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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)。
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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。
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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。
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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。
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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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