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柴油發(fā)電機的工作原理 |
摘要:柴油發(fā)電機組是利用柴油發(fā)動機將柴油燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動的機械能;發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)化為電能。主要由柴油發(fā)動機、發(fā)電機、控制系統(tǒng)組成。柴油發(fā)電機是一種高效、高功率、耐久性好、適應(yīng)性強但污染嚴重、噪音大等缺點的電力設(shè)備,但在某些領(lǐng)域,如備用電源和應(yīng)急電源方面,柴油發(fā)電機仍然具有不可替代的作用。
一、柴油發(fā)電機組結(jié)構(gòu)組成
柴發(fā)整套機組一般由柴油機、發(fā)電機、控制箱、燃油箱、起動和控制用蓄電瓶、保護裝置、應(yīng)急柜等部件組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1、連接方式
(1)柔性連接
用聯(lián)軸器將兩部分連接,柔性連接精度要求比較低,能量傳遞效率稍低。
(2)鋼性連接
用高強度螺栓將發(fā)電機鋼性連接片與發(fā)動機飛輪盤連接,接好之后放在公共底架上,之后再配上各種起保護作用的傳感器(機油探頭,水溫探頭,油壓探頭等),由控制系統(tǒng)來顯示各種傳感器的工作狀態(tài)。 控制系統(tǒng)通過電纜與發(fā)電機和傳感器連接以顯示數(shù)據(jù)。
2、 柴油機
柴油機主要由氣缸、活塞、曲軸、連桿、進氣道、排氣道、噴油器等組成。其中,氣缸是柴油機最重要的部件之一,它是一個圓筒形的容器,內(nèi)部有一個活塞和一個燃燒室。曲軸則是將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動的關(guān)鍵部件。
在柴油機汽缸內(nèi),經(jīng)過空氣濾清器過濾后的潔凈空氣與噴油嘴噴射出的高壓霧化柴油 充分混合,在活塞上行的擠壓下,體積縮小,溫度迅速升高,達到柴油的燃點。柴油被點燃,混合氣體劇烈燃燒,體積迅速膨脹,推動活塞下行,稱為‘作功’,示功圖如圖2所示。各汽缸按一定順序依次作功,作用在活塞上的推力經(jīng)過連桿變成了推動曲軸轉(zhuǎn)動的力量,從而帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。
圖1 柴油發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖 |
發(fā)動機展開示功圖(P-φ圖) |
3、發(fā)電機
柴油發(fā)電機組中常用的發(fā)電機為同步交流發(fā)電機,是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)式機械。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種。
將無刷同步交流發(fā)電機與柴油機曲軸同軸安裝,就可以利用柴油機的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子,利用‘電磁感應(yīng)’原理,發(fā)電機就會輸出感應(yīng)電動勢,經(jīng)閉合的負載回路就能產(chǎn)生電流。
4、康明斯發(fā)電機組特點
康明斯電力發(fā)電機組是采用全集成的電力系統(tǒng)。性能優(yōu)越,可靠性強,提供多種穩(wěn)定的備用和優(yōu)質(zhì)的電力,并可應(yīng)用于連續(xù)載荷的工作條件。其外觀電球端后視圖和水箱端前視圖如圖3、圖4所示。
(1)康明斯重載發(fā)動機 - 四沖程工業(yè)發(fā)動機提供可靠的動力、超低的排放和快速的負荷響應(yīng)。
(2)永磁發(fā)電機(PMG)- 提供超凡的電動機起動性能和短路故障承受能力。
(3)發(fā)電機 – 多種發(fā)電機型號提供可選擇,采用2/3節(jié)距低電抗繞組和F級或H級絕緣,改善電動機的起動性能,具有在非線性負載下電壓波形畸變小,短路故障清能力強等優(yōu)點。
(4)控制系統(tǒng) - 標準配置PowerCommandTM電子控制系統(tǒng)提供的集成控制包括:遠程自動啟動/停機,精確的頻率和電壓調(diào)節(jié),報警和狀態(tài)信息顯示,AmpSentry保護,輸出儀表顯示和自動故障停機功能。
圖3 C90D5康明斯發(fā)電機組后視圖(電球端) |
