柴油发电机组工作原理和基础理论

第三篇柴油发电机组工作原理和基础理论柴油发电机组概述发动机工作原理-发动机的供油系统-发动机的润滑系统-发动机的冷却系统-发动机的电气系统发电机工作原理-发电机的分类-发电机的结构组成-发电机的励磁方式-发电机的故障检测-功率输出的影响因素柴油发电机组概述动力部分--柴油机（四冲程及两冲程）；输出转速n和扭矩M机电转换部分--发电机；（单相发电机和三相发电机）输出频率f、电压V电器控制部分；传感器、控制屏、蓄电池、充电器、CB、ATS、并机柜底座等（日用柴油箱）柴油发电机组基本结构水箱发动机发电机控制屏底座油箱721概念将标准型发电机组进行评估，得出如下结论；重量比例;发动机70%、发电机20%、控制系统10%体积比例;发动机70%、发电机20%、控制系统10%造价比例;发动机70%、发电机20%、控制系统10%选型影响因素;发动机70%、发电机20%、控制系统10%辅助系统影响因素;发动机70%、发电机20%、控制系统10%Simpower辛普森机組型号举例說明SP0088D高速四冲程P-备用机组E-集装箱式T-拖车式备用功率kwD柴油N天然气普通型号：发动机的工作原理内燃机是将燃料（液体或气体）引入气缸内燃烧，再通过燃气膨胀、推动活塞、曲柄-连杆机构，从而输出机械功的热力发动机。就目前来说，常见的（常规）动力装置有：柴油机、汽油机、燃气轮机、喷气式发动机、蒸汽机、核动力装置等。广义而言，按照燃料的燃烧形式，可分为两大类，一类是内燃机，一类是外燃机。内燃机：燃料直接在机器内部燃烧的发动机，包括往复活塞式柴油机、汽油机、燃气轮机和喷气式发动机等。柴油机基本构造（按功能分）曲柄连杆机构（曲轴、连杆、活塞等）配气机构（凸轮轴、气门、摇臂、挺杆等）传动机构（启动马达、飞轮、正时皮带、正时齿轮等）空气供给系统燃油供给系统润滑系统冷却系统排气系统增压系统（在现代柴油机设计中，有的系统功能出现重叠。如；燃油系统兼有冷却功能和润滑功能，润滑系统兼有冷却功能和液压传动功能，排气系统兼有传动功能。）右侧左侧后端前端飞轮盘旋转方向在飞轮盘端看时，逆时针方向吸震平衡轮气缸排列燃油滤清器高压油泵调速器服务表头转动齿低压油泵旁路机油滤清器机油滤清器风扇水泵机油制冷器吸振摆轮S6R左视图温控器直流充电机解压阀油底壳启动马达空气制冷器增压器废气排放集管S6R右视图四冲程柴油机工作原理将柴油燃烧产生的热能转换成机械能。以恒定的转速（如1500转/分钟或1800转/分钟）驱动发电机运转，或者以变化的转速驱动其它负载（如车辆的变速箱或者船只的螺旋桨）。曲轴旋转两圈共720°，活塞上下往复运动四次，通过进气、压缩、爆发（作功）、排气四个行程来完成整个工作循环，就称其为四冲程内燃机。以柴油为燃料的就称为四冲程柴油机。以汽油为燃料的就叫四冲程汽油机，只不过燃料的着火方式不同。柴油机转速快，四个过程进行的就快。转速慢，四个过程进行的就慢。但是，一个也不能少。四冲程汽油机结构原理活塞排气可燃气体燃烧室进气门及弹簧火花塞排气门及弹簧四冲程发动机的优点和缺点：优点：*进气、压缩、膨胀（爆发）、排气各过程各自单独进行，因此工作可靠、效率高，稳定性好。低速至高速的转速范围大（500～1000rpm以上）。*不存在二冲程发动机那样的窜气回流损失，燃油消耗率低。*低速运转平稳，依靠润滑系统润滑，不易过热。*进气过程、压缩过程时间长，容积效率、平均有效压力高。*热负荷比二冲程发动机小。不用担心变形、烧蚀问题。排量大，可设计大功率发动机。缺点：*气门配气机构复杂，零部件多，保养困难*机械噪音大*由于曲轴旋转两圈爆发1次，所以旋转平衡不稳定汽缸盖发动机的供油系统燃油系统发动机的润滑系统（如左图所示）润滑油系统发动机冷却系统（内循环）发动机冷却系统（外循环）发动机冷却系统（水箱冷却）发动机冷却系统（外循环冷却）发动机的电气系统水套加热器（BlockHeater)电启动马达(ElectricStarter)DC充电器（DCAlternator）电池（Battery)调速器（SpeedGovernor）水套加热器（BlockHeater)低温条件下，燃料粘度增加而不利于燃油的雾化与燃烧，润滑油流动性变差使各运动零部件阻力增大，再加上蓄电池工作能力降低等因素影响，极易导致发动机启动困难，机件磨损，功率降低，燃料消耗增大和动力性能下降。为保证发动机在寒冷条件下能够安全投入使用，最好安装低温辅助启动系统。电预热法:将加热器直接插入冷却系统内，靠冷热水物理交换的作用来循环加热发动机冷却液，此法热效率高，使用也比较方便。电启动马达（ElectricStarter)发动机需要外力启动电力起动机的作用：将蓄电池的电能转化为机械能，驱动发动机飞轮旋转实现发动机的启动。电力启动，启动迅速，可重复使用，广泛应用。DC充电器（DCAlternator)发动机自身带有直流充电机发动机运行时，自动给电池组充电。发动机停止时，电池组的充电被自动切换到市电充电器上。市电充电器的输入电压是220V，输出是12V或24V市电充电器有2A，5A，10A，20A之分电池（Battery)启动电池12v根据发动机启动马达的电压要求，连接成12v或24v的输出安培小时数是体现电池能量的标值每个电池有6个2v的电池单元需维护电池免维护电池电磁传感器（探头）机油滤清器飞轮盘齿圈驱动齿轮执行器控制器执行器速度传感器飞轮盘外周齿同步负载分享器油门连杆同步交流发电机的类型1.