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柴油發(fā)電機(jī)的工作原理

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)組是利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)將柴油燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能；發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)組成。柴油發(fā)電機(jī)是一種高效、高功率、耐久性好、適應(yīng)性強(qiáng)但污染嚴(yán)重、噪音大等缺點(diǎn)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(jī)仍然具有不可替代的作用。

 

一、柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)組成

 

        柴發(fā)整套機(jī)組一般由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制箱、燃油箱、起動(dòng)和控制用蓄電瓶、保護(hù)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(qiáng)度螺栓將發(fā)電機(jī)鋼性連接片與發(fā)動(dòng)機(jī)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(hù)作用的傳感器（機(jī)油探頭，水溫探頭，油壓探頭等），由控制系統(tǒng)來(lái)顯示各種傳感器的工作狀態(tài)。 控制系統(tǒng)通過(guò)電纜與發(fā)電機(jī)和傳感器連接以顯示數(shù)據(jù)。

2、 柴油機(jī)

        柴油機(jī)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(jī)最重要的部件之一，它是一個(gè)圓筒形的容器，內(nèi)部有一個(gè)活塞和一個(gè)燃燒室。曲軸則是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件。

        在柴油機(jī)汽缸內(nèi)，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(dá)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(zhuǎn)動(dòng)的力量，從而帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。

 

圖1  柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

發(fā)動(dòng)機(jī)展開示功圖（P-φ圖）

 

3、發(fā)電機(jī)

        柴油發(fā)電機(jī)組中常用的發(fā)電機(jī)為同步交流發(fā)電機(jī)，是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種。

        將無(wú)刷同步交流發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)曲軸同軸安裝，就可以利用柴油機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，利用‘電磁感應(yīng)’原理，發(fā)電機(jī)就會(huì)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)閉合的負(fù)載回路就能產(chǎn)生電流。

4、康明斯發(fā)電機(jī)組特點(diǎn)

      康明斯電力發(fā)電機(jī)組是采用全集成的電力系統(tǒng)。性能優(yōu)越，可靠性強(qiáng)，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(dòng)機(jī) - 四沖程工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供可靠的動(dòng)力、超低的排放和快速的負(fù)荷響應(yīng)。

（2）永磁發(fā)電機(jī)(PMG)- 提供超凡的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能和短路故障承受能力。

（3）發(fā)電機(jī) – 多種發(fā)電機(jī)型號(hào)提供可選擇，采用2/3節(jié)距低電抗繞組和F級(jí)或H級(jí)絕緣，改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，具有在非線性負(fù)載下電壓波形畸變小，短路故障清能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

（4）控制系統(tǒng) - 標(biāo)準(zhǔn)配置PowerCommand^TM電子控制系統(tǒng)提供的集成控制包括：遠(yuǎn)程自動(dòng)啟動(dòng)/停機(jī)，精確的頻率和電壓調(diào)節(jié)，報(bào)警和狀態(tài)信息顯示，AmpSentry保護(hù)，輸出儀表顯示和自動(dòng)故障停機(jī)功能。

 

圖3  C90D5康明斯發(fā)電機(jī)組后視圖（電球端）

圖4  C90D5康明斯發(fā)電機(jī)組前視圖（水箱端）

  

二、柴油機(jī)生成機(jī)理

 

      傳統(tǒng)柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)，俗稱三大機(jī)構(gòu)四大系統(tǒng)。這些系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)的良好配合，是柴油機(jī)能夠產(chǎn)生動(dòng)力并對(duì)外輸出動(dòng)力的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)圖如圖5、圖6所示。

1、柴油機(jī)能量的產(chǎn)生

      氣缸內(nèi)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(jī)構(gòu)繞曲軸作往復(fù)圓周運(yùn)動(dòng)，輸出動(dòng)力。

2、能量轉(zhuǎn)換方式

      柴油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(fù)循環(huán)。

4、曲軸旋轉(zhuǎn)角度

      四沖程柴油機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中帶動(dòng)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(jī)的兩倍。