圖4 C90D5康明斯發(fā)電機組前視圖(水箱端) |
二、柴油機生成機理
傳統(tǒng)柴油機的基本結(jié)構(gòu)包括曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、傳動機構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動系統(tǒng),俗稱三大機構(gòu)四大系統(tǒng)。這些系統(tǒng)和機構(gòu)的良好配合,是柴油機能夠產(chǎn)生動力并對外輸出動力的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)圖如圖5、圖6所示。
1、柴油機能量的產(chǎn)生
氣缸內(nèi)的柴油燃燒(油+氣)產(chǎn)生動能,帶動與活塞相連的曲柄連桿機構(gòu)繞曲軸作往復(fù)圓周運動,輸出動力。
2、能量轉(zhuǎn)換方式
柴油的化學能轉(zhuǎn)化成熱能,熱能轉(zhuǎn)化為機械能。
3、工作過程
進氣沖程(油氣混合)、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程,每一時刻四個沖程往復(fù)循環(huán)。
4、曲軸旋轉(zhuǎn)角度
四沖程柴油機在一個工作循環(huán)中帶動曲軸旋轉(zhuǎn)兩次(180*4=720),理論上它的功率是二沖程(目前已淘汰)柴油機的兩倍。
5、點火方式
柴油機使用柴油作為燃料,與汽油相比,柴油自然溫度低,粘度高,不易蒸發(fā)。因此柴油機在壓縮終點采用壓燃式點火,不需要專門的火花塞。
6、增壓過程
壓縮空氣是為了提高空氣中的氧氣密度,當氧氣密度增大時,油可充分的燃燒,提升發(fā)動機動力。渦輪增壓的原理是在發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升至一定轉(zhuǎn)速時,排出的廢氣帶動渦輪旋轉(zhuǎn),渦輪帶動壓縮機工作,將經(jīng)過壓縮機的高溫高壓氣體經(jīng)過冷卻變?yōu)榈蜏馗邏簹怏w輸入至氣缸中,實現(xiàn)渦輪增壓的過程。渦輪增壓實際上是增大扭矩/功率。
7、柴油機的特點
四大系統(tǒng)中,曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)和燃油供給系統(tǒng),是柴油機的三個最基本的部分,它們互相配合,完成柴油機的工作循環(huán),實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。 在使用過程中,三者技術(shù)狀態(tài)的好壞及相互之間配合的正確與否,對柴油機的性能具有決定性的影響。
圖5 柴油發(fā)電機的后視圖 1-柴油發(fā)電機吊耳 2-曲軸箱通風裝置 3-渦輪增壓器 4-噴油器回油管接頭 5-飛輪殼 6-飛輪 7-油底殼放油螺塞 8-OEM供油管接頭 9-0EM燃油回油管接頭 10-進油管接頭 |
圖6 柴油發(fā)電機的頂視圖 1-冷卻液進口接頭 2-渦輪增壓器進氣口 3-渦輪增壓器出氣口 4-渦輪增壓器排氣口5-渦輪增壓器執(zhí)行器空氣管 6-曲軸箱通風裝置 7-飛輪殼 8-曲軸箱通風裝置機油回油管 9-曲軸箱通風導(dǎo)流管 10-渦輪增壓器控制閥11-燃油濾清器支架 12-進氣管接頭 13-高壓燃油泵 14-機油加注口 15-冷卻液出口接頭 |
三、交流發(fā)電機生成機理
以旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機為例介紹柴油機組中發(fā)電機的工作原理。交流發(fā)電機主要由磁性材料制造多個南北極交替排列的永磁鐵(稱為轉(zhuǎn)子)和硅鑄鐵制造并繞有多組串聯(lián)線圈的電樞線圈(稱為定子)組成。
1、基本原理
旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機產(chǎn)生電動勢的原理與旋轉(zhuǎn)電樞式相同,都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,如圖7所示。而主要區(qū)別有兩點:
(1)產(chǎn)生感應(yīng)電流的方式:
旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機通過電樞的旋轉(zhuǎn)使閉合線圈的磁通量變化,從而產(chǎn)生感應(yīng)電流;旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機則通過磁極的旋轉(zhuǎn)使定子線圈切割磁力線,從而在定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。
