電力施工用汽油機發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)設計

喬光林，李鐵英，易明陽

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130021；2吉林省送變電工程有限公司，長春 130022)

隨著國家電網(wǎng)建設的快速發(fā)展，輸電線路施工工程也逐步增多。在施工中經(jīng)常采用各種電動設備，如電動扭力扳手、絞磨機、電焊機等，而張牽設備啟動、報話機、多旋翼遙控飛機等也多采用電瓶供電的方式。野外施工中如使用電控設備需配置發(fā)電機進行供電，會增加運營成本，造成能源浪費。在輸電線路施工中經(jīng)常采用汽油機型工器具(絞磨機、液壓機等)，在汽油機上安裝發(fā)電裝置不僅可以有效地減少附加設備與體積，也可以滿足復雜的工作環(huán)境下其他用電設備的開發(fā)與利用。

1 設計目標

以導線壓接液壓機上配套的汽油機為基礎，根據(jù)輸電線路施工現(xiàn)場的特點和使用環(huán)境，設計開發(fā)出一套適合現(xiàn)場施工的供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時提供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，通過對整流元件功率的選擇與取樣電壓的不同標定，即可方便地調(diào)整輸出電源的電壓與功率限制。本例應用中電壓標定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)動器、電控溢流閥、電控換向閥等供電，還可以對電瓶充電。220 V電源可以驅(qū)動伺服電機、絞磨機等電控設備。

供電系統(tǒng)設計包括3個方面：發(fā)電裝置的安裝、電控啟動系統(tǒng)改造、增加三相半控整流穩(wěn)壓裝置。原型機選用SY-BJQ-3000/94-C型液壓機，動力源為本田168F汽油機。汽油機為四沖程、風冷、頂置氣門型式，啟動方式為手拉式，主要參數(shù)見表1。

表1 168F汽油機主要參數(shù)

2 安裝發(fā)電裝置

選用與電力施工用汽油機配套的三相永磁外轉(zhuǎn)子交流發(fā)電機，規(guī)格為18N12P，全功率可達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，室外應急電源，電瓶臨時充電、張牽設備發(fā)動機啟動救援等功能。發(fā)電機定子線圈與168F汽油機曲軸輸出端邊蓋預留孔吻合，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)電機外轉(zhuǎn)子磁鋼代替汽油機飛輪，將傳統(tǒng)的發(fā)電機安裝位置由發(fā)動機曲軸輸出端更改為發(fā)動機飛輪安裝端，通過一個八孔法蘭盤，將定子線圈成功安裝到原機預留空置孔位，解決定子線圈安裝孔徑不同問題，將定子線圈固定在汽油機飛輪側(cè)。將外轉(zhuǎn)子磁鋼通過特殊加工安裝孔徑裝配到原機飛輪位置，不增加發(fā)動機外部尺寸，不添加活動部件。解決電力供應的同時保證了液壓全自動平臺的發(fā)動機原有機械技術指標與各項使用技術要求。

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)邊蓋預留孔一致，飛輪側(cè)預留孔距為74 mm。通過外加工8孔法蘭盤，將線圈安置于飛輪側(cè)安裝孔。原汽油機飛輪上安裝有發(fā)動機散熱風扇，拉盤啟動杯、點火觸發(fā)磁鐵。

現(xiàn)有發(fā)動機外轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)僅能滿足發(fā)電任務，不能滿足上述要求，所以需要對外轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)重新設計。首先測繪原外轉(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；測量風扇安裝定位銷柱尺寸并在轉(zhuǎn)子對應位置開孔，實現(xiàn)風扇無損安裝；最后啟動拉盤杯，風扇，轉(zhuǎn)子磁鋼通過原來飛輪螺栓緊固到曲軸。經(jīng)過實際測試，在不改變原機性能與幾何尺寸前提下，實現(xiàn)發(fā)電機與汽油機無損安裝。

3 改造汽油機電控啟動系統(tǒng)

168F通用型汽油機出廠設計無電啟動裝置。在啟動過程中，拉盤啟動方式需人工手動操作，經(jīng)常出現(xiàn)拉盤繩磨損斷裂、拉盤棘輪卡死等故障，特別在北方冬季低溫環(huán)境，發(fā)動機潤滑不良、啟動阻力增大、汽油霧化不良會產(chǎn)生發(fā)動機啟動時反彈現(xiàn)象，手動快速拉扯過程的反彈還會導致操作人員肌肉拉傷等安全隱患，故本設計需要對汽油機進行電控啟動系統(tǒng)改造。

