柴油发电机组自动调速稳压装置设计与实现

张铁英，王丽婷，宋超，许宜贺

（海军航空大学，山东烟台，264001）

0 引言

柴油发电机组作为重要的供电设备，广泛应用于通信、军事、医院等重要场合[1,2]，其转速的变化不仅影响发电频率，还直接影响发电机组输出电压。由于柴油发电机组工作环境的复杂性，符合变化的实时性，导致通过控制油量来同时满足输出转矩和负荷转矩，并保持发电机转速是比较困难的[2]。因此，对于发电机组来讲，调速稳压装置是不可或缺的装置之一。目前，以柴油机为原动力的交流同步无刷发电机组调速稳压装置的工作过程是：对于两对磁极的同轴传动无刷发电机，将柴油机转速调整至1500 转/分，对应50Hz，然后通过AVR 可控硅励磁调节器进行稳压，从而达到稳定输出额定电压和额定频率的目的[5～7]。不过，这种调速调压装置虽然精度比较高，但是价格贵，且一般与交流同步无刷发电机组配套使用，通用性不强[3～4]。比如：对于出厂为手动调节的有刷发电机组自动调速改造或皮带传动的发电机组则难以应用。

为此，本文设计了一种自动调速稳压装置，不仅能够控制不同传动方式下发电机组的电压稳定输出问题，而且造价低，通用性强。此外，此调速稳压装置也可以作为院校课目化实操教学的综合制作考核科目，从而提升学生的方案设计、器件选型、安装调试等能力。

1 控制方案设计及实现

手动柴油发电机组从启动到进入工作状态（稳定输出220V 电压）这个过程，一般需要人为操控和调整。本文的目标是设计制作一种在启动柴油发电机后，在发电机负载发生变化时，能不断自动调节柴油机油门，使其持续稳定输出220V 电压的装置，即使在工作过程中柴油发电机的输出电压发生波动，或发动机负载始终处于变化的过程，该装置也能迅速进行调节，使输出电压趋于平稳。此外，该装置应当尽可能简单可靠高效。

1.1 控制装置原理

为实现目标，同时进一步理清思路，确立设计方向，首先对调速装置的原理方案进行设计，如图1 所示。当发电机组启动后，输出交流电压被线性转化为直流电压，并与之对应的基准电压（对应～220V）进行比较，若小于基准电压，则输出比较信号，通过自动调节部件增加柴油机的转速，使发电电压上升；若大于与基准电压，则输出比较信号，通过自动调节部件降低柴油机的转速，使发电电压下降；否则，不输出比较信号。从图1 中可以看出整个原理图为闭环反馈回路，功能上也基本实现了本文所提出的要求，所以根据原理图来选择所需元器件，并在此基础上进行路实验设计。

图1 调速装置的原理框图

1.2 电路主要元器件选择

由调速装置原理可知，控制系统核心的部件是交流变送器和比较器。

对交流变送器的要求是：能够将交流电转换为直流电，且其转换具有良好的线性特征，使其便于控制。方案之一是采用整流器。整流器分为半波整流和全波整流，半波整流器产生的电压为原交流电压的90%，全波为100%，所以交流220V 其产生的电压最小为190V 以上，而后续的电压比较器多为小电压比较，因此很难匹配。此外，整流器的线性较差，导致后续的控制设计困难，因而舍弃。最终选择了交流电压变送器，其可将AC 0～300V 转换为DC 0～10V，且其转换具有良好的线性特性，满足要求，如图2 所示。

图2 交流电压变送器

在选择了交流电压变送器的基础上，着手选择另一个核心部件比较器。

对比较器的要求是：能够对交流电压变送器输出的直流电压进行比较处理，当输入电压低于下限电压时，输出一个正向控制信号；当输入电压高于上限电压时，则输出一个反向控制信号；当输入电压处于两上下限电压之间时，则无控制信号输出。最终，选择了如图3 所示的2 路电压比较模块。此模块通过跳帽的设置具备三种功能。功能一：输入一个电压与模块上设定的基准电压对比，当输入的电压大于基准电压时，继电器闭合（11-10 闭合，11-12 断开）；当输入的电压小于基准电压时，继电器不动作。功能二：分别输入待比较的电压A和B，当A>B 时，继电器闭合（11-10 闭合，11-12 断开），当A

图3 两路电压比较器模块

电压比较模块和交流电压变送器都需要24V供电电压，所以还需选择一台24V 直流电源。此外还需要交流接触器，用于控制推杆机构的正反向运行。这里需要两台接触器以实现自锁和互锁。这两种器件均为通用型号，不在赘述。

