柴油發(fā)電機(jī)組原理
江蘇中動(dòng)電力設(shè)備有限公司 / 2012-10-16
柴油發(fā)電機(jī)組是常用的備用電源,由于它以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒柴油為動(dòng)力,帶動(dòng)
發(fā)電機(jī)發(fā)出與市電同樣性質(zhì)的電力,所以用在市電斷電后需要后備電源供電幾小時(shí)以上的場合。從性能價(jià)格比、對工作環(huán)境的要求、帶非線性負(fù)載能力方面考慮,采用柴油
發(fā)電機(jī)組比使用很多大容量蓄電池的長延時(shí)UPS往往具有一定的優(yōu)勢。但是
柴油發(fā)電機(jī)組在市電斷電后需要十秒鐘左右才能發(fā)出穩(wěn)定的電力,這就大不如UPS可不間斷供電的特點(diǎn)。因此,柴油發(fā)電機(jī)組和UPS通常是取其各自的優(yōu)勢構(gòu)成一個(gè)完善的、可靠的電源系統(tǒng),以確保重要設(shè)備的不間斷供電。
柴油發(fā)電機(jī)組一般是采用同步發(fā)電機(jī)(也俗稱電球)將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能。各種用電設(shè)備要依靠它發(fā)出的電力工作,因此對同步發(fā)電機(jī)的工作性能要求是很高的。
1 同步發(fā)電機(jī)的工作原理
同步發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制造的。主要組成部分?，F(xiàn)代交流發(fā)電機(jī)通常由兩部分線圈構(gòu)成;為了提高磁場的強(qiáng)度,一部分線圈繞在一個(gè)導(dǎo)磁性能良好的金屬片疊成的圓筒內(nèi)壁的凹槽內(nèi),這個(gè)圓筒固定在機(jī)座上稱為定子。定子內(nèi)的線圈可輸出感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流,所以又稱其為電樞。發(fā)電機(jī)的另一部分線圈則繞在定子圓筒內(nèi)的一導(dǎo)磁率強(qiáng)的金屬片疊成的圓柱體的凹槽內(nèi),稱為轉(zhuǎn)子。一根軸穿過轉(zhuǎn)子中心并將其緊固在一起,軸兩端與機(jī)座構(gòu)成軸承支撐。轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)壁之間保持小而均勻的間隙且可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。這叫做旋轉(zhuǎn)磁場式結(jié)構(gòu)的無刷同步發(fā)電機(jī)。
工作時(shí),轉(zhuǎn)子線圈通以直流電形成直流恒定磁場,在柴油機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)子快速旋轉(zhuǎn),恒定磁場也隨之旋轉(zhuǎn),定子的線圈被磁場磁力線切割產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,發(fā)電機(jī)就發(fā)出電來。
1—前端蓋;2—出風(fēng)蓋板;3—軸承;4—定子;5—端子箱側(cè)板;6—電壓調(diào)節(jié)器;7—調(diào)節(jié)器支架;8—端子箱頂蓋;9—端子箱前后板;10—接線板;11—接線板支架;12—端子箱側(cè)板;13—吊攀;14—軸承蓋;15—進(jìn)風(fēng)蓋板;16—后端蓋;17—勵(lì)磁定子;18—勵(lì)磁定子固定螺栓;19—軸承;20—旋轉(zhuǎn)整流器;21—勵(lì)磁電樞;22—接地牌;23—轉(zhuǎn)子;24—風(fēng)扇;25—永磁機(jī)機(jī)殼;26—永磁機(jī)轉(zhuǎn)軸;27—永磁機(jī)轉(zhuǎn)子;28—永磁機(jī)定子;29—永磁機(jī)定子固定螺栓;30—永磁機(jī)轉(zhuǎn)子固定螺栓;31—墊圈;32—永磁機(jī)蓋板
雙軸承發(fā)電機(jī)
1 轉(zhuǎn)子及其恒定磁場被柴油機(jī)帶動(dòng)快速旋轉(zhuǎn)時(shí),在轉(zhuǎn)子與定子之間小而均勻的間隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場,稱為轉(zhuǎn)子磁場或主磁場。平常工作時(shí)發(fā)電機(jī)的定子線圈即電樞都接有負(fù)載,定子線圈被磁場磁力線切割后產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢通過負(fù)載形成感應(yīng)電流,此電流流過定子線圈也會在間隙中產(chǎn)生一個(gè)磁場,稱為定子磁場或電樞磁場。這樣在轉(zhuǎn)子、定子之間小而均勻的間隙中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場,這兩個(gè)磁場相互作用構(gòu)成一個(gè)合成磁場。發(fā)電機(jī)就是由合成磁場的磁力線切割定子線圈而發(fā)電的。由于定子磁場是由轉(zhuǎn)子磁場引起的,且它們之間總是保持著一先一后并且同速的同步關(guān)系,所以稱這種發(fā)電機(jī)為同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器性能上都具有許多優(yōu)點(diǎn)。
