新聞主題	康明斯柴油發(fā)電機(jī)組的電氣性能指標(biāo)

 

摘要：對(duì)于采購柴油發(fā)電機(jī)組的人員來說，必須熟悉機(jī)組的主要電氣性能指標(biāo)，因?yàn)樵撝笜?biāo)意味著設(shè)備質(zhì)量與性能表現(xiàn)數(shù)據(jù)。柴油發(fā)電機(jī)組的主要電氣性能指標(biāo)包括穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩類，柴油發(fā)電機(jī)組在一定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電氣性能指標(biāo)稱作穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。柴油發(fā)電機(jī)組的主要?jiǎng)討B(tài)指標(biāo)包括電壓和頻率穩(wěn)定時(shí)間、瞬態(tài)電壓凋整率和瞬態(tài)頻率調(diào)整率、直接啟動(dòng)空載異步電動(dòng)機(jī)的能力、發(fā)電機(jī)組并車性能以及無線電干擾允許值等數(shù)據(jù)。

 

柴油發(fā)電機(jī)組三維布局圖

 

 一、柴發(fā)主要電氣性能指標(biāo)

 

1、頻率降δfst

      δf在整定頻率確定的條件下，額定空載頻率fir與標(biāo)稱功率時(shí)的額定頻率fr之間的頻率差用額定頻率fr的某一百分?jǐn)?shù)表示，稱為頻率降，用fstd表示它等同于我國標(biāo)準(zhǔn)中的穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率（fd）。

2．穩(wěn)態(tài)頻率帶βf和頻率波動(dòng)率δfB

（1）穩(wěn)態(tài)頻率帶βf是指在恒定功率時(shí)發(fā)電機(jī)組頻率圍繞某一平均值波動(dòng)的包絡(luò)線寬度，用額定頻率的某一百分?jǐn)?shù)表示之值。

（2）頻率波動(dòng)率δfB是指在恒定功率時(shí)發(fā)電機(jī)組頻率波動(dòng)的比值。

3、相對(duì)的頻率容差帶αf

      由于穩(wěn)態(tài)頻率容差帶Df是人為規(guī)定的，所以αf也屬約定值，而βf是實(shí)際值。規(guī)定αf（?f）的目的是為了計(jì)算頻率恢復(fù)時(shí)間tf,in（tf,de）。

4、相對(duì)的頻率整定下降范圍δfs,do

      用額定頻率的某一百分?jǐn)?shù)表示，可反映頻率整定下降范圍。

5、相對(duì)的頻率整定上升范圍δfs,up

      用額定頻率的某一百分?jǐn)?shù)表示，可反映頻率整定上升范圍。

6、頻率整定變化速率γf

      頻率整定變化速率γf是指在遠(yuǎn)距離控制條件下，用每秒相對(duì)的頻率整定范圍的某一百分?jǐn)?shù)表示的頻率整定變化速率。

7、對(duì)初始頻率的瞬態(tài)頻率偏差δfd

      δfd是指在某一突變負(fù)載出現(xiàn)調(diào)速的過程中，其下沖（或上沖）頻率與初始頻率之間的頻率差，用相對(duì)于額定頻率的某一百分?jǐn)?shù)表示。

8、對(duì)額定頻率的瞬態(tài)頻率偏差δfdyn

      δfdyn是指在某一突變負(fù)載出現(xiàn)的調(diào)速過程中，其下沖（或上沖）頻率與額定頻率之間的頻率差，用相對(duì)于額定頻率的某一百分?jǐn)?shù)表示。

9、瞬態(tài)頻率調(diào)整率δfs

      瞬態(tài)頻率調(diào)整率是指發(fā)電機(jī)組在突加或突減負(fù)載時(shí)，瞬間變化頻率與負(fù)載變化前頻率的差值與額定頻率的比值。

10、頻率恢復(fù)時(shí)間和頻率穩(wěn)定時(shí)間tf

（1）頻率恢復(fù)時(shí)間是指在規(guī)定的負(fù)載突變后，從頻率離開穩(wěn)態(tài)頻率帶至其永遠(yuǎn)地重新進(jìn)入規(guī)定的穩(wěn)態(tài)頻率容差帶的時(shí)間。

（2）頻率穩(wěn)定時(shí)間指從頻率突變時(shí)起至開始穩(wěn)定在頻率波動(dòng)范圍內(nèi)所需的時(shí)間。

11、穩(wěn)態(tài)電壓偏差δUst和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率δU

（1）穩(wěn)態(tài)電壓偏差δUst是指對(duì)空載與額定輸出之間的所有功率和在規(guī)定的功率因數(shù)下，在額定功率時(shí)考慮溫升影響的穩(wěn)態(tài)條件下偏離整定電壓的最大偏差。穩(wěn)態(tài)電壓偏差δUst用額定電壓的某一百分?jǐn)?shù)表示。

