量，另外，省去傳統機組的調速系統、勵磁系統和調壓系統，進一步降低了機組重量；數碼發電機永磁體設計成瓦形片，粘貼固定在轉子外殼的內表面上，轉子軛圈可以克服永磁體的離心力，省去了常規內轉子永磁電機所必須的轉子加固措施，提高了電機的高速運行能力；定子鐵心右冷扎硅鋼沖片疊加而成，集中繞組結構相比普通發電機的分布繞組結構不僅體積大為減小，而且電樞繞組端部比較短，用銅量比普通電機少。因此，數碼發電機組的體積和重量均大幅降低。

b）輸出電壓波形品質好

發電機輸出電壓、頻率是經逆變控制器整流輸出，其電壓和頻率波形受負載變化影響小，其電氣性能指標可以滿足GJB235A-1997中Ⅲ類電站指標要求，甚至達到GJB235A-1997中Ⅱ類指標的要求，是傳統小型發電機組無法達到的。3kW背負式數碼發電機組經過了技術指標測試、功能驗證等，測試結果見表1。

6 結束語

3kW背負式數碼發電機組目前已完成設計鑒定，從鑒定試驗和部隊試用情況看，數碼發電機組工作穩定、背負可靠，達到了預期設計目標。

參考文獻

[1]張文昌，劉海鵬，于功山，王懷杰.“嵌入式”發電機發動機一體化設計[J] 移動電源與車輛，2012（1）.