2 同步發(fā)電機(jī)的調(diào)控
同步發(fā)電機(jī)在其額定負(fù)載范圍內(nèi)允許帶各種用電負(fù)荷。這些負(fù)荷的輸入特性會直接影響發(fā)電機(jī)的輸出電壓;當(dāng)負(fù)載為純電阻性時(shí),因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)的定子端電壓——電樞端電壓與負(fù)載電流是同相的,所以使得轉(zhuǎn)子磁場的前一半被定子磁場削弱,而后一半又被定子磁場加強(qiáng),一周內(nèi)合成磁場平均值不變,發(fā)電機(jī)輸出電壓不變。負(fù)載呈現(xiàn)為純電感性時(shí),則因負(fù)載電流滯后電樞端電壓90°而使得定子磁場削弱了轉(zhuǎn)子磁場,合成磁場降低,造成發(fā)電機(jī)輸出電壓下降。若負(fù)載是純電容性的,負(fù)載電流就會超前電樞端電壓90°,從而使定子磁場加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子磁場,合成磁場增大,發(fā)電機(jī)輸出電壓上升。可見;合成磁場是使發(fā)電機(jī)性能變化的一個(gè)重要因素。而合成磁場中起主要作用的是轉(zhuǎn)子磁場即主磁場,因此,調(diào)控轉(zhuǎn)子磁場就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓改善其帶負(fù)載能力,從而達(dá)到在額定負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)住發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的。
(1)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁
所謂勵(lì)磁即是向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電使其產(chǎn)生直流電磁場的過程。同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子凹槽內(nèi)的線圈就是由稱做勵(lì)磁機(jī)的一個(gè)專門的設(shè)備為其供以直流電形成直流磁場的。早期的發(fā)電機(jī)是采用單獨(dú)的勵(lì)磁機(jī)給轉(zhuǎn)子線圈提供直流電的,系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。隨著技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)都是將發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)組裝在一起構(gòu)成一個(gè)完整的發(fā)電機(jī)。
勵(lì)磁機(jī)其實(shí)就是個(gè)小發(fā)電機(jī),它的工作原理與同步發(fā)電機(jī)一樣。所不同的是它的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈所起的作用與同步發(fā)電機(jī)——主發(fā)電機(jī)正好相反;固定在主發(fā)電機(jī)定子旁的勵(lì)磁機(jī)的定子線圈通以直流電形成直流磁場,而安裝在主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈成為輸出電動(dòng)勢的電樞。勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)壁之間也是保持著小而均勻的間隙。這也稱為旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)的無刷同步發(fā)電機(jī)。安裝在主發(fā)電機(jī)定子旁的勵(lì)磁機(jī)定子線圈的直流電,是由主發(fā)電機(jī)定子線圈即電樞的部分輸出電壓經(jīng)整流后而得到的。與主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝的勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈在其定子線圈產(chǎn)生的磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)、切割磁力線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢,經(jīng)同軸安裝在它旁邊的整流器也就是旋轉(zhuǎn)整流器變成直流電流,輸?shù)街靼l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈使其產(chǎn)生直流轉(zhuǎn)子磁場。從而達(dá)到了對主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈勵(lì)磁的要求。
