3kW背負(fù)式數(shù)碼發(fā)電機組設(shè)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(fù)式數(shù)碼發(fā)電機組設(shè)計方法及試驗驗證作出了分析。

關(guān)鍵詞： 數(shù)碼發(fā)電機組；逆變控制器；背架；設(shè)計

隨著我國軍事裝備的不斷發(fā)展，對小型裝備的要求越來越高，其中，小型電源裝備作為現(xiàn)代化裝備系統(tǒng)的一部分，不可或缺。近年來，數(shù)碼發(fā)電機組由于重量輕、體積小、效率高等優(yōu)點在民用市場已被廣泛應(yīng)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(yīng)用也在逐年增加。3kW背負(fù)式數(shù)碼發(fā)電機組（以下簡稱“數(shù)碼發(fā)電機機組”）作為某武器系統(tǒng)配套裝備，是一個典型應(yīng)用案例。

1 機組主要功能及組成

數(shù)碼發(fā)電機組根據(jù)部隊作戰(zhàn)需要，主要運用于野營條件下用電設(shè)備的供電，并滿足單兵背負(fù)要求。機組主要由數(shù)碼發(fā)電機和機組背架組成。

2 機組類型選擇

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

背負(fù)式發(fā)電機組采用數(shù)碼型發(fā)電機組，將交流發(fā)電機直接與發(fā)動機結(jié)合，取消發(fā)動機飛輪，與傳統(tǒng)發(fā)電機組相比，數(shù)碼發(fā)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(shù)碼發(fā)電機原理

數(shù)碼發(fā)電機組利用發(fā)動機帶動雙凸極中頻發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)整流后通過逆變控制器對輸出電壓進行控制，將發(fā)電機輸出的三相中頻非正弦交流電通過“交-直-交”轉(zhuǎn)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(fù)載影響。數(shù)碼發(fā)電機工作原理框圖如圖1。

4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)輕量化目標(biāo)，實現(xiàn)單兵背負(fù)式機組，3kW背負(fù)式數(shù)碼發(fā)電機組采用KOHLER CH270汽油機，其重量17.5kg，為同類型柴油發(fā)動機的1/2。發(fā)電機為嵌入式數(shù)碼發(fā)電機，體積和重量可以進一步減小。數(shù)碼發(fā)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(fù)要求。其機組和發(fā)電機主要結(jié)構(gòu)外形圖如2、圖3。

4.1 逆變控制器設(shè)計

逆變控制器作為數(shù)碼發(fā)電機控制的核心，主要將發(fā)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(wěn)定、受負(fù)載影響小的功率交流電。其控制電源設(shè)計的好壞很大程度上決定了供電系統(tǒng)輸出電壓的質(zhì)量。方案中將逆變控制器安裝在發(fā)動機進風(fēng)端并加裝進風(fēng)導(dǎo)風(fēng)罩，以利于逆變控制的散熱，適應(yīng)高溫工作環(huán)境，經(jīng)高溫50℃試驗驗證，機組高溫工作正常。

4.2 機組背架

根據(jù)單兵背負(fù)要求，數(shù)碼發(fā)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(shè)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(fēng)性。機組背架后方設(shè)置發(fā)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(shù)碼發(fā)電機組與傳統(tǒng)發(fā)電機組對比

數(shù)碼發(fā)電機組與傳統(tǒng)發(fā)電機組相比具有以下優(yōu)點：

a）體積小、重量輕

數(shù)碼發(fā)電機采用外轉(zhuǎn)子凸極的結(jié)構(gòu)形式，將發(fā)動機和發(fā)電機融為一體，取消了發(fā)動機的飛輪，減輕了發(fā)動機的重量，另外，省去傳統(tǒng)機組的調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)和調(diào)壓系統(tǒng)，進一步降低了機組重量；數(shù)碼發(fā)電機永磁體設(shè)計成瓦形片，粘貼固定在轉(zhuǎn)子外殼的內(nèi)表面上，轉(zhuǎn)子軛圈可以克服永磁體的離心力，省去了常規(guī)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機所必須的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)相比普通發(fā)電機的分布繞組結(jié)構(gòu)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(shù)碼發(fā)電機組的體積和重量均大幅降低。

b）輸出電壓波形品質(zhì)好

發(fā)電機輸出電壓、頻率是經(jīng)逆變控制器整流輸出，其電壓和頻率波形受負(fù)載變化影響小，其電氣性能指標(biāo)可以滿足GJB235A-1997中Ⅲ類電站指標(biāo)要求，甚至達到GJB235A-1997中Ⅱ類指標(biāo)的要求，是傳統(tǒng)小型發(fā)電機組無法達到的。3kW背負(fù)式數(shù)碼發(fā)電機組經(jīng)過了技術(shù)指標(biāo)測試、功能驗證等，測試結(jié)果見表1。

6 結(jié)束語

3kW背負(fù)式數(shù)碼發(fā)電機組目前已完成設(shè)計鑒定，從鑒定試驗和部隊試用情況看，數(shù)碼發(fā)電機組工作穩(wěn)定、背負(fù)可靠，達到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

參考文獻

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