1.3 电路设计

通过上述分析，控制部分的电气线路如图4 所示。

图4 自动调速稳压装置电气线路图

因为所选柴油发电机无法通过自动调节电路实现启动和熄火，所以电气线路被设计成手动和自动两种模式，两种模式之间的切换通过开关来实现；手动模式主要用来启动和关闭柴油机，也可用来在自动模式发生故障时作应急使用，手动线路由正转开关，反转开关，KM1/KM2 接触器组成；通过互锁原理，KM1/KM2 接触器连接在24V 直流电源与电动推杆之间进行互锁，开关KM1 接触器控制正转开关，开关KM2 接触器控制反转开关，来实现柴油发电机的启动和控制发电压输出；使用电压比较模块将发电机输出电压与基准电压进行比较，将基准电压设定为最高为230V（7.68 V）、最低为220V（7.37 V），通过电压比较模块的开关闭合开启来实现控制电推杆的通断电，进而控制柴油机供油量：当电压超过230 V 时，电动机反转，带动调速装置降低柴油机供油量，降低转速，电压下降；当电压低于220 V 时，电动机正转，带动调速装置增加柴油机供油量，提高转速，电压上升；在使用电压比较模块时，不能直接使用交流电压输入，需要使用直流电信号进行输入，所以要使用交流电压变送器，将交流电转换成直流电信号，输入到电压比较模块上进行比较，电压比较后得到信号控制电压比较模块上继电器的通断，继电器与KM1/KM2 相连接，用来控制调速装置；因为需要实现手动和自动两种模式，所以需要配置一个转换开关，向左拨动时实现自动模式，向右拨动时实现手动。

同时为了显示直观，在控制电路中增加了电源指示灯（LM1）、加油控制信号灯（LM2）和减油控制信号灯（LM3）。

1.4 电路调试与成品制作

（1）比较器基准电压的确定

比较器基准电压是自动调速稳压装置正常运行的基础，因此确定基准电压十分重要。具体做法是：利用维修电工实训测试台模拟发电机产生～220V 电压，通过交流变送器后将其连接到电压比较器的CH1-和GND 管脚上，此时正向缓慢调节电压比较器上第一路的电位器，当听到“咔”的一声时停止调整，并在电位器上用红油漆封涂。此时电位器的电压就是低端基准电压7.37V；然后再利用维修电工实训测试台模拟发电机产生～230V 电压，通过交流变送器后将其连接到电压比较器的CH2-和GND 管脚上，重复第一路的调节动作，当听到“咔”的一声时停止调整，并在电位器上用红油漆封涂。此时的电位器的电压就是高端基准电压7.68V。

在调试过程中，出现了这种情况：当电位器调到7.37V时，电压比较器的输出继电器频繁吸合与断开，并出现了触点打火的现象。这是因为7.37V 是电压比较器对应交流220V 的临界点，是不稳定的，所以才会出现继电器频繁通断的状况。但这并不会影响到实际电路的运行，因为柴油机通过油门杆加减油时，其转速改变会有一定程度的滞后性，使得发电机输出的电压变化也具有了滞后性，所以当实际的转速已经达到要求时，但电压并未及时到达临界点，因此控制系统继续输出调速信号使得其平稳度过临界点。

（2）成品制作

先根据电气线路图将所需器件合理布放到有机玻璃板上，并进行固定。原则是便于接线，利用调试。接线完毕后对电路所需功能进行测试。利用维修电工实训测试台模拟发电机发电过程，对电路功能进行试验，即通电后KM1 接触器是否吸合，接通正向信号，当交流电压逐渐增大并达到～220V 时，KM1 接触器是否断开，切断正传信号；当交流电压超过～230V 时，KM1 接触器是否吸合，接通反向信号，并且在当交流电压逐渐减小并低于～230V 时，是否断开反向信号。

当电气线路通过测试后，为使整个控制电路美观，方便操作、储存和搬运。将所有元器件放入控制箱内，并对整体布局，线路进行重新规划，优化处理后得到最终成品，如图5、图6 所示。为了操作安全、方便，在控制箱配备了市电电源三相插头、输出直流电动推杆信号防插错插座，用于市电接入和直流控制信号输出。

图5 电气线路控制箱外观

图6 电气线路控制箱内部接线

2 机械装置设计与实现

机械装置就是调速装置的执行部分，用于推动柴油机油门调节手柄，实现转速调节，进而实现发电机组的调压功能。

2.1 方案选择

可采用自动拉线式油门控制器和直流电机电动推杆两种实现方案。

自动拉线式油门控制器通过行程限位调节油门，即升速钢丝绳往里拉，降速钢丝绳往外伸，到达位置自动停止。位置由背后的旋钮设定。

直流电机电动推杆顶部通过连接装置与油门杆相连。初始位置为推杆伸到顶端，即油门处于最小的位置。工作时，推杆向内收缩，油门手柄向下移动，供油量增加，柴油机转速增加，达到规定电压时，推杆停止运行。

