新聞主題	柴油發(fā)電機頻率響應特性曲線(xiàn)

 

摘要：柴油機在不同的工況下，各主要指標是變化的。要找出它們的變化規律，必須在發(fā)動(dòng)機測功器上進(jìn)行試驗，測出在不同工況下的數據，并繪制成曲線(xiàn)表示其變化關(guān)系。這些曲線(xiàn)稱(chēng)為柴油機特性曲線(xiàn)。在衡量柴油機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性時(shí)，常用的特性曲線(xiàn)有負荷特性曲線(xiàn)、頻率特性曲線(xiàn)和調速特性曲線(xiàn)等。柴油機試驗時(shí)，如將柴油機噴油泵的供油拉桿（油門(mén)）固定在某一位置上，并調節作用在飛輪上的阻力扭矩（即發(fā)動(dòng)機的負荷），發(fā)動(dòng)機的轉速必將發(fā)生變化。這樣可將測得的數據繪制成發(fā)動(dòng)機的有效扭矩Me、有效功率Ne和耗油率ge隨轉速n而變化的關(guān)系曲線(xiàn)，稱(chēng)為柴油機的速度特性曲線(xiàn)。

 

一、什么是發(fā)動(dòng)機特性曲線(xiàn)圖

 

      大家在讀各種柴油發(fā)電機廠(chǎng)商的宣傳資料中會(huì )發(fā)現有發(fā)動(dòng)機特性曲線(xiàn)（也有叫發(fā)動(dòng)機工況圖），將發(fā)動(dòng)機功率、轉矩與發(fā)動(dòng)機曲軸轉速之間的函數關(guān)系以曲線(xiàn)表示，此曲線(xiàn)稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機轉速特性曲線(xiàn)或簡(jiǎn)稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機特性曲線(xiàn)，如圖1所示；如果柴油機高壓油泵在最大供油量位置，此特性曲線(xiàn)稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機外特性曲線(xiàn)；如果部分供油，稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機部分負荷特性曲線(xiàn)。

      從試驗圖2可以看出，轉速在1500轉/分情況下，發(fā)動(dòng)機扭矩和功率分別達到最大值，這是兩個(gè)決定發(fā)動(dòng)機性能的主要參數。代表了發(fā)動(dòng)機實(shí)時(shí)功率，單位是千瓦，它決定了發(fā)動(dòng)機到底能產(chǎn)生多大的能量。圖1中的ge是指比油耗量，單位是克/每千瓦小時(shí)，它反映的是發(fā)動(dòng)機發(fā)動(dòng)機每發(fā)出1kW功率，運行1h的耗油量；n1.....n5就是發(fā)動(dòng)機的實(shí)時(shí)轉速，單位轉/每分鐘；理清了每個(gè)坐標軸上數字的意義，下一步就是了解發(fā)動(dòng)機的特性曲線(xiàn)圖給我們吐露的信息。

 

圖1  柴油機外特性曲線(xiàn)

圖2  柴油機有效功率試驗曲線(xiàn)

 

二、柴油機特性

 

      我們已知表征柴油機性能的主要指標有平均有效壓力、有效扭矩、有效功率、有效耗油率、平均指示壓力等。運轉中的這些柴油機性能指標是隨著(zhù)柴油機運轉工況的不同而變化的。柴油機的主要性能指標和工作參數（如排氣溫度、最高爆發(fā)壓力、增壓壓力等）隨運轉工況變化的規律稱(chēng)為柴油機的特性。如果把這種變化規律在坐標軸上用曲線(xiàn)的形式表示出來(lái)，這種曲線(xiàn)即稱(chēng)為柴油機的特性曲線(xiàn)。有了特性曲線(xiàn)，掌握了柴油機的特性，就可以合理利用柴油機的一系列特性，知道我們在使用柴油機時(shí)如何提高其可靠性、使用壽命，以及如何節油。如在各種使用條件下決定其極限允許使用范圍，選擇其最佳工作點(diǎn)，檢查其工作質(zhì)量（性能指標、工作參數）是否良好等。