（2）穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率（δu）是指同步發(fā)電機(jī)在從空載到額定負(fù)載的所有負(fù)載條件下穩(wěn)態(tài)電壓的變化率，通常為≤±0.5%。

12、電壓不平衡度δU2,0

      電壓不平衡度δU2,0是指空載下的負(fù)序或零序電壓分量對(duì)正序電壓分量的比值，用額定電壓的某一百分?jǐn)?shù)表示。

U0=UA+UB+UC

式中，U1=（UA+αUB+α2UC）；

U2=（UA+α2UB+αUC）；

其中，α是模等于1而幅角等于2p/3的一個(gè)復(fù)數(shù)，以α乘以某量就等于將某向量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°。

13、相對(duì)的電壓整定范圍δUs

      用額定電壓的某一百分?jǐn)?shù)表示的電壓整定范圍。

（1）電壓整定下降范圍：D?Us,do=Ur−Us,do

（2）電壓整定上升范圍：D?Us,up=Us,up−Ur

（3）相對(duì)的電壓整定范圍：

14、電壓整定變化速率γu

     與頻率整定變化速率的情形類似，不再重復(fù)。

15、瞬態(tài)電壓偏差δUdyn

（1）按負(fù)載增加的瞬態(tài)電壓偏差是指當(dāng)發(fā)電機(jī)在正常勵(lì)磁控制下被驅(qū)動(dòng)在額定頻率和額定電壓時(shí)，接通額定負(fù)載，用額定電壓的某一百分?jǐn)?shù)表示的電壓降。

（2）按負(fù)載減少的瞬態(tài)電壓偏差是指當(dāng)發(fā)電機(jī)在正常勵(lì)磁控制下被驅(qū)動(dòng)在額定頻率和額定電壓時(shí)，突然切除額定負(fù)載，用額定電壓的某一百分?jǐn)?shù)表示的電壓升。

16、電壓恢復(fù)時(shí)間與穩(wěn)態(tài)電壓容差帶

      電壓恢復(fù)時(shí)間tu（tu,in，tu,de）：從某一負(fù)載變化瞬時(shí)（t1）開始至當(dāng)電壓恢復(fù)并保持在規(guī)定的穩(wěn)態(tài)電壓容差帶內(nèi)瞬時(shí)（t2）止的時(shí)間。

17、相對(duì)的穩(wěn)態(tài)電壓容差帶αu

      該指標(biāo)與αf一樣同屬約定值。

18.電壓調(diào)制

      在某一穩(wěn)態(tài)電壓下，在低于基本的發(fā)電頻率的有代表性的頻率下，用在額定頻率和恒定轉(zhuǎn)速時(shí)平均峰值電壓的某一百分?jǐn)?shù)表示的準(zhǔn)周期電壓變化（峰對(duì)峰），稱為電壓調(diào)制。

19、周期不均勻度

      此概念與電壓調(diào)制的概念是一致的。電壓調(diào)制和周期不均勻度這兩個(gè)概念與電壓波動(dòng)率的概念是類似的。電壓調(diào)制與電壓波動(dòng)既有聯(lián)系又有區(qū)別。一般對(duì)中頻（400Hz）發(fā)電機(jī)組用電壓調(diào)制考核。電壓調(diào)制對(duì)用電設(shè)備的影響除了電壓幅值變化外，還要考慮調(diào)制的頻率。同時(shí)，各自試驗(yàn)儀器也不同。測量電壓調(diào)制必須要示波器；測量波動(dòng)率則用指針式儀表即可。

20、負(fù)載電壓整定范圍Uz

      發(fā)電機(jī)組的空載電壓整定范圍為額定電壓的95%～105%，這是由于發(fā)電機(jī)組與用電設(shè)備之間有一定的電纜電壓降，發(fā)電機(jī)組應(yīng)保證在一定的負(fù)載下，輸出電纜末端應(yīng)具有正常的工作電壓的規(guī)定值。

21、熱態(tài)電壓變化

      熱態(tài)電壓變化是發(fā)電機(jī)組在標(biāo)定工況下從冷態(tài)到熱態(tài)的電壓變化。對(duì)于采用可控勵(lì)磁裝置的發(fā)電機(jī)組，應(yīng)不超過±2%標(biāo)定電壓；對(duì)于采用不可控勵(lì)磁裝置的發(fā)電機(jī)組，應(yīng)不超過±5%標(biāo)定電壓。