(2)同步發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)控
調(diào)控的目的就是實(shí)現(xiàn)在同步發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)住輸出電壓。調(diào)控技術(shù)的理念是實(shí)時(shí)地從主發(fā)電機(jī)電樞取得電壓和電流,經(jīng)整流和負(fù)反饋調(diào)理后供給勵(lì)磁機(jī)的定子線圈,使其產(chǎn)生變化規(guī)律與主發(fā)電機(jī)輸出電壓變化規(guī)律相反的直流電磁場,這個(gè)磁場也必然使勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞的輸出電壓及旋轉(zhuǎn)整流器供給主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的直流電流按同樣的規(guī)律而變化。從而起到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場大小,使主發(fā)電機(jī)在額定負(fù)荷范圍內(nèi)保持良好輸出特性的作用。
對發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)過程,可以用以下的流程表示;
由于負(fù)荷增加使主發(fā)電機(jī)電樞電壓↓(降) →經(jīng)負(fù)反饋調(diào)理后勵(lì)磁機(jī)定子電流及磁場↑→勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞輸出電壓↑→旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流↑→主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場↑→使主發(fā)電機(jī)電樞電壓↑
若主發(fā)電機(jī)電壓升高,則其反饋調(diào)控使以上各環(huán)節(jié)作用降低,導(dǎo)致電壓回到額定值。
可見通過勵(lì)磁機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)控主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的大小,就可以穩(wěn)住輸出電壓。這其中起重要作用的是負(fù)反饋調(diào)節(jié)單元,通常稱其為恒壓勵(lì)磁裝置和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器。
(3)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器
現(xiàn)代交流同步發(fā)電機(jī)常用自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器AVR這種電子部件調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)定子磁場的強(qiáng)弱。雖然AVR的種類很多,但性能大同小異;都是實(shí)時(shí)采樣主發(fā)電機(jī)的輸出電壓值與預(yù)先設(shè)定的值相比較,用比較的結(jié)果去調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制器PWM;輸出電壓值高則調(diào)制器輸出脈沖寬度窄,反之則寬。然后再用這些脈沖去調(diào)控大功率開關(guān)器件即三極管或場效應(yīng)管控制送入勵(lì)磁機(jī)定子線圈的電流的時(shí)間。從而使它的磁場強(qiáng)弱隨著主發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化而相反變化;即輸出電壓升高則勵(lì)磁機(jī)定子磁場減小,輸出電壓降低勵(lì)磁機(jī)定子磁場增強(qiáng)。從而達(dá)到負(fù)反饋調(diào)控的目的。
自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器電路原理 是常用的一種AVR類型。取樣自主發(fā)電機(jī)輸出電壓的信號從8、9兩端輸入到電壓測量比較單元,與內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的電壓值(例如380V)相比較。比較結(jié)果以輸出電壓UA送入脈沖寬度調(diào)制單元PWM,輸出電壓UC送入低頻保護(hù)單元。電壓測量比較單元的L、S、H是連接主發(fā)電機(jī)輸出電壓幅值調(diào)節(jié)電位器的三個(gè)端子。
