信息技术行业所用发电机的基本原理

信息技术行业所用发电机的基本原理第93号白皮书作者：RobertWolfgang©2004AmericanPowerConversion.保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.comRev2004-02摘要负责计算设备运转的每位信息技术专业人员都需要确保他所负责的数据中心或网络机房可以应对市电长时间断电。了解备用发电机系统的基本功能和原理，是IT专业人员顺利完成关键设施选型、安装和运转的坚实基础。本白皮书介绍备用发电机及其子系统，在市电无法供电时这些系统可以为设施的关键电气负载供电。©2004AmericanPowerConversion.保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.comRev2004-03简介备用发电机系统由两个基本的子系统组成：(1)发电机，由原动机、交流发电机和调速器组成(2)配电系统，由自动转换开关(ATS)及相关的开关装置和配电线路组成。图1是一个典型的备用发电机。本白皮书介绍上述主要子系统及其基本功能。不过它只是围绕高级发电机系统主题展开的一系列APC白皮书的引言部分，仅供希望对该主题进行更全面了解的读者参考。图1–备用发电机在购买发电机系统前，对于当今发电机系统具有的技术优势以及过去10-15年内在可靠性和功能性方面取得的重大技术进步，您都应该有所了解。以前的发电机系统经过技术改造，通常也可以满足当前的要求。请参见APC第90号白皮书“下一代数据中心的发电机系统基本要求”，进一步了解现今任务关键设备对发电机系统的基本要求。©2004AmericanPowerConversion.保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.comRev2004-04原动机：内燃机什么是内燃机？比如，内燃机可为您的汽车提供动力。内燃机是20世纪后期发明的一种得力负载工具，在新的千年它也发挥着同样重要的作用。通俗地讲，内燃机是通过其内部的运动部件将燃料蕴含的能量转换为机械运动的动能。外部空气与引擎内部的燃料混合后，这些运动部件会点燃空气和燃料的混合物，在名为气缸的腔体内发生一个受控的内部爆炸（燃烧）。尽管内燃机引擎千差万别，但备用发电机系统最常用的是4冲程发动机。之所以称为4冲程，是因为每个燃烧循环都要经过四个不同的阶段。这些阶段包括吸入空气/燃料混合气体，压缩混合气体，燃烧或爆炸，以及排气。在谈到发电机时，发动机通常被称为原动机。下面介绍与原动机相关联的核心属性。燃料内燃机有以下四种常用燃料：柴油、天然气、液体石油(LP)和汽油。可以依据存储条件、成本和可用性等不同的条件来选择使用的燃料类型。废气、尾气排放和噪声发电机系统排放是空气和噪音污染方面不可忽视的问题。尽管降低噪音、减少废气排放的概念很容易理解，但涉及到环境和监管问题时却不是这么简单。EGSA（发电系统协会）是一个全球性组织，为成员提供有关备用发电机排放及其他注意事项的大量信息。不同地区适用的环境法、建设工程规划许可证以及发电机使用年限都不尽相同。例如，美国联邦环保总署(EPA)为每个州指定了监管机构并赋予执行权力，目的是为了达到国家级空气质量标准。其他国家/地区也都有类似的订立发电机排放标准的监管机构。例如，英国环境食品与农村事务部(DEFRA)制订英国的环境保护政策。在印度执行此项职能的是森林和环境部(MoEF)。如果要在管制严格的地区安装发电设备，在申请许可证的时候，可能要求您提供发电机系统的排放声明。行业专家通常非常熟悉他们所在地区的审批过程。另一个需要得到监管机构许可的方面是噪声污染。通常是按24小时内监测到的可录制最高背景噪声订立本地噪声法规。排气消声器通常可以分为工业、民用或强力几种类型。强力型降噪效果最明显。