5、點(diǎn)火方式

      柴油機(jī)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(jī)在壓縮終點(diǎn)采用壓燃式點(diǎn)火，不需要專門的火花塞。

6、增壓過(guò)程

      壓縮空氣是為了提高空氣中的氧氣密度，當(dāng)氧氣密度增大時(shí)，油可充分的燃燒，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。渦輪增壓的原理是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升至一定轉(zhuǎn)速時(shí)，排出的廢氣帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動(dòng)壓縮機(jī)工作，將經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)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(xiàn)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(jī)的特點(diǎn)

      四大系統(tǒng)中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)和燃油供給系統(tǒng)，是柴油機(jī)的三個(gè)最基本的部分，它們互相配合，完成柴油機(jī)的工作循環(huán)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)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(duì)柴油機(jī)的性能具有決定性的影響。

 

圖5  柴油發(fā)電機(jī)的后視圖 1-柴油發(fā)電機(jī)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(jī)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(zhí)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(jī)油回油管 9-曲軸箱通風(fēng)導(dǎo)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(jī)油加注口 15-冷卻液出口接頭

 

三、交流發(fā)電機(jī)生成機(jī)理

 

      以旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)為例介紹柴油機(jī)組中發(fā)電機(jī)的工作原理。交流發(fā)電機(jī)主要由磁性材料制造多個(gè)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(jī)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)：

（1）產(chǎn)生感應(yīng)電流的方式：

      旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)通過(guò)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(jī)則通過(guò)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(jī)通過(guò)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(jī)則直接將電力送往外接電路，因此相對(duì)于旋轉(zhuǎn)電樞式、旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)可提供電高的電壓，適用于大型發(fā)電機(jī)。

2、電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生

（1）當(dāng)導(dǎo)體切割磁場(chǎng)的磁力線時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變動(dòng)規(guī)律曲線如圖8所示。

（2）線圈abcd代表整個(gè)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(duì)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(guò)刷架固定在發(fā)電機(jī)的端蓋上、且與滑環(huán)1、2的滑動(dòng)接觸關(guān)系不變。

（3）當(dāng)電樞沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，ab邊處于N極下時(shí)、山邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)橛蒫至d，并設(shè)此時(shí)電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)檎较?當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)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(shì)均改變方向，顯然此時(shí)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)值。

      由上述過(guò)程可知，對(duì)于一對(duì)磁極的單向同步交流發(fā)電機(jī)、其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，在電樞繞組中產(chǎn)生一個(gè)周波的交流電動(dòng)勢(shì)。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(dòng)勢(shì)。而對(duì)于三相同步交流發(fā)電機(jī)、其各項(xiàng)繞組產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)的原理與單項(xiàng)同步交流發(fā)電機(jī)完全相同。

3、電動(dòng)勢(shì)的大小

      根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體與磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)、導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e可由式求得:

E=BLV

式中，B——磁通密度；

L——導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度；

V——導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)速度。

      而正弦交流電動(dòng)勢(shì)的有效值E計(jì)算：

E=Kn

式中，n——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；

K——發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。

    同步交流發(fā)電機(jī)制成后，其結(jié)構(gòu)常數(shù)K已成定值。因此，可通過(guò)改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n或每極磁通來(lái)調(diào)整其輸出電壓的高傲。但是，通常情況下要求電動(dòng)勢(shì)的頻率f恒定，而頻率f與轉(zhuǎn)速n成正比，所以發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是不能隨便調(diào)整的。因此，主要通過(guò)調(diào)節(jié)同步交流發(fā)電機(jī)磁通量的大小，達(dá)到調(diào)整其輸出電壓的目的。

4、電動(dòng)勢(shì)的頻率

（1）當(dāng)發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)一定時(shí)(如P=1)，其轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，電樞繞組可產(chǎn)生一個(gè)周波的交流電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)兩周，產(chǎn)生兩個(gè)周波的交流電動(dòng)勢(shì)，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(dòng)勢(shì)。由此可知，交流電動(dòng)勢(shì)的頻率f與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n成正比。