22、電壓正弦波形畸變率

      發(fā)電機(jī)組要求發(fā)電機(jī)的理想波形是正弦波，但實(shí)際上發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢中含有三次及三次以上的高次諧波，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的三次諧波尤為嚴(yán)重，使發(fā)電機(jī)的電壓的正弦波形產(chǎn)生畸變。電壓的正弦波形畸變率過大，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，當(dāng)濕度升高時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的絕緣受到影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)用電設(shè)備的正常工作有影響。發(fā)電機(jī)組在空載標(biāo)定電壓時(shí)，線電壓的正弦波形畸變率應(yīng)不大于10%。

23、冷熱態(tài)電壓變化

      這是指發(fā)電機(jī)組在額定工況下從冷態(tài)到熱態(tài)的電壓變化。對(duì)于采用可控勵(lì)磁裝置發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)組，應(yīng)不超過±2%額定電壓；對(duì)于采用不可控勵(lì)磁裝置發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)組，應(yīng)不超過±5%額定電壓。

24、畸變率

      發(fā)電機(jī)組在空載額定電壓時(shí)，線電壓的正弦波形畸變率應(yīng)不大于下列規(guī)定值：單相發(fā)電機(jī)組和額定功率小于3kW的三相發(fā)電機(jī)組為15%；

（1）額定功率為3～250kW的三相發(fā)電機(jī)組為10%；

（2）額定功率大于250kW的三相發(fā)電機(jī)組為5%。

25、不對(duì)稱負(fù)載要求

      對(duì)于額定功率不大于250kW的三相發(fā)電機(jī)組，在一定的三相對(duì)稱負(fù)載下，在其中任一相（對(duì)可控硅勵(lì)磁的則指接可控硅的一相）上再加25%額定相功率的電阻性負(fù)載，當(dāng)該相的總負(fù)載電流不超過額定值時(shí)應(yīng)能正常工作，線電壓的最大（或最?。┲蹬c三相電壓平均值之差應(yīng)不超過三相電壓平均值的±5%。

 

二、影響柴發(fā)動(dòng)態(tài)性能的因素

 

      動(dòng)態(tài)性能是指柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)各輸入量和輸出量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。為了保證柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)、運(yùn)行的安全性和可靠性，本文中主要講述了影響柴油發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制幾個(gè)主要因素，警示用戶在設(shè)備選型之前針對(duì)這些問題作出正確的采購計(jì)劃。 

1、結(jié)構(gòu)型式

      除了選擇自然吸氣式柴油發(fā)電機(jī)還是渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)；同時(shí)還取決于渦輪增壓器、調(diào)速器和噴油泵的具體結(jié)構(gòu)。對(duì)于自然吸氣式柴油發(fā)電機(jī)，易于獲得高的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)；對(duì)渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)，則由于增壓過程無法瞬間完成過渡，載荷變化時(shí)需要的加速（或減速）時(shí)間要長得多，動(dòng)態(tài)性能較差。某些品牌的柴油機(jī)增壓器葉輪采用了輕質(zhì)、耐高溫的材料制造，運(yùn)轉(zhuǎn)慣性大大減小，其動(dòng)態(tài)性能會(huì)有所改善。就調(diào)速器而言，電子調(diào)速器要優(yōu)于機(jī)械式調(diào)速器，例如，采用Barber-Colman 電子調(diào)速器，這一動(dòng)態(tài)指標(biāo)可比機(jī)械調(diào)速器提高一個(gè)等級(jí)。

2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

      轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Moment of Inertia)是剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性（回轉(zhuǎn)物體保持其勻速圓周運(yùn)動(dòng)或靜止的特性）的量度，用字母I或J表示。在經(jīng)典力學(xué)中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（又稱質(zhì)量慣性矩，簡稱慣距）通常以I或J表示，SI 單位為 kg·m²。對(duì)于一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，I=mr²，其中 m 是其質(zhì)量，r是質(zhì)點(diǎn)和轉(zhuǎn)軸的垂直距離。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)中的角色相當(dāng)于線性動(dòng)力學(xué)中的質(zhì)量，可形式地理解為一個(gè)物體對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性，用于建立角動(dòng)量、角速度、力矩和角加速度等數(shù)個(gè)量之間的關(guān)系。