按功率分小功率：《10kW中功率：10–1000kW大功率：1000kW–200mW2。按相数分：单相同步，三相同步3.按频率分：50Hz，60Hz，400Hz，800Hz4.按电压等级分：低压同步《1000V高压同步》1000V5.按结构分：旋转磁极式（简称转磁式或转场式）旋转电枢式(简称转枢式）6.按磁极形状分：凸级试（又称显级式）--中小功率隐级式–大功率7.按励磁方式分：供给同步交流发电机励磁功率的方式，称为励磁方式自励式：励磁方式又自身供给的发电机他励式：励磁功率又独立电源供给的发电机永磁式：用永久磁铁制作磁极的发电机同步交流发电机的类型发电机结构分解图定子：同步交流发电机固定不动的部分。定子可以是电枢，也可以是磁极。电枢通常由电枢铁芯（或定子铁芯）和电枢绕组等组成。转子:发电机的旋转部分称为转子。转子可以是发电机的磁极，也可以是发电机的电枢。电枢铁芯：电枢铁芯用导磁良好且彼此绝缘的薄硅钢片碟压而成，即构成发电机的部分磁路，又可减少铁芯的涡流损耗。电枢绕组：电枢绕组由高强度漆包线绕制而成，按照设计规律安放在电枢槽内并正确连接起来，构成完整的单相或三相电枢绕组，用以产生交流电动势，向负载输出电能。同步发电机结构模型◆同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。◆图中给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。◆转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。◆气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。同步发电机(3000rpm)原理三相同步发电机(1500rpm)工作原理三相发电机基本原理VL-LVL120?NVLVLEQUIVALENTORNETEFFECTIVEVOLTAGE3PH=VL-L=3xVL-N33PHASEPHASESEQUENCEVA(U)VB(V)VC(W)三相发电机基本原理同步电机原理◆主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。◆载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。◆切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。◆交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。◆感应电势有效值：每相感应电势的有效值为Eo=4.44fn￠kw◆感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即;f=pn/60◆交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。同步转速◆同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz，故有：n=120f/p=6000/p(n=转速，f=频率，p=极数）◆要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。运行方式同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。自励励磁SHUNT定子绕组STATORWINDING旋转整流器ROTATINGRECTIFIERS励磁机磁场EXCITERFIELD转子绕组ROTORWINDING励磁机电枢EXCITERARMATURE自动电压调节器AUTOMATICVOLTAGEREGULATORA.C.D.C.自励+永磁机SHUNT+PMG定子绕组STATORWINDING旋转整流器ROTATINGRECTIFIERS励磁机磁场EXCITERFIELD转子绕组ROTORWINDING励磁机电枢EXCITERARMATURE自动电压调节器AUTOMATICVOLTAGEREGULATORA.C.D.C.永磁机PERMANENTMAGNETGENERATOR无刷励磁系统旋转整流器励磁静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，如图所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。无刷发电机=励磁机+主发电机无刷交流发电机实际上是两台发电机构成的，一台作为励磁机，一台才是主发电机。主发电机的励磁绕组在转子，电枢绕组在定子（将发出的电输出）；励磁机的电枢绕组在转子，励磁绕组在定子。无刷交流发电机的工作原理是对励磁机在定子上的励磁绕组提供励磁，其转子电枢绕组将发出交流电，经过整流后在转子向主发电机在转子的励磁绕组供电，从而使主发电机在定子的电枢绕组感应出所需的交流电来。这就是一般交流发电机的“无刷”工作原理。同步电机额定值同步电机的额定值有：☆额定容量(VA,kVA,MVA等)或额定功率(W,kW,MW等)：指电机输出功率的保证值。发电机通过额定容量值可以确定电枢电流，通过额定功率可以确定配套原动机的容