新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)功率、容量與負(fù)載的匹配關(guān)系圖解

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)組的功率匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)是指根據(jù)使用環(huán)境、負(fù)載情況、用途、性能要求等條件，依據(jù)機(jī)組的輸出功率要求，合理地選擇柴油機(jī)的功率及發(fā)電機(jī)的功率，以最優(yōu)的方式來(lái)滿足不同條件下的使用要求。本文以康明斯NTA855系列柴油機(jī)為例介紹了柴油發(fā)電機(jī)組的功率匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)介紹了負(fù)載為非線性負(fù)載下的功率匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路及注意事項(xiàng)。

 

一、柴發(fā)功率與容量關(guān)系及影響因素

 

      柴油發(fā)電機(jī)的功率和容量之間存在一定的關(guān)系，除了容量的大小外，控制柴油發(fā)電機(jī)功率的因素還有負(fù)載、燃油、機(jī)組的質(zhì)量等。

1、功率和容量的關(guān)系

      柴油發(fā)電機(jī)的容量是指它所能輸出的最大電功率，通常以千伏安（kVA）為單位，也就是視在功率，它包括了有功功率和無(wú)功功率。而功率是指單位時(shí)間內(nèi)所能完成的功，以千瓦特（KW）為單位，即有功功率。

視在功率×功率因數(shù)cosФ=有功功率

      一般發(fā)電機(jī)功率因素為0.8，計(jì)算結(jié)果即1KVA=0.8*1KW。

      因此，柴油發(fā)電機(jī)的功率和容量之間存在一定的關(guān)系，如圖1所示。一般來(lái)說(shuō)，柴油發(fā)電機(jī)的容量越大，它所能輸出的最大功率也就越大。

2、影響柴發(fā)功率和容量的因素

      除了容量的大小外，還有其他因素會(huì)影響柴油發(fā)電機(jī)的功率和容量。

（1）負(fù)載

      負(fù)載是指柴油發(fā)電機(jī)輸出電能的用戶和電氣設(shè)備，負(fù)載越大，柴油發(fā)電機(jī)所能輸出的最大功率也就越大。負(fù)載分為電感性、電容性、電阻性三種，其中感性和容性是用的比較多的，它們之間關(guān)系如圖2所示。

      感性和容性指的是電路中電壓與電流的相位關(guān)系。當(dāng)負(fù)載是電感性質(zhì)時(shí)，電壓相位電流，即負(fù)載是感性的;當(dāng)負(fù)載是容性負(fù)載時(shí)，電壓相位滯后電流，電流相位電壓，即負(fù)載是容性的。

① 感性負(fù)載

　　感性負(fù)載是指帶有電感參數(shù)的負(fù)載。確切講，應(yīng)該是負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個(gè)相位差特性的為感性負(fù)載，比如如變壓器，電動(dòng)機(jī)等。另外一種是指有些設(shè)備在消耗有功功率時(shí)還會(huì)消耗無(wú)功功率，并且有線圈負(fù)載的電路，叫感性負(fù)載。

② 容性負(fù)載

　　容性負(fù)載一般是指帶電容參數(shù)的負(fù)載，即符合電壓滯后電流特性的負(fù)載。容性負(fù)載充放電時(shí)，電壓不能突變，其對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)為負(fù)值，對(duì)應(yīng)的感性負(fù)載的功率因數(shù)為正值。

（2）燃油

      在同樣的負(fù)載下，柴油發(fā)電機(jī)所使用的燃油類型和質(zhì)量也會(huì)影響它的功率和容量。好的燃油能夠使柴油發(fā)電機(jī)的效率更高，輸出功率也更大。

（3）設(shè)備質(zhì)量

      設(shè)備質(zhì)量（或工作效率）也會(huì)直接影響柴油發(fā)電機(jī)的功率和容量。好的機(jī)組設(shè)計(jì)和制造能夠使發(fā)電機(jī)的效率更高，輸出功率也更大。

      在選擇柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，首先要根據(jù)需求確定需要的功率和容量，并根據(jù)實(shí)際情況合理把握。同時(shí)，還要考慮到燃油的質(zhì)量、發(fā)電機(jī)的質(zhì)量和有效期、負(fù)載情況等因素的影響，綜合選擇適合自己需求的柴油發(fā)電機(jī)。

 

圖1  發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功、視在功率三角圖

圖2  負(fù)載與功率四象限示意圖

 

