液压式柴油发电机转速控制系统应用

王永佳 石 光 郑玉成

（1.沈阳东北电力调节技术有限公司，辽宁 沈阳 110179；2.天津机电职业技术学院，天津 300350）

0 引言

户外施工现场焊接主要通过综合焊接车上的柴油发电机组提供电源，但现有的国产发电机组转速受负载变化的影响较大，而且转速的调整时间过长，导致焊接时经常出现缺陷，影响工作效率。为了解决这些问题，笔者在参照国外同类型产品的基础上开发了液压式柴油发电机转速控制系统，经过一段时间的努力该控制系统研究已告一段落，实验室和现场试验结果表明该控制系统能达到预期目标，为该项技术的应用与推广提供了技术支撑。

1 控制方案

1.1 控制方案

根据现场提供的ARCOTRAC6液压系统图和相关叙述材料，发电机与液压马达驱动相连，这样柴油发电机组转速控制系统就可简化为液压泵控制液压马达的闭式液压控制系统。

闭式系统多应用于工程机械中，目前国内大多的工程车辆所使用的闭式液压系统全部是进口的，国内的几大工程机械生产商也都相继与国外相关公司合资，产品的主要液压元件还是使用进口元件。考虑到该控制系统的可靠性及户外作业环境的恶劣性，提出如下控制方案。

液压泵选用比例变量泵，该液压泵由比例压力阀控液压泵，响应高，反应快并且泵体集成各种闭式系统必需的保护、补油液压阀，同时带有过滤器。液压马达选用高速液压马达，具有压力过载保护功能，比例液压泵直接通过管路与液压马达连接，不需要外加各种保护液压阀类。高速液压马达通过联轴器与发电机轴连接，通过调节比例液压泵中比例压力阀的控制电流控制比例液压泵的排量，达到控制高速液压马达转速的目的。该控制回路可通过单片机控制比例液压泵的比例压力阀，转速信号（反馈信号）从发电机侧的转速传感器传回，这样就形成了一个闭环控制回路。当外界负载发生变化时，通过控制器控制比例液压泵的排量，就能始终保持高速液压马达（发电机）的转速恒定。

1.2 主要元件选型计算和液压原理图

为了确定高速液压马达和比例液压泵的型号，需要计算出发电机在满负荷下的轴扭矩，如公式（1）所示。

式中：为扭矩（N·m）；为功率（kW）；为转速（r/min）。

不考虑各种损失，可以计算出理论要求扭矩，在不计各种效率时，该扭矩就是液压马达的输出扭矩。根据液压马达的扭矩和功率，可以选定液压马达排量，并确定液压马达型号；再根据提供的发动机转速，确定比例液压泵的排量和型号。

1.3 液压原理图

在液压系统控制中，比例液压泵组作为系统速度控制的核心部件，其控制原理及机能选择决定了系统的运行效果，因此在综合考虑现场使用工况与性能要求后确定液压系统工作原理图。由图1可知，液压油通过主泵吸入，通过并联的主泵安全阀与过滤器（自带安全阀），进入控制阀组。为了防止主泵安全阀失效造成系统油路超压，主油路上设置系统安全阀，起到双重保护作用。当液压油同时进入电液比例阀A和电液比例阀B，电液比例阀上比例电磁铁根据输入的电流信号指令推动阀芯滑块A。阀芯滑块A通过连杆同时带动三位四通阀与阀芯滑块B偏移，当三位四通阀发生偏移的同时，液压油进入阀芯滑块B并推动其移动，带动变量泵的流量与方向发生变化，进而控制系统的流量与方向。

图1 柴油发电机转速控制系统液压原理图

为了保证高速液压马达动作稳定，在高速液压马达中设置了背压机构。当变量泵输出的压力油同时进入液压马达，液压马达在变量泵提供的压力油驱动下动作并且其排油作为变量泵的进油，形成了闭式回路系统。当系统压力过高或者流量过大时，压力油会通过高速液压马达总成中背压机构释放，保证液压马达运行平稳。