（2）當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)(如n=1周/s)，磁極對(duì)數(shù)P=1，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個(gè)周波的交流電動(dòng)勢(shì)。磁極對(duì)數(shù)P=2，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生兩個(gè)周波的交流電動(dòng)勢(shì)。若為P對(duì)磁極，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生P個(gè)周波的交流電動(dòng)勢(shì)。由此可知，交流電動(dòng)勢(shì)的頻率f還與磁極對(duì)數(shù)P成正比。

      綜上所述，同步交流發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)的頻率f與其轉(zhuǎn)速n 和磁極對(duì)數(shù)P成正比，因此f的計(jì)算公式為：

F=P*n/60 (周/s)

      改變同步交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n或磁極對(duì)數(shù)P，均可改變其頻率f。但是，發(fā)電機(jī)制成后，其磁極對(duì)數(shù)P是不能改變的因此，只能通過(guò)改變轉(zhuǎn)速n來(lái)調(diào)整頻率f。一旦頻率f達(dá)到額定值后，就不能再隨便改變轉(zhuǎn)速n。

5、改善電動(dòng)勢(shì)波形的措施

    根據(jù)要求，同步交流發(fā)電機(jī)輸出電壓應(yīng)為正弦波。但是，由于發(fā)電機(jī)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(jī)電樞繞組的連接形式等因素的影響，電動(dòng)勢(shì)的波形會(huì)產(chǎn)生畸變，形成非正弦交流電動(dòng)勢(shì)。

    非正弦交流電動(dòng)勢(shì)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(yán)重影響發(fā)電機(jī)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(jì)、生產(chǎn)同步交流發(fā)電機(jī)時(shí)，采取了諸多方法，改善電動(dòng)勢(shì)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(jī)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(jìn)而使電動(dòng)勢(shì)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(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(jī)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(dòng)勢(shì)接近于正弦波；

（4）三相發(fā)電機(jī)采用星形接法：三相同步發(fā)電機(jī)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(jī)勵(lì)磁方式

       發(fā)電機(jī)勵(lì)磁功率的產(chǎn)生方式，稱為其勵(lì)磁方式。同步交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式有他勵(lì)式和自勵(lì)式兩種。

（1）他勵(lì)式：

      勵(lì)磁功率由本身以外的其他電源供給，這種發(fā)電機(jī)稱為:他勵(lì)式發(fā)電機(jī)。根據(jù)獲得勵(lì)磁功率形式的不同，他勵(lì)式交流發(fā)電機(jī)又有采用血流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁和采用無(wú)刷交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁之分。其中、采用直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁是靠同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁功率的；采用無(wú)刷交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁是由同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁功率的。

（2）自勵(lì)式：

       勵(lì)磁功率由本身供給的發(fā)電機(jī)稱為自勵(lì)式發(fā)電機(jī)。其勵(lì)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(jī)輸出端取得，由安裝在同步交流發(fā)電機(jī)的定子槽中的副繞組供給；發(fā)電機(jī)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(lì)式同步交流發(fā)電機(jī)，還是自勵(lì)式同步交流發(fā)電機(jī)，改變勵(lì)磁電流的大小，均可調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出電壓。

 

圖7  交流發(fā)電機(jī)工作原理圖

圖8  發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變動(dòng)規(guī)律曲線圖

 

總結(jié)：

      康明斯發(fā)電機(jī)組可用于高排氣量和環(huán)境敏感性的工廠綜合場(chǎng)所，具有強(qiáng)大的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、耐久性和可靠性，是遠(yuǎn)程或臨時(shí)用地的驅(qū)動(dòng)力。發(fā)電機(jī)的低電抗設(shè)計(jì)使得非線性負(fù)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(biāo)準(zhǔn)。在20千瓦至2.7兆瓦的范圍內(nèi)，康明斯柴油發(fā)電機(jī)組可以滿足您苛刻的需求。

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