二、常規(guī)機(jī)組功率匹配

 

      本文以康明斯公司生產(chǎn)的NTA855系列柴油機(jī)為例，簡(jiǎn)要闡述不同條件下的功率匹配設(shè)計(jì)問(wèn)題，因條件類型比較多，在這里不能一一闡述，本文僅根據(jù)作者的工作經(jīng)驗(yàn)列舉部分具有代表性的條件進(jìn)行闡述。本文所涉及到的術(shù)語(yǔ)，未作解釋的請(qǐng)查閱JB/T8194-2001《內(nèi)燃機(jī)電站名詞術(shù)語(yǔ)》。

      常規(guī)機(jī)組指在規(guī)定的工況條件下，能輸出標(biāo)定功率的機(jī)組，其負(fù)載為0.8功率因數(shù)條件下的負(fù)載。

1、柴油機(jī)功率標(biāo)定方法

      康明斯公司K19系列柴油機(jī)功率標(biāo)定采用GB/T6072.1-2008中規(guī)定的方法，以12h功率或1h功率為標(biāo)定指標(biāo)，如康明斯KTAA19-G6柴油機(jī)標(biāo)定的12h功率為570kW，1h功率為520kW，其含義是在規(guī)定的額定工況環(huán)境條件下，允許柴油機(jī)以520kW的功率連續(xù)運(yùn)行12h，而570kW作為超負(fù)荷功率使用，即每12h運(yùn)行期內(nèi)允許柴油機(jī)間斷或不間斷地以110%持續(xù)功率運(yùn)行1h。1h功率≈12h功率/1.1。

2、計(jì)算公式

      柴油發(fā)電機(jī)組的匹配功率P可按下式計(jì)算，此功率不得超過(guò)發(fā)電機(jī)的標(biāo)定功率（相應(yīng)工況條件下）。

P=（P_nη?-P?）η?.....................（公式1）

式中，P_n——柴油機(jī)額定功率；

P?——風(fēng)扇等柴油機(jī)外圍附件功率損耗，由柴油機(jī)廠家提供。一般情況下，柴油機(jī)功率越大損耗越大，若柴油機(jī)標(biāo)定的功率為凈有效輸出功率，則該數(shù)值為零；

η?——發(fā)電機(jī)效率，由發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家提供，一般在0.74~0.96之間，發(fā)電機(jī)功率越小，其效率越低；

η?——功率修正系數(shù)。若用戶所購(gòu)買(mǎi)的機(jī)組其輸出標(biāo)定功率的使用環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)狀況存在差異時(shí)，其數(shù)值依據(jù)GB/T6072.1-2008規(guī)定的方法進(jìn)行換算，在額定工況下，功率修正系數(shù)η?=1.0。近似粗算修正系數(shù)數(shù)值見(jiàn)表1（供參考，具體以柴油機(jī)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)）：

表1    功率修正系數(shù)η?

   

  因此在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)組時(shí)，發(fā)電機(jī)組的標(biāo)定功率按下式計(jì)算：

P=（P_nη?-P?）η?

      發(fā)電機(jī)標(biāo)定功率P應(yīng)大于機(jī)組的標(biāo)定功率P?。

3、實(shí)際案例

      以NTA855-G1B柴油機(jī)為例，其額定功率為280 kW，設(shè)計(jì)工況為標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)狀況下的發(fā)電機(jī)組標(biāo)定功率，即機(jī)組的額定功率。

P?≤P=（P_nη?-P?）η?.....................（公式2）

=（280×1-10）×0.926

=250 kW

      因此，機(jī)組的額定功率P=250 kW，機(jī)組在額定工況條件下能正常地連續(xù)運(yùn)行12h（其中包括超載10%運(yùn)行1h），若連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)12 h，其輸出功率為額定功率的90%。

      根據(jù)發(fā)電機(jī)功率選擇≥機(jī)組額定功率P的要求，發(fā)電機(jī)功率選配為250 kW。

 

三、非線性負(fù)載下的功率匹配

 

      該條件下的功率匹配設(shè)計(jì)也是在規(guī)定的工況條件下，但其負(fù)載比較特殊。非線性負(fù)載是指電壓和電流之間是非線性關(guān)系的負(fù)載。在負(fù)載投入、運(yùn)行過(guò)程中，電壓、電流的關(guān)系是經(jīng)常變化的，其波形也不是我們常說(shuō)的正弦交流波，而是含有不光滑的畸變成分，根據(jù)數(shù)學(xué)方法可分解為基波和一系列的高次諧波，主要是5次、7次等奇次諧波。