1.4 连接示意图

发电机与高速液压马达固定在同一基座，通过罩子、马达联轴器、弹性柱销及法兰等零件与高速液压马达连接。考虑到发电机与高速液压马达保持同轴度的要求，马达联轴器采用弹性柱销连接。同时，高速液压马达通过软管连接（后期优化为硬管连接），与比例液压泵油路连通。比例液压泵与柴油发动机通过联轴器连接。为了实现闭环控制，在马达联轴器上设置了一个测速齿轮，并将相应的磁阻传感器固定在支架上。当马达联轴器带动测速齿轮转动时，磁阻传感器将实际转速信号反馈至控制器，控制器结合给定转速信号与实际转速信号进行计算，根据计算结果调节液压泵的各项参数，达到控制高速液压马达转速的目的。所有液压元件均需要考虑户外使用要求及防护要求，该系统在装配并应用后根据外形尺寸，在野外作业车辆上安装简易防护罩，美观的同时起到风沙防护、锈蚀防护的作用，保障设备安全。

图2 高速液压马达与发电机连接示意图

图3 柴油发电机转速控制系统控制方框图

1.5 系统控制方框图

柴油发动机、液压泵、液压马达及发电机组装连接后，通过设置在支架上的磁阻传感器采集发电机转速信号，将采集到的实际转速信号反馈至控制器，控制器结合转速给定值，经计算后通过调节比例液压泵的比例压力阀的控制电流实现对比例液压泵的排量控制，最终实现发电机转速控制。

2 试验

2.1 柴油发电机的实际工作回路

根据系统控制方案，组装相关元件。按照柴油发电机的实际工作回路顺序（如图4所示），依次连接柴油发动机、液压泵、液压马达及发电机。

图4 柴油发电机的实际工作回路方框图

该系统主要由液压元件连接组成，通过电子测速元件采集转速信息，因此试验过程中需要重点关注液压元件连接的可靠性以及系统施加负载后运行效果。其中，液压元件重要连接部位包括发电机与高速液压马达的连接，重点关注系统运行过程中的同轴度情况（如：振动、噪声及发热现象）。对于比例液压泵与柴油发动机的连接，应重点关注系统运行过程中的同轴度、连接件的紧固性（如：松动状态）及磨损状态（如：联轴器齿轮磨损状态）。还有，系统运行过程中测速齿轮是否有动能失衡或位移现象以及磁阻传感器在振动情况下的牢固性及系统传动效率。此外，电气方面重点关注磁阻传感器采集发电机转速信号的稳定性与连续性（如：连续输出信号值的偏差现象、信号值的缺失及信号值响应性）。

2.2 出厂试验

出厂试验阶段重点关注现场工况的模拟，因此出厂试验回路应与系统控制方案一致，通过有效数据来满足现场工况的需要。由于试验室没有柴油发动机，所以出厂试验时只能模拟现场工况，利用变频调速电机驱动液压泵，同时将电焊机作为负载，其余元件与实际使用相同。

出厂试验重点关注系统运行效果，因此需要尽可能地模拟现场可能发生的各种工况。并且在试验期间寻找潜在的影响系统运行的不确定因素，提前发现问题并解决问题。因此试验过程需要分阶段、逐步推行与验证，所以试验方案的设置、试验设备的选定及试验环境的模拟等需要认真考量后制定，这也是关系到系统现场应用效果的关键因素，如：使用变频调速电机替代柴油发动机是利用变频电机的特性，可以与比例液压泵进行匹配，并且通过调整电流得到不同转速，模拟不同参数下的工况，更好地掌握系统性能。

负载是工况模拟的重要环节，是验证系统性能的重要设备。考虑到柴油发电机现场实际负载绝大部分为电焊机，因此为了使系统运行最大限度地接近实际使用工况，在试验过程中准备了四台不同功率与类型的电焊机作为负载。