(2)電力輸出方式:
旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機通過電刷和集電環(huán)向外接電路供電;而旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機則直接將電力送往外接電路,因此相對于旋轉(zhuǎn)電樞式、旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機可提供電高的電壓,適用于大型發(fā)電機。
2、電動勢的產(chǎn)生
(1)當導(dǎo)體切割磁場的磁力線時,會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。發(fā)電機電動勢隨時間變動規(guī)律曲線如圖8所示。
(2)線圈abcd代表整個電傴繞組、其兩端分別固定在同一轉(zhuǎn)軸上的滑環(huán)1和2上,兩者同軸旋轉(zhuǎn),且相對位置和連接關(guān)系不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。電刷A和B通過刷架固定在發(fā)電機的端蓋上、且與滑環(huán)1、2的滑動接觸關(guān)系不變。
(3)當電樞沿順時針方向旋轉(zhuǎn),ab邊處于N極下時、山邊的感應(yīng)電動勢方向為由c至d,并設(shè)此時電動勢方向為正方向;當電樞旋轉(zhuǎn)180。后、ab邊處于S極下,cd邊處于N極下,此時ab和cd邊中的電動勢均改變方向,顯然此時電動勢為負值。
由上述過程可知,對于一對磁極的單向同步交流發(fā)電機、其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周,在電樞繞組中產(chǎn)生一個周波的交流電動勢。若磁通密度B按正弦規(guī)律分布,則可產(chǎn)生正弦交流電動勢。而對于三相同步交流發(fā)電機、其各項繞組產(chǎn)生交流電動勢的原理與單項同步交流發(fā)電機完全相同。
3、電動勢的大小
根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當導(dǎo)體與磁場發(fā)生相對運動時、導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢e可由式求得:
E=BLV
式中,B——磁通密度;
L——導(dǎo)體在磁場中的有效長度;
V——導(dǎo)體垂直于磁場方向的運動速度。
而正弦交流電動勢的有效值E計算:
E=Kn
式中,n——發(fā)電機轉(zhuǎn)速;
K——發(fā)電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)。
同步交流發(fā)電機制成后,其結(jié)構(gòu)常數(shù)K已成定值。因此,可通過改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n或每極磁通來調(diào)整其輸出電壓的高傲。但是,通常情況下要求電動勢的頻率f恒定,而頻率f與轉(zhuǎn)速n成正比,所以發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是不能隨便調(diào)整的。因此,主要通過調(diào)節(jié)同步交流發(fā)電機磁通量的大小,達到調(diào)整其輸出電壓的目的。
4、電動勢的頻率
(1)當發(fā)電機磁極對數(shù)一定時(如P=1),其轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周,電樞繞組可產(chǎn)生一個周波的交流電動勢。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)兩周,產(chǎn)生兩個周波的交流電動勢,苦轉(zhuǎn)子每秒旋轉(zhuǎn)n/60周,則產(chǎn)生n/60周/s的交流電動勢。由此可知,交流電動勢的頻率f與發(fā)電機轉(zhuǎn)速n成正比。