自动拉线式油门控制器方案结构简单，拉线与油门手柄相连，构简单，不需考虑油门手柄弧形位移。但只能设置两个固定位置，不能实现自由调节。

直流电机电动推杆方案结构也不复杂，能够实现自由调节。缺点是电动推杆通过连接装置才能与油门手柄相连，且连接装置还需考虑油门手柄运动时弧形轨迹。

这里，我们重点考虑调节的便利性和通用性，因此采用直流电机电动推杆方案。

2.2 机械部分设计要求及实现

2.2.1 机械部分设计要求

针对柴油机的具体情况，给出了以下几条设计要求：

（1）机械装置设置行程应满足既不会拉断油门手柄又能满足发电电压调整要求；（2）油门杆运动轨迹为弧形，机械装置带动油门杆运动应满足这一条件；（3）机械装置安装固定后不应影响手摇启动柴油机；（4）机械装置稳定可靠，在柴油机震荡条件下不易松动，不影响动作实现。

2.2.2 连接件长孔尺寸的确定

连接件长孔用途有两个，一个是为了抵消推杆和油门杆行程差位移，另一个是为了实现油门杆弧形运动。由于推杆行程为100mm，而油门杆垂直行程为58mm。由于油门杆无需推到最顶端柴油机就会停机，所以装置设置行程只需55mm 即可满足要求。如果发生故障，比如发电机组的实际输出已经超过了规定值，而比较器没有给出停止调节信号，则此时电动推杆继续运行可能会损坏连接件。因此，考虑到装置的安全运行，在连接件铁片上开有长度为45mm孔，用于抵消行程差。

还有一个问题是确定连接件长孔的宽度。由于电动推杆的运行轨迹为直线，而柴油机油门杆的运行轨迹为弧线，若直接相连则会造成不匹配。不管是按照油门杆最长位移连接还是最短位移连接，均会造成连接件在上下运动过程中卡住油门杆。因此，需要合理确定连接件长孔的宽度。如图7 所示，弧线^AB 为油门杆的运行轨迹，CD 即为连接件长孔的宽度。CD 可由下列公式来确定。

图7 连接件孔径确定示意图

其中，AB为油门杆的运行轨迹上下两端的距离，r为弧线^AB 对应圆的半径。因此只要测得AB的长度和油门杆运动轨迹半径即可确定连接件长孔的宽度。

在实际计算时，由于弧线^AB 的半径测量难以精确，加上油门杆有一定的宽度，所以在计算的基础上，经反复试验，给出了一个经验值，即连接件长孔的宽度以2.5 倍油门杆直径为宜。

2.2.3 机械执行部分的实现

为了更好地说明机械执行部分的实现过程，给出了图8柴油机调速装置机械部分示意图。

图8 柴油机调速装置机械部分示意图

执行的主要部件选定直流电机电动推杆3，将推杆顶部通过连接件4 与油门杆2 相连。初始位置为推杆伸到顶端，即油门处于最小的位置。当输出电压小于230V 时，推杆收到信号开始收缩，油门杆向下移动，供油量增加，柴油机转速增加，电压随之升高；当供电电压高于230V 时，推杆收到信号开始拉伸，油门杆向上移动，供油量减小，柴油机转速减小，电压随之降低。

机械部分将直流电机电动推杆3 的底部通过螺栓固定在柴油机底座上，在油门杆左侧下方，即便于实现运动，又不影响柴油机手动启动。连接件采用为带孔铁片4，下端通过螺栓5 与推杆端部31 相连，上端通过长孔41 与油门杆2 相连。由于柴油机运转时振动大，为了提高机械执行部分的运行稳定性，故在直流电机电动推杆的下端增加了橡胶垫片。

制作完成的成品件如图9 和图10 所示。

图9 连接件成品

图10 机械执行部分的安装

3 结束语

本文设计并制作了一种发电机组自动调速稳压装置，其结构设计简捷稳定可靠，在启动柴油发电机后，能够自动调节柴油机油门，使发电机稳定输出220V～230V 范围内电压，即使在工作过程中柴油发电机的输出电压发生波动，或发动机负载始终处于变化的过程中，该装置也能迅速进行调节，使输出电压趋于平稳。

该装置不仅能为手动调速柴油发电机组自动调速改装提供了一种样例，而且也可作为院校课目化实操教学、理实一体教学的综合制作考核科目，从而锻炼学生的方案设计、器件选型、安装调试和工具使用等能力。