      整個(gè)發(fā)電機(jī)組中包括柴油機(jī)、飛輪、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以降低載荷變化時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的幅值，從而減小瞬態(tài)頻率偏差。而對(duì)于恢復(fù)時(shí)間則可能有正反兩方面的影響，需要具體分析。因此調(diào)整慣量值時(shí)，必需要考慮到這兩個(gè)指標(biāo)的折衷。通?？梢酝ㄟ^選擇不同尺寸的飛輪，或不同型號(hào)的聯(lián)軸器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3、柴油機(jī)的功率裕度

      柴油機(jī)功率裕度指的是該機(jī)型的實(shí)際設(shè)計(jì)的最大功率與使用的最大功率的差。保證發(fā)電機(jī)組額定電功率所需的柴油機(jī)功率與該柴油機(jī)能發(fā)出的最大持續(xù)功率的比值就表示了該柴油機(jī)的功率裕度。此比值越小，表示柴油機(jī)配機(jī)的功率裕度越大，發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能要求就越易達(dá)到。

      比如說：柴油機(jī)該機(jī)型的設(shè)計(jì)最大功率為2000kW，而實(shí)際的船型上設(shè)計(jì)的柴油機(jī)最大功率為1800kW，就是說有200kW的功率裕度。柴油機(jī)有功率裕度對(duì)機(jī)體的壽命和長期使用上都有很大的好處。但是不宜儲(chǔ)備過大，功率儲(chǔ)備過大在性價(jià)比上就不高了。

4、對(duì)發(fā)電機(jī)組的加載比例

      對(duì)自然吸氣式柴油發(fā)電機(jī)，突加和突卸1％負(fù)荷都是可以辦到的。而對(duì)渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)由于增壓器的工作無法實(shí)現(xiàn)瞬間過渡，突加10％負(fù)荷通常無法做到。因此需要按一定比例分級(jí)加載。柴油機(jī)的平均有效壓力取決于柴油機(jī)的許多結(jié)構(gòu)因素和燃燒過程的組織，柴油機(jī)的增壓程度對(duì)此有著重大影響。因此在柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8528一5和老的德國標(biāo)準(zhǔn)DIN6280中都推薦了根據(jù)平均有效壓力值確定加載等級(jí)和載荷比例的做法。而在較早的IS03 6一1978 中卻規(guī)定了不同形式的加載等級(jí)一比例曲線 。這種變化主要是由于柴油機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展，增壓度越來越高，陳舊的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)不再適用，而人們的認(rèn)識(shí)也在技術(shù)發(fā)展的過程中不斷提高，根據(jù)新的經(jīng)驗(yàn)作出了這種改變。經(jīng)驗(yàn)證明，高載荷段對(duì)瞬態(tài)指標(biāo)的影響要比低載荷段大得多。因此高載荷段的比例間隔要比低載荷段小得多。

      分級(jí)比例也僅是作為參考的指導(dǎo)值。在實(shí)際運(yùn)用中還必需考慮用電設(shè)備的工作要求，然后通過對(duì)系統(tǒng)配置的調(diào)整確定加載等級(jí)和比例。因此無論ISO或DIN標(biāo)準(zhǔn)都特別強(qiáng)調(diào)了用戶和制造商進(jìn)行協(xié)商的必要性。這樣可能會(huì)出現(xiàn)以下情況：相同配置的發(fā)電機(jī)組由于用電設(shè)施不同，加載的比例不同，達(dá)到的發(fā)電機(jī)組精度等級(jí)會(huì)不同。由此表明，發(fā)電機(jī)組的精度等級(jí)具有相對(duì)性，它對(duì)負(fù)載有很大的依從性。

 

總結(jié)：

      在計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，可以通過模擬計(jì)算來預(yù)測發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)可能達(dá)到的性能水平，這對(duì)于正確選定柴油機(jī)，預(yù)先確定系統(tǒng)配套狀態(tài)是極有幫助的。美國康明斯公司在上世紀(jì)八十年代為我國提供柴油機(jī)時(shí)，為滿足發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算的部分結(jié)果。計(jì)算系統(tǒng)采用了WOODWARD PSG液壓調(diào)速器，分兩級(jí)加載。在穩(wěn)態(tài)速度降設(shè)定為4％的情況下，第一級(jí)加載得到的動(dòng)態(tài)頻率偏差為8％左右；而第二級(jí)加載盡管只有37％的載荷增值，動(dòng)態(tài)頻率偏差卻達(dá)到了10％?；謴?fù)時(shí)間均接近3秒。該發(fā)電機(jī)組要求動(dòng)態(tài)偏差不大于7％，恢復(fù)時(shí)間不大于3秒。由于動(dòng)態(tài)偏差過大，這種配置不能符合要求。后來改用BARBER—COLMAN電子調(diào)速器，才達(dá)到了要求。

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