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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(dòng)機將柴油燃燒所產(chǎn)生的熱能轉化為旋轉運動(dòng)的機械能；發(fā)電機將旋轉的機械能轉化為電能。主要由柴油發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機、控制系統組成。柴油發(fā)電機是一種高效、高功率、耐久性好、適應性強但污染嚴重、噪音大等缺點(diǎn)的電力設備，但在某些領(lǐng)域，如備用電源和應急電源方面，柴油發(fā)電機仍然具有不可替代的作用。

 

一、柴油發(fā)電機組結構組成

 

        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(dòng)和控制用蓄電瓶、保護裝置、應急柜等部件組成，結構如圖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(dòng)機飛輪盤(pán)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），由控制系統來(lái)顯示各種傳感器的工作狀態(tài)。 控制系統通過(guò)電纜與發(fā)電機和傳感器連接以顯示數據。

2、 柴油機

        柴油機主要由氣缸、活塞、曲軸、連桿、進(jìn)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(gè)圓筒形的容器，內部有一個(gè)活塞和一個(gè)燃燒室。曲軸則是將活塞的往復運動(dòng)轉化為旋轉運動(dòng)的關(guān)鍵部件。

        在柴油機汽缸內，經(jīng)過(guò)空氣濾清器過(guò)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(diǎn)。柴油被點(diǎn)燃，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動(dòng)活塞下行，稱(chēng)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(guò)連桿變成了推動(dòng)曲軸轉動(dòng)的力量，從而帶動(dòng)曲軸旋轉。

 

圖1  柴油發(fā)電機組結構圖

發(fā)動(dòng)機展開(kāi)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，是以電磁感應為基礎的旋轉式機械。根據其結構特點(diǎn)可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種。

        將無(wú)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帶動(dòng)發(fā)電機的轉子，利用‘電磁感應’原理，發(fā)電機就會(huì )輸出感應電動(dòng)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(diǎn)

      康明斯電力發(fā)電機組是采用全集成的電力系統。性能優(yōu)越，可靠性強，提供多種穩定的備用和優(yōu)質(zhì)的電力，并可應用于連續載荷的工作條件。其外觀(guān)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(dòng)機 - 四沖程工業(yè)發(fā)動(dòng)機提供可靠的動(dòng)力、超低的排放和快速的負荷響應。

（2）永磁發(fā)電機(PMG)- 提供超凡的電動(dòng)機起動(dòng)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節距低電抗繞組和F級或H級絕緣，改善電動(dòng)機的起動(dòng)性能，具有在非線(xiàn)性負載下電壓波形畸變小，短路故障清能力強等優(yōu)點(diǎn)。

（4）控制系統 - 標準配置PowerCommand^TM電子控制系統提供的集成控制包括：遠程自動(dòng)啟動(dòng)/停機，精確的頻率和電壓調節，報警和狀態(tài)信息顯示，AmpSentry保護，輸出儀表顯示和自動(dòng)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

 

      傳統柴油機的基本結構包括曲柄連桿機構、配氣機構、傳動(dòng)機構、燃油供給系統、潤滑系統、冷卻系統、起動(dòng)系統，俗稱(chēng)三大機構四大系統。這些系統和機構的良好配合，是柴油機能夠產(chǎn)生動(dòng)力并對外輸出動(dòng)力的關(guān)鍵。結構圖如圖5、圖6所示。

1、柴油機能量的產(chǎn)生

      氣缸內的柴油燃燒（油+氣）產(chǎn)生動(dòng)能，帶動(dòng)與活塞相連的曲柄連桿機構繞曲軸作往復圓周運動(dòng)，輸出動(dòng)力。

2、能量轉換方式

      柴油的化學(xué)能轉化成熱能，熱能轉化為機械能。

3、工作過(guò)程

      進(jìn)氣沖程（油氣混合）、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程，每一時(shí)刻四個(gè)沖程往復循環(huán)。

4、曲軸旋轉角度

      四沖程柴油機在一個(gè)工作循環(huán)中帶動(dòng)曲軸旋轉兩次（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(diǎn)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(diǎn)采用壓燃式點(diǎn)火，不需要專(zhuān)門(mén)的火花塞。