(2)當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速一定時(如n=1周/s),磁極對數(shù)P=1,轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個周波的交流電動勢。磁極對數(shù)P=2,轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生兩個周波的交流電動勢。若為P對磁極,轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生P個周波的交流電動勢。由此可知,交流電動勢的頻率f還與磁極對數(shù)P成正比。
綜上所述,同步交流發(fā)電機電動勢的頻率f與其轉(zhuǎn)速n 和磁極對數(shù)P成正比,因此f的計算公式為:
F=P*n/60 (周/s)
改變同步交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n或磁極對數(shù)P,均可改變其頻率f。但是,發(fā)電機制成后,其磁極對數(shù)P是不能改變的因此,只能通過改變轉(zhuǎn)速n來調(diào)整頻率f。一旦頻率f達到額定值后,就不能再隨便改變轉(zhuǎn)速n。
5、改善電動勢波形的措施
根據(jù)要求,同步交流發(fā)電機輸出電壓應(yīng)為正弦波。但是,由于發(fā)電機定子鐵芯結(jié)構(gòu)、磁極結(jié)構(gòu)、電樞繞組結(jié)構(gòu)、三相發(fā)電機電樞繞組的連接形式等因素的影響,電動勢的波形會產(chǎn)生畸變,形成非正弦交流電動勢。
非正弦交流電動勢中除含有基波分量外,還含有頻率不同的許多高次諧波分量。不僅嚴重影響發(fā)電機的性能和工況,還影響用電設(shè)備的正常工作。因此,在設(shè)計、生產(chǎn)同步交流發(fā)電機時,采取了諸多方法,改善電動勢波形,使其成為正弦波。其具體方法有:改善磁極形狀、采用斜槽定子、改善定子繞組結(jié)構(gòu)和三相發(fā)電機采用星形接法。
(1)改善磁極形狀:磁極的分布規(guī)律由磁極的形狀決定,將磁極尖削尖或采用扭斜磁極,使磁通密度B近似按正弦規(guī)律分布,進而使電動勢成為正弦波;
(2)采用斜槽定子:將定子鐵芯扭斜一個槽距的位置,使其成為斜糟定子,無論轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至何種位置,磁極端畫所覆蓋的鐵芯齒面積始終保持不變,這樣可消除齒諧波的影響;
(3)改善定子繞組結(jié)構(gòu):同步交流發(fā)電機通常采用短距分布式繞組結(jié)構(gòu),可消除或削弱許多高次諧波分量,使電動勢接近于正弦波;
(4)三相發(fā)電機采用星形接法:三相同步發(fā)電機的三相電樞繞組采用星形接法,其線電壓中將不再含有三次及三的整倍數(shù)次諧波分量,改善線電壓的波形。
6、同步交流發(fā)電機勵磁方式
發(fā)電機勵磁功率的產(chǎn)生方式,稱為其勵磁方式。同步交流發(fā)電機的勵磁方式有他勵式和自勵式兩種。
(1)他勵式:
勵磁功率由本身以外的其他電源供給,這種發(fā)電機稱為:他勵式發(fā)電機。根據(jù)獲得勵磁功率形式的不同,他勵式交流發(fā)電機又有采用血流勵磁機勵磁和采用無刷交流勵磁機勵磁之分。其中、采用直流勵磁機勵磁是靠同軸轉(zhuǎn)動的并勵直流發(fā)電機供給勵磁功率的;采用無刷交流勵磁機勵磁是由同軸轉(zhuǎn)動的交流勵磁發(fā)電機供給勵磁功率的。
(2)自勵式:
勵磁功率由本身供給的發(fā)電機稱為自勵式發(fā)電機。其勵磁功率一般由以下三種方法獲得:直接從同步交流發(fā)電機輸出端取得,由安裝在同步交流發(fā)電機的定子槽中的副繞組供給;發(fā)電機電樞繞組為帶抽頭式的,由抽頭處引出部分電樞繞組供給。
綜上所述,無論是他勵式同步交流發(fā)電機,還是自勵式同步交流發(fā)電機,改變勵磁電流的大小,均可調(diào)整發(fā)電機的輸出電壓。
圖7 交流發(fā)電機工作原理圖 |
圖8 發(fā)電機電動勢隨時間變動規(guī)律曲線圖 |
總結(jié):
康明斯發(fā)電機組可用于高排氣量和環(huán)境敏感性的工廠綜合場所,具有強大的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、耐久性和可靠性,是遠程或臨時用地的驅(qū)動力。發(fā)電機的低電抗設(shè)計使得非線性負載下的波形畸變很小,具有良好的起動性能,符合ISO8528、iso3046、bs5514和GB/t2820-97標準。在20千瓦至2.7兆瓦的范圍內(nèi),康明斯柴油發(fā)電機組可以滿足您苛刻的需求。
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