選用三相無刷電機驅(qū)動控制器，產(chǎn)生三相對稱電流驅(qū)動永磁同步電機，設定啟動頻率為40 Hz，電源限流值40 A，實測啟動轉(zhuǎn)速可達350 r/min，啟動迅速有力，為設備自動、主動、遠程控制奠定基礎。為防止啟動后發(fā)電機產(chǎn)生的電壓反饋給三相無刷驅(qū)動控制器，在啟動驅(qū)動電路中加入防逆保護環(huán)節(jié)，保護原理為利用斯密特電壓比較觸發(fā)器檢測U、V、W三相電源電壓值，在電壓26 V以下時比較器不動作，控制繼電器常閉觸點保持接受來自于啟動開關的啟動信號，當發(fā)動機啟動完成或者轉(zhuǎn)速超過1 400 r/min時，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動繼電器常閉觸點吸合，切斷啟動電路從而完成永磁電動系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電系統(tǒng)，防止誤操作。保護啟動驅(qū)動器，蓄電池及發(fā)電機，同時觸發(fā)器信號指令驅(qū)動低壓電磁閥電源，高壓電源吸和，完成整個系統(tǒng)自動加電。當發(fā)動機正常運行過程再次按壓啟動開關，啟動信號被驅(qū)動繼電器常開觸點引入熄火延時電路，切斷點火器電源使發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)。發(fā)動機熄火后觸發(fā)器因為檢測電壓的降低，將釋放系統(tǒng)電源實現(xiàn)系統(tǒng)自動關機。 整個電源系統(tǒng)控制面板由一個自鎖開關接通、斷開信號電源，一個自復位開關實現(xiàn)發(fā)動機啟動、熄火。 通用汽油機電控點火系統(tǒng)，將168F汽油機原電感蓄能無觸點磁電機點火方式改造成無觸點自動進角電子點火方式。

4 增加三相半控整流穩(wěn)壓裝置

原機為三相永磁交流發(fā)電機，缺陷為隨著轉(zhuǎn)速與負載的變化輸出電壓相應變化，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。改造前汽油機電路原理圖見圖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)定在設計值范圍內(nèi)，加入穩(wěn)壓整流裝置。計算結(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。改造后汽油機電路原理圖見圖2。增加三相半控整流穩(wěn)壓裝置過程如下。

圖1 改造前汽油機電路原理圖

圖2 改造后汽油機電路原理圖

a.基準采樣電路電壓基準元件選用TL431。TL431是可控精密穩(wěn)壓源模塊，只有3個引腳，簡單易用。其輸出電壓用2個電阻就可以任意設置到從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)電機完全相同的3個線圈繞組。其相位差為120°，按“三角形”接法，首尾端接于一點。通過合理設計使定子線圈匝數(shù)達到發(fā)電要求，考慮到整流效率，發(fā)電電壓不易設計過高，電壓對應怠速1 400 r/min，到全速3 600 r/min，電壓值從26 V升高到72 V。發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低或者負荷增大時，輸出電壓也低，小于目標穩(wěn)壓值，比較器輸入端信號為正，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通狀態(tài)；對應橋臂上的正半波電壓到來時，可控硅陰極電位高于陽極和控制極，可控硅流過電流，與下橋臂對應二極管配合，進行全波整流，提高輸出電壓。輸出電壓高于設定值時候，取樣點電壓會超過基準電壓，觸發(fā)器輸入端電位為正，比較器翻轉(zhuǎn)，可控硅觸發(fā)器不再對可控硅控制極提供電壓信號，可控硅延時至無正向電壓時關斷，逐相關閉定子繞組供電回路，迫使輸出電壓下降。電壓值低于設定值后，觸發(fā)電路再次啟動，可控硅導通，周而復始，通過移相、斬波、整流，保證永磁發(fā)電機輸出穩(wěn)定的直流電壓，給用電設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。為了在不依賴外界電源(蓄電池)條件下，使發(fā)電機額定電壓建立前整流器投入工作，控制器增設一級小功率可控硅開關，提供給控制極電源，同時把控制系統(tǒng)中輸出電壓信號轉(zhuǎn)化成電流信號，驅(qū)動大功率可控硅，使功率器件更有效接受控制。采用電壓輸出信號的電壓型比較器比電流輸出型比較器的電路簡化，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.超壓過流保護、過壓保護由壓敏器件構(gòu)成，壓敏器件穩(wěn)壓值設定在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，同時控制端電位升高，整機切斷輸出。過流保護采用大功率電阻取樣電流方法，標準電阻串聯(lián)在保護三極管基極與集電極之間，當電流超過時，流過電阻的電流將產(chǎn)生大于0.7 V的電壓，此電壓大于三極管基極導通電壓，三極管導通，將比較器電位拉低，閉鎖比較器輸出，保護了發(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關產(chǎn)生的電壓，同時阻擋感性執(zhí)行元件通斷產(chǎn)生的尖峰電壓干擾整流器取樣電壓標準值，進而使輸出電壓穩(wěn)定安全。

e.整體布局安裝印制電路板(PCB)及元件排列。PCB設計為雙面板，強弱電流器件分開布置，大電流走線覆錫。小功率器件均采用獨立插件，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)氧樹脂灌封成整體，防潮，防塵，絕緣，抗沖擊，抗震動。

5 結(jié)論

電力施工用汽油機發(fā)電系統(tǒng)設計解決了送變電施工現(xiàn)場常用電問題，避免了額外的購買發(fā)電機及運輸?shù)认嚓P情況。該設備在不改變原結(jié)構(gòu)和性能的情況下提供的電源可帶動電動扳手等施工工器具，還可以對報話機、張牽設備電瓶進行充電，提高了施工生產(chǎn)的效率，同時可采用按鈕對發(fā)動機進行一鍵電子啟動，避免了人工拉繩啟動會導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。