      對于特定的柴油機在運轉中可能使柴油機有效功率發(fā)生變化的參數只有平均有效壓力和轉速，它們是兩個(gè)可以互相獨立的基本參數。由此，根據平均有效壓力和轉速的變化情況可將柴油機的特性進(jìn)行分類(lèi)。

1、速度特性

      當平均有效壓力不變（測定時(shí)是將油量調節機構固定，平均有效壓力在實(shí)際上是略有變化的），柴油機的性能參數隨轉速變化的關(guān)系。

      測定速度特性時(shí)，將噴油泵油量調節桿固定，然后改變柴油機外負荷以改變其轉速，使柴油機在最高允許轉速和最低穩定轉速之間各不同的轉速下穩定運轉，并測量各轉速下的功率、扭矩（或平均有效壓力）、有效耗油率和排氣溫度等。將測得的數據整理在以轉速為橫坐標的圖上，即得到柴油機的速度特性曲線(xiàn)。

（1）全負荷速度特性

      由于噴油泵油量調節機構固定的位置不同，即泵的有效行程不同，每循環(huán)的供油量不同，所測得的特性曲線(xiàn)也不同。如果把油量調節機構固定在標定位置（相當于柴油機在標定轉速下發(fā)出標定功率的供油量）時(shí)，所測得的柴油機特性稱(chēng)為全負荷速度特性（習慣上亦稱(chēng)為外特性）。

（2）部分負荷速度特性

當油量調節機構固定在比標定位置小的位置時(shí)所測得的柴油機特性稱(chēng)為部分負荷速度特性（亦稱(chēng)部分特性）。

（3）超負荷速度特性

      我國國家GB規范規定，柴油機超負荷功率為標定功率的110%，柴油機必須允許在超負荷功率下至少連續運轉1小時(shí)。此時(shí)，油量調節機構所處的位置即為實(shí)際運轉中允許達到的極限位置。在柴油機油量調節機構中裝設有限制塊，以防止油量調節機構在運轉中超過(guò)這個(gè)極限位置。當油量調節機構固定在這一極限位置時(shí)所測得的速度特性稱(chēng)為超負荷速度特性。在這種情況下，由于噴油泵的調節機構在最大供油位置上，所以汽缸內的溫度和壓力都很高，致使機件受到很大的熱負荷和機械負荷，工作條件惡劣。因此，按此特性工作的時(shí)間是有限制的。

2．負荷特性

      當轉速不變，定于某一設定值時(shí)，柴油機的性能參數隨負荷（平均有效壓力）變化的關(guān)系。柴油機的負荷通常是指柴油機阻力矩大小，由于平均有效壓力正比于阻力矩，常用平均有效壓力來(lái)表示負荷。負載特性可通過(guò)電渦流測功機（試驗框圖如圖3所示），測量柴油機的速度特性、負荷特性；以及對柴油機功率、轉矩、轉速、空燃比、排氣溫度、燃油消耗率（如圖5所示）的測量；通過(guò)整理試驗數據點(diǎn)，得到柴油機的負荷特性曲線(xiàn)，做出相關(guān)分析總結分析對比。

圖4  柴油機負荷特性曲線(xiàn)試

圖5  柴油機有效燃油消耗率試驗曲線(xiàn)

 

 

4。調速特性

      根據柴油機轉速仿真試驗（如圖6所示），可以表明調速特性與上述各種柴油機特性不同，它一般并不表明柴油機內部的工作過(guò)程有關(guān)參數的變化情況，而只標出有效扭矩、平均有效壓力、有效功率與轉速的關(guān)系（曲線(xiàn)如圖7所示），它主要取決于調速器的工作性能。實(shí)際上油量調節機構在固定時(shí)的平均有效壓力或有效扭矩并不是定值，這是因為：

（1）由于節流、泄漏，噴油泵每循環(huán)的噴油量隨轉速的變化略有變化。

（2）增壓柴油機指示效率（主要取決于過(guò)量空氣系數）隨轉速增加會(huì )有所增加。

（3）增壓柴油機的機械效率隨轉速增加稍有降低。但對低速柴油機（主機）來(lái)說(shuō)，因其轉速低，變化范圍小，噴油泵每循環(huán)噴油量隨轉速的變化很??；其過(guò)量空氣系數很大，它的變化對熱效率影響較??；其轉速變化范圍很小，機械效率隨轉速變化可以忽略。