试验包括空载试验和带载试验。试验步骤如下。1）试运转。在转速指令为零或控制器不通电的情况下，启动电机，确保电机转向为右旋。逐步加快电机的转速，注意观察液压泵及液压马达有无异常，正常状况下液压马达不应有旋转。液压泵的转速逐步升高到1800r/min，注意观察比例液压泵及高速液压马达有无异常。2）试运转无问题后，在发电机没有负载的情况下，保持液压泵1800r/min，转速控制指令以每150r/min的增幅逐步平稳增加，并在每个指令数值上停留一段时间，观察记录发电机的转速变化过程。3）保持控制指令1500r/min，原动机转速从1800r/min逐步减到1500r/min，观察记录发电机的转速变化情况。注意观察，防止意外损坏设备。4）空载试验完成后，在稳态状态下，调试并整定PID参数。5）在保持原动机转速不变的前提下（1800r/min），转速控制指令也维持在1500r/min，分级给发电机增加负载，观察记录发电机的转速变化情况。

发电机转速无法控制。当调整电机转速时，发电机转速未响应，因此分析转速控制器存在问题。经测量转速控制器输入电压正常，所以初步判定为输出功率问题。经测量与比对，判定故障原因为其输出功率与比例放大器不匹配。为了解决该问题，从北京机械研究所购买专用的比例放大器。发电机转速变化缓慢，稳定时间过长，达不到试验要求。通过检查液压系统，未发现影响液压传动效率的缺陷或渗漏情况并且在电机速度剧烈变化时比例液压泵响应速度慢，因此初步判定控制算法存在问题。通过优化控制器算法，达到试验要求。

在试验过程中，客户又提出要增加防无线干扰功能。无线干扰主要电气元件油管，该系统主要电气元件为转速控制器和比例放大器，因此对转速控制器和比例放大器增加了屏蔽功能。

开始做负荷试验时，系统最大飞升转速远超过预期目标。经仔细分析是由于选用了长粗软管作为液压泵和马达之间的连接管路从而导致系统刚度下降造成的，为此，重新布置了液压泵和液压马达的安装位置以使连接管路最短，重新配管后进行实验，最大飞升转速明显下降。

图5 出厂试验回路方框图

结论如下。1）任意功率时稳态转速波动幅度小于±2 r/min。2）100%突加负荷时，瞬态转速下降不大于105 r/min（7%）。3）100%突减负荷时，瞬态转速上升不大于150 r/min（10%）。4）100%功率突变后，转速恢复稳态值的时间小于3 s。

2.3 现场试验

现场试验负载选择和试验步骤基本与出厂试验一致，但由于试验室是采用变频电机驱动比例泵，与实际应用存在差异，而且现场油管路与出厂试验时也大不相同，因此在现场试验时又遇到了很多新问题并得出了一些新的结论。

初始试验时柴油机转速2000 r/min，转速控制器输出在出厂试验时所使用到的最大电流410 mA，发电机转速只能达到1150 r/min，达不到1500 r/min的额定转速；解决方法是增加转速控制器的输出电流，并增大液压泵吸油管的口径以减少吸油时产生的沿程损失。针对现场试验过程中发现的问题提出有效的处置方法，使柴油发电机系统运行稳定可靠，转速控制器现场抗干扰效果良好，柴油发电机工作效率满足现场使用要求。

3 结语

通过现场验证，液压式柴油发电机转速控制系统作为一种新型闭式液压转速控制系统，解决了传统柴油发电机组供电过程中转速受负载变化影响大的问题。该文从液压原理、控制逻辑、试验步骤及故障分析、处理等方面较系统地介绍了整套机构的实际应用情况及效果，特别在试验步骤、故障汇总及分析处置方面提供了较详细的说明与解决方案，为推进该项技术在户外施工过程中的应用提供了新的技术方案，同时为闭式液压系统的应用提供了新的思路。