脈沖寬度調(diào)制器由穩(wěn)壓器輸出的直流電壓UCC作為工作電源,以確保其性能穩(wěn)定。它的輸出電壓UB控制調(diào)制管VT3。若由電壓測量比較單元送來的UA大,表明主發(fā)電機(jī)輸出電壓升高,則大的UA就會使脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖UB的寬度變窄。窄的脈沖就會使VT3導(dǎo)通時(shí)間短,通過的電流少。反之,主發(fā)電機(jī)電壓降低UA變小,脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖UB的寬度隨之變寬,從而使VT3導(dǎo)通時(shí)間變長,通過的電流增多。
勵(lì)磁機(jī)定子線圈一端接在端子X1上,另一端接在XX1端子上。由主發(fā)電機(jī)電樞送來的EA、EB、Ec三相電壓,經(jīng)過三個(gè)二極管VD10、VD11、VD12整流后,電流從X1端流入勵(lì)磁機(jī)的定子線圈,由XX1流出,再經(jīng)過調(diào)制管VT3和XN端子流回主發(fā)電機(jī)電樞,形成勵(lì)磁機(jī)定子線圈的勵(lì)磁電流通路。VT3是這個(gè)通路上的開關(guān),它導(dǎo)通時(shí)間長,則定子線圈流過電流時(shí)間長,定子磁場強(qiáng)度大;VT3導(dǎo)通時(shí)間短,定子線圈電流少,定子磁場強(qiáng)度小。
AVR就是這樣調(diào)控主發(fā)電機(jī)的電壓的;主發(fā)電機(jī)由于負(fù)荷原因輸出電壓升高,電壓測量比較單元輸出的UA隨著升高,受UA控制的脈寬調(diào)制器輸出脈沖UB寬度變窄,開關(guān)管VT3導(dǎo)通時(shí)間短,勵(lì)磁機(jī)定子磁場減弱,轉(zhuǎn)子電樞電壓及旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流隨之減小,導(dǎo)致供給主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流變小,則主發(fā)電機(jī)因其轉(zhuǎn)子磁場的減小而使輸出電壓降低。反之,AVR的負(fù)反饋調(diào)控功能就會使主發(fā)電機(jī)的輸出電壓升高。
在主發(fā)電機(jī)因負(fù)荷超出額定值而輸出極大電流時(shí),
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)也需隨之輸出巨大的動(dòng)力以致導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速低于額定值。低頻保護(hù)單元的作用就是在這種情況下限制勵(lì)磁機(jī)定子線圈里電流的超額增大。它以電阻和電容構(gòu)成的充放電支路預(yù)先設(shè)定一個(gè)低頻保護(hù)點(diǎn),當(dāng)主發(fā)電機(jī)負(fù)荷正常時(shí),從電壓測量單元來的UC小于低頻保護(hù)點(diǎn),則低頻保護(hù)單元輸出的電壓Ud高,二極管VD8被截止,Ud到不了脈寬調(diào)制器,起不了作用。若主發(fā)電機(jī)超載則Ud變低,VD8導(dǎo)通,Ud和UA就可同時(shí)作用于脈寬調(diào)制器,使其輸出的脈沖UB隨Ud的下降而變窄,調(diào)制管VT3導(dǎo)通時(shí)間隨之變短,勵(lì)磁電流減小勵(lì)磁機(jī)定子磁場變?nèi)?從而導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場減小。發(fā)電機(jī)輸出電壓下降、電流減小。低頻保護(hù)單元起到了保護(hù)勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)的作用。
3 同步發(fā)電機(jī)的維護(hù)
同步發(fā)電機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部分。為柴油發(fā)電機(jī)組建立一個(gè)合適的工作環(huán)境,做好日常維護(hù)是十分必要的。
發(fā)電機(jī)房內(nèi)的高溫、潮濕和空氣污染物是引起發(fā)電機(jī)故障的最常見因素。粉塵、灰塵和其它空氣污染物的積累會引起絕緣層的性能變壞,不僅易形成對地的導(dǎo)電通路,還會使轉(zhuǎn)子軸承部分的摩擦力增大而發(fā)熱。濕氣以及空氣污染物中的濕氣極易在發(fā)電機(jī)內(nèi)形成對地的漏電通路,引起發(fā)電機(jī)故障。機(jī)房內(nèi)溫度過高會使發(fā)電機(jī)組工作時(shí)產(chǎn)生的熱量難以散出,造成其輸出功率下降、機(jī)組過熱。所以機(jī)房的防塵、防潮濕、通風(fēng)降溫就必須引起足夠的重視。
無論是單軸承發(fā)電機(jī)還是雙軸承發(fā)電機(jī),它們的轉(zhuǎn)子軸與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主軸之間連接的同軸度要求很高。長時(shí)期運(yùn)行后的機(jī)組有時(shí)同軸度可能降低,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)燥聲增大,溫度過高。應(yīng)定期檢查、維護(hù)以保持同軸度良好。
負(fù)荷超出發(fā)電機(jī)的額定負(fù)載范圍,或三相負(fù)荷很不平衡,也會造成發(fā)電機(jī)效率降低和過熱。
