柴油發電機組自動調速穩壓裝置設計與實現

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

柴油發電機組作為重要的供電設備，廣泛應用于通信、軍事、醫院等重要場合[1,2]，其轉速的變化不僅影響發電頻率，還直接影響發電機組輸出電壓。由于柴油發電機組工作環境的復雜性，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，并保持發電機轉速是比較困難的[2]。因此，對于發電機組來講，調速穩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電機組調速穩壓裝置的工作過程是：對于兩對磁極的同軸傳動無刷發電機，將柴油機轉速調整至1500 轉/分，對應50Hz，然后通過AVR 可控硅勵磁調節器進行穩壓，從而達到穩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的有刷發電機組自動調速改造或皮帶傳動的發電機組則難以應用。

為此，本文設計了一種自動調速穩壓裝置，不僅能夠控制不同傳動方式下發電機組的電壓穩定輸出問題，而且造價低，通用性強。此外，此調速穩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

手動柴油發電機組從啟動到進入工作狀態（穩定輸出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電機后，在發電機負載發生變化時，能不斷自動調節柴油機油門，使其持續穩定輸出220V 電壓的裝置，即使在工作過程中柴油發電機的輸出電壓發生波動，或發動機負載始終處于變化的過程，該裝置也能迅速進行調節，使輸出電壓趨于平穩。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，通過自動調節部件增加柴油機的轉速，使發電電壓上升；若大于與基準電壓，則輸出比較信號，通過自動調節部件降低柴油機的轉速，使發電電壓下降；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反饋回路，功能上也基本實現了本文所提出的要求，所以根據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 自動調速穩壓裝置電氣線路圖

因為所選柴油發電機無法通過自動調節電路實現啟動和熄火，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；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，來實現柴油發電機的啟動和控制發電壓輸出；使用電壓比較模塊將發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，向左撥動時實現自動模式，向右撥動時實現手動。

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，并出現了觸點打火的現象。這是因為7.37V 是電壓比較器對應交流220V 的臨界點，是不穩定的，所以才會出現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，因此控制系統繼續輸出調速信號使得其平穩度過臨界點。

（2）成品制作

先根據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電機發電過程，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，線路進行重新規劃，優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

機械裝置就是調速裝置的執行部分，用于推動柴油機油門調節手柄，實現轉速調節，進而實現發電機組的調壓功能。

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方案。

自動拉線式油門控制器通過行程限位調節油門，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，不能實現自由調節。

直流電機電動推桿方案結構也不復雜，能夠實現自由調節。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

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）機械裝置穩定可靠，在柴油機震蕩條件下不易松動，不影響動作實現。

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。如果發生故障，比如發電機組的實際輸出已經超過了規定值，而比較器沒有給出停止調節信號，則此時電動推桿繼續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 機械執行部分的實現

為了更好地說明機械執行部分的實現過程，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，為了提高機械執行部分的運行穩定性，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 機械執行部分的安裝

3 結束語

本文設計并制作了一種發電機組自動調速穩壓裝置，其結構設計簡捷穩定可靠，在啟動柴油發電機后，能夠自動調節柴油機油門，使發電機穩定輸出220V～230V 范圍內電壓，即使在工作過程中柴油發電機的輸出電壓發生波動，或發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，使輸出電壓趨于平穩。

該裝置不僅能為手動調速柴油發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。