      因此，可以認為當柴油機油量調節機構位置一定時(shí)，轉速變化其平均有效壓力（或有效扭矩）不變。有效功率、平均有效壓力或有效扭矩與轉速呈線(xiàn)性關(guān)系。

 

圖6  柴油機轉速仿真測試

圖7  柴油機轉速與功率關(guān)系曲線(xiàn)圖

 

 

三、頻率響應曲線(xiàn)

 

      柴油發(fā)電機是為了滿(mǎn)足電能需求而設計的，在大多數情況下，它們運行的是交流電。在發(fā)電機工作過(guò)程中，頻率響應曲線(xiàn)是一個(gè)重要的參數，因為它表明了發(fā)電機輸出電功率與電網(wǎng)電壓變化之間的相關(guān)情況。對于柴油發(fā)電機而言，頻率響應曲線(xiàn)通常給出了它們對發(fā)電負載變化的響應。這意味著(zhù)在瞬態(tài)負載變化的情況下，發(fā)電機的輸出電功率和電網(wǎng)電壓的關(guān)系會(huì )發(fā)生一些改變。

      根據康明斯公司對柴油發(fā)電機組的頻率和轉速仿真試驗，曲線(xiàn)的形態(tài)在不同的發(fā)電機和負載類(lèi)型下有所不同。在一般的情況下，隨著(zhù)負載的增加，曲線(xiàn)的斜率越來(lái)越陡峭。當負載達到一定程度時(shí)，曲線(xiàn)將會(huì )陡峭到可以稱(chēng)之為“限制曲線(xiàn)”，這也是發(fā)電機可以輸出的最大功率。在這種情況下，負載再次增加將導致頻率下降，這可能會(huì )導致一系列負面后果，如設備故障或停電等。

（1）了解曲線(xiàn)的形態(tài)和特點(diǎn)對于預測和避免這些情況非常重要，同時(shí)對于控制發(fā)電機的生產(chǎn)和維護也至關(guān)重要。大多數發(fā)電機制造商提供了其設備的頻率響應曲線(xiàn)，以供客戶(hù)參考。

（2）在日常維護和操作中，發(fā)電機的運行狀態(tài)應該始終處于曲線(xiàn)的合適位置。如果太接近限制曲線(xiàn)，運行過(guò)程中就需要監控頻率和電壓，確保在預定的范圍內運行。

（3）如果發(fā)現任何問(wèn)題，如負載過(guò)重或其他問(wèn)題，操作員必須采取相應的行動(dòng)，例如更換部件或減少負載。如果這些問(wèn)題不能及時(shí)解決，可能會(huì )引起嚴重的后果，例如故障、損壞甚至停電。

 

總結：

      除了上述特性以外，柴油機還有限制特性的說(shuō)法，這是用來(lái)限制柴油機在各種轉速下持續運轉的功率的。有效扭矩的大小可以代表柴油機機械負荷的大小。有效扭矩大說(shuō)明曲軸工作時(shí)的扭矩（扭應力）大，說(shuō)明平均有效壓力（有關(guān)零件機械應力）大，也說(shuō)明有關(guān)軸承的負荷大。所以，等扭矩限制就是進(jìn)行機械負荷限制。這樣，就可以避免柴油機因機械負荷過(guò)大而損壞。柴油機的全負荷速度特性也有上述對功率的限制。但是，對有些機型仍不夠嚴格，當柴油機按全負荷速度特性工作時(shí)不能保證它在各種下都不超負荷。某些柴油機的平均有效壓力以及有效扭矩在轉速降低時(shí)將有所增大，這就可能使柴油機的機械負荷在較低轉速運轉時(shí)超出允許值。

      因此，對柴油發(fā)電機各種響應曲線(xiàn)的理解是確保柴油發(fā)電機組的可靠性和穩定性的關(guān)鍵。在柴油發(fā)電機組日常生產(chǎn)和維護中，操作員們必須密切關(guān)注這些曲線(xiàn)，確保機器的正常運行。

 

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