1、常見(jiàn)非線性負(fù)載的類型

（1）開(kāi)關(guān)電源、UPS；

（2）電子數(shù)據(jù)圖象設(shè)備--電視、電影等無(wú)線電發(fā)射設(shè)備、可控?zé)艄庠O(shè)備等；

（3）整流器、熒光燈；

（4）電動(dòng)機(jī)負(fù)載，電動(dòng)機(jī)雖然不是非線性負(fù)載，但是由于控制方式上經(jīng)常使用軟起動(dòng)器、變頻控制的手段，也屬于非線性負(fù)載考慮的范疇。

2、非線性負(fù)載的影響

（1）發(fā)電機(jī)組的輸出電壓突然增高；

（2）發(fā)電機(jī)組的輸出頻率在40-60 Hz之間波動(dòng)；

（3）非線性負(fù)載的高次諧波導(dǎo)致反常的導(dǎo)體發(fā)熱，損壞發(fā)電機(jī)的繞組、勵(lì)磁回路和AVR。圖3顯示的是正常的正弦電壓波形和畸變的電壓波形；圖4顯示的是正弦穩(wěn)態(tài)電路中的瞬時(shí)功率波形。

（4）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電流會(huì)比正常工作時(shí)的電流大若干倍，功率因數(shù)又非常低，所以會(huì)造成發(fā)電機(jī)端電壓下降，可能會(huì)造成配電設(shè)備的保護(hù)動(dòng)作；頻繁起動(dòng)還可能造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子燒壞。當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)也要進(jìn)行發(fā)電機(jī)的特殊選型，這類情況主要是工廠用戶、大樓的消防水泵、消防電梯等。

2、功率匹配設(shè)計(jì)的思路

      了解用戶非線性負(fù)載的類型，并盡可能要求用戶提供以下資料：基本負(fù)載的容量、負(fù)載投入的順序和非線性負(fù)載的類型。

      功率匹配設(shè)計(jì)思路同本文的計(jì)算公式（2），但須考慮用戶非線性負(fù)載的類型，考慮其所產(chǎn)生的影響，因此在計(jì)算公式（2）的基礎(chǔ)上根據(jù)不同的非線性負(fù)載類型，建議采用以下3種方法：

（1）在不增加柴油機(jī)功率的條件下配置一臺(tái)較大容量的發(fā)電機(jī)，以提高機(jī)組帶非線性負(fù)載的能力。發(fā)電機(jī)輸出功率一般可以按照表2的參考值進(jìn)行選擇。

表2    非線性負(fù)載下的發(fā)電機(jī)功率匹配關(guān)系

 

      若負(fù)載為電動(dòng)機(jī)負(fù)載，起動(dòng)電流的倍數(shù)與起動(dòng)方式的關(guān)系見(jiàn)表3。應(yīng)根據(jù)起動(dòng)容量要求，進(jìn)行發(fā)電機(jī)的選型，考慮起動(dòng)容量時(shí)，需考慮起動(dòng)的順序，是否要求同時(shí)起動(dòng)等因素。

（2）盡可能采用無(wú)刷永磁式勵(lì)磁交流發(fā)電機(jī)或使用三次諧波勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)，來(lái)提高發(fā)電機(jī)組帶非線性負(fù)載的能力。

注意：上述2種方法，可結(jié)合起來(lái)考慮使用。

（3）若發(fā)電機(jī)功率與柴油機(jī)功率相差較大，為提高柴油機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，須適當(dāng)考慮提高柴油機(jī)的功率。

 

圖3  正弦和畸變電壓波形

圖4  正弦穩(wěn)態(tài)電路中的瞬時(shí)功率波形圖

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機(jī)的功率和容量之間存在一定的關(guān)系，除了容量大小外，還有其他因素會(huì)影響柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率。選擇適合自己需求的柴油發(fā)電機(jī)需要考慮多方面的因素，使其滿足實(shí)際生產(chǎn)和生活需求。因此，柴油發(fā)電機(jī)組功率匹配設(shè)計(jì)需考慮機(jī)組的使用環(huán)境、負(fù)載的狀況、用途及性能要求等，根據(jù)不同的客戶要求，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化，在滿足使用要求、保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，以最低的成本達(dá)到客戶的要求。

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