6、增壓過(guò)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(shí)，油可充分的燃燒，提升發(fā)動(dòng)機動(dòng)力。渦輪增壓的原理是在發(fā)動(dòng)機轉速上升至一定轉速時(shí)，排出的廢氣帶動(dòng)渦輪旋轉，渦輪帶動(dòng)壓縮機工作，將經(jīng)過(guò)壓縮機的高溫高壓氣體經(jīng)過(guò)冷卻變?yōu)榈蜏馗邏簹怏w輸入至氣缸中，實(shí)現渦輪增壓的過(guò)程。渦輪增壓實(shí)際上是增大扭矩/功率。

7、柴油機的特點(diǎn)

      四大系統中，曲柄連桿機構、配氣機構和燃油供給系統，是柴油機的三個(gè)最基本的部分，它們互相配合，完成柴油機的工作循環(huán)，實(shí)現能量轉換。 在使用過(guò)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(fēng)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(jìn)油管接頭

圖6  柴油發(fā)電機的頂視圖 1-冷卻液進(jìn)口接頭 2-渦輪增壓器進(jìn)氣口 3-渦輪增壓器出氣口 4-渦輪增壓器排氣口5-渦輪增壓器執行器空氣管 6-曲軸箱通風(fēng)裝置 7-飛輪殼 8-曲軸箱通風(fēng)裝置機油回油管 9-曲軸箱通風(fēng)導流管 10-渦輪增壓器控制閥11-燃油濾清器支架 12-進(jìn)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(gè)南北極交替排列的永磁鐵（稱(chēng)為轉子）和硅鑄鐵制造并繞有多組串聯(lián)線(xiàn)圈的電樞線(xiàn)圈（稱(chēng)為定子）組成。

1、基本原理

      旋轉磁極式發(fā)電機產(chǎn)生電動(dòng)勢的原理與旋轉電樞式相同，都是電磁感應現象，如圖7所示。而主要區別有兩點(diǎn)：

（1）產(chǎn)生感應電流的方式：

      旋轉電樞式發(fā)電機通過(guò)電樞的旋轉使閉合線(xiàn)圈的磁通量變化，從而產(chǎn)生感應電流；旋轉磁極式發(fā)電機則通過(guò)磁極的旋轉使定子線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)，從而在定子線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電流。

（2）電力輸出方式：

      旋轉電樞式發(fā)電機通過(guò)電刷和集電環(huán)向外接電路供電；而旋轉磁極式發(fā)電機則直接將電力送往外接電路，因此相對于旋轉電樞式、旋轉磁極式發(fā)電機可提供電高的電壓，適用于大型發(fā)電機。

2、電動(dòng)勢的產(chǎn)生

（1）當導體切割磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)時(shí)，會(huì )在導體中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。發(fā)電機電動(dòng)勢隨時(shí)間變動(dòng)規律曲線(xiàn)如圖8所示。

（2）線(xiàn)圈abcd代表整個(gè)電傴繞組、其兩端分別固定在同一轉軸上的滑環(huán)1和2上，兩者同軸旋轉，且相對位置和連接關(guān)系不隨轉子位置的變化而變化。電刷A和B通過(guò)刷架固定在發(fā)電機的端蓋上、且與滑環(huán)1、2的滑動(dòng)接觸關(guān)系不變。

（3）當電樞沿順時(shí)針?lè )较蛐D，ab邊處于N極下時(shí)、山邊的感應電動(dòng)勢方向為由c至d，并設此時(shí)電動(dòng)勢方向為正方向;當電樞旋轉180。后、ab邊處于S極下，cd邊處于N極下，此時(shí)ab和cd邊中的電動(dòng)勢均改變方向，顯然此時(shí)電動(dòng)勢為負值。

      由上述過(guò)程可知，對于一對磁極的單向同步交流發(fā)電機、其轉子旋轉一周，在電樞繞組中產(chǎn)生一個(gè)周波的交流電動(dòng)勢。若磁通密度B按正弦規律分布，則可產(chǎn)生正弦交流電動(dòng)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(dòng)勢的原理與單項同步交流發(fā)電機完全相同。

3、電動(dòng)勢的大小

      根據電磁感應定律，當導體與磁場(chǎng)發(fā)生相對運動(dòng)時(shí)、導體中的感應電動(dòng)勢e可由式求得:

E=BLV

式中，B——磁通密度；

L——導體在磁場(chǎng)中的有效長(cháng)度；

V——導體垂直于磁場(chǎng)方向的運動(dòng)速度。

      而正弦交流電動(dòng)勢的有效值E計算：

E=Kn

式中，n——發(fā)電機轉速；

K——發(fā)電機的結構常數。

    同步交流發(fā)電機制成后，其結構常數K已成定值。因此，可通過(guò)改變發(fā)電機的轉速n或每極磁通來(lái)調整其輸出電壓的高傲。但是，通常情況下要求電動(dòng)勢的頻率f恒定，而頻率f與轉速n成正比，所以發(fā)電機的轉速是不能隨便調整的。因此，主要通過(guò)調節同步交流發(fā)電機磁通量的大小，達到調整其輸出電壓的目的。

4、電動(dòng)勢的頻率

（1）當發(fā)電機磁極對數一定時(shí)(如P=1)，其轉子每旋轉一周，電樞繞組可產(chǎn)生一個(gè)周波的交流電動(dòng)勢。轉子旋轉兩周，產(chǎn)生兩個(gè)周波的交流電動(dòng)勢，苦轉子每秒旋轉n/60周，則產(chǎn)生n/60周/s的交流電動(dòng)勢。由此可知，交流電動(dòng)勢的頻率f與發(fā)電機轉速n成正比。

（2）當發(fā)電機的轉速一定時(shí)(如n=1周/s)，磁極對數P=1，轉子每旋轉一周產(chǎn)生一個(gè)周波的交流電動(dòng)勢。磁極對數P=2，轉子每旋轉一周產(chǎn)生兩個(gè)周波的交流電動(dòng)勢。若為P對磁極，轉子每旋轉一周產(chǎn)生P個(gè)周波的交流電動(dòng)勢。由此可知，交流電動(dòng)勢的頻率f還與磁極對數P成正比。

      綜上所述，同步交流發(fā)電機電動(dòng)勢的頻率f與其轉速n 和磁極對數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)電機的轉速n或磁極對數P，均可改變其頻率f。但是，發(fā)電機制成后，其磁極對數P是不能改變的因此，只能通過(guò)改變轉速n來(lái)調整頻率f。一旦頻率f達到額定值后，就不能再隨便改變轉速n。

5、改善電動(dòng)勢波形的措施

    根據要求，同步交流發(fā)電機輸出電壓應為正弦波。但是，由于發(fā)電機定子鐵芯結構、磁極結構、電樞繞組結構、三相發(fā)電機電樞繞組的連接形式等因素的影響，電動(dòng)勢的波形會(huì )產(chǎn)生畸變，形成非正弦交流電動(dòng)勢。

    非正弦交流電動(dòng)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，還影響用電設備的正常工作。因此，在設計、生產(chǎn)同步交流發(fā)電機時(shí)，采取了諸多方法，改善電動(dòng)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、改善定子繞組結構和三相發(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近似按正弦規律分布，進(jìn)而使電動(dòng)勢成為正弦波；

（2）采用斜槽定子：將定子鐵芯扭斜一個(gè)槽距的位置，使其成為斜糟定子，無(wú)論轉子旋轉至何種位置，磁極端畫(huà)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）改善定子繞組結構：同步交流發(fā)電機通常采用短距分布式繞組結構，可消除或削弱許多高次諧波分量，使電動(dòng)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(xiàn)電壓中將不再含有三次及三的整倍數次諧波分量，改善線(xiàn)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(chēng)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(chēng)為:他勵式發(fā)電機。根據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(wú)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動(dòng)的并勵直流發(fā)電機供給勵磁功率的；采用無(wú)刷交流勵磁機勵磁是由同軸轉動(dòng)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(chēng)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(wú)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(dòng)勢隨時(shí)間變動(dòng)規律曲線(xiàn)圖

 

總結：

      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(chǎng)綜合場(chǎng)所，具有強大的傳統結構、耐久性和可靠性，是遠程或臨時(shí)用地的驅動(dòng)力。發(fā)電機的低電抗設計使得非線(xiàn)性負載下的波形畸變很小，具有良好的起動(dòng)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，康明斯柴油發(fā)電機組可以滿(mǎn)足您苛刻的需求。

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