为了节省技术改造费用，您应该在购买系统前就考虑其噪声级别，以便在设备规划阶段噪声就能满足当地监管机构的要求。另外，机械振动也会导致噪声增大，并使附近居民承受更严重的噪声污染。现有安装和绝缘技术可以将这种影响降到最低。第三个要讨论的重要问题是关于外观美感，因为安装发电机可能要经过当地政府的许可。某些地区对发电机的安放位置有要求，包括要求将发电机安置在与主体建筑外观相协调的混凝土/砖结构建筑中。这样可以避免发电机露天放置，并使其与邻近建筑物在外观上相匹配。©2004AmericanPowerConversion.保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.comRev2004-05燃烧空气进气口发动机气流的冷却和清洁装置要与设备房的设计相融合，这一点非常重要。另外，我们还建议室内要有充分的新鲜冷空气，以达到一定的人员舒适度。这通常需要大的通风口，可能需要额外的风扇。另外，还要有一定的预防及过滤措施，防止雨、雪和碎屑杂物进入系统。冷却大多数发电用原动机的散热器冷却系统与汽车冷却系统非常相似。风扇用于使足够多的空气在冷却系统中流通，以维持适中的发动机温度。多余的热量通过散热器向外界排放，所用导气系统的截面积与散热器截面积相同。进气口（房屋天窗）面积通常要比此管道面积大25-50%。必须对冷却系统进行认真维护才能确保设备的可靠运转。必须经常仔细检查冷却软管、冷却液量、水泵运转以及防冻保护措施，确保达到合格性能。润滑如今的4冲程发动机使用的是全流式过滤系统，该系统从安装在发动机外部的过滤器泵入润滑油，以防止有害微粒以及杂质损伤轴承的运动部件。润滑油补充罐用于维持合适的油量，外部润滑油冷却器有助于防止因高温造成的润滑油故障。过滤器：空气和燃料空气和燃料是原动机可靠运转的关键要素。遵循适当的维护计划非常必要。对于必须支持长时间运转的任务关键应用，使用带有双油管和过滤器的系统将具有很大优势。因为您可以在发动机维持运转的情况下隔离并更换油管和过滤器。如果过滤器和其他“消耗性部件”没有备用部件，可能会导致停机。可以使用“差压指示计”主动监测这些过滤器。差压指示计可以显示发动机运转过程中过滤器进出口之间或两条油管之间的压力差。当用于空气过滤器时，这些主动监测设备也称为“限压指示计”。此类指示计可以在发电机引擎运转时显示是否需要更换干式进气过滤器。启动电机启动系统是发电机成功运转的最关键因素之一。任务关键负载通常附带的是只有几分钟电池运行时间的UPS系统，所以能够快速启动非常重要。检查电源问题、启动原动机、设置稳定的输出频率和电压并连接到负载，一般最少需要10-15秒钟时间。不过，由于诸如电池未充电或被窃等因素，许多在用系统无法可靠地完成这样快速的部署任务。还包括维护不当以及人为失误等其他因素。要达到一个令人满意的发电机系统启动成功率，认真设计和维护至关重要。大部分发电机系统使用类似于汽车上用的由电池驱动的启动电机，不过有些大功率的原动机可能使用气动或液压发动机。毫无疑问，电池系统是传统启动电机的关键组件。例如，某些发动机上给蓄电池充电的发电机无法©2004AmericanPowerConversion.保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.comRev2004-06阻止电池闲置期间的放电。使用带远程警报的独立自动充电系统将是“最佳方案”。另外，为电池保温以及免受腐蚀也是非常必要的。电池保温是通过一个维持铅酸蓄电池电解液温度的加热器来实现的。在寒冷天气条件下，这将会大大增加启动电机的启动电流。电池是以CCA（冷启动电流）为额定值标准，该电流值表示在0°F(-17.8°C)的温度下30秒钟可用的安培数。如果温度低于0°F(-17.8°C)或高于80°F(26.7°C)，可靠性将会很差。另外，发动机保温加热器可以通过降低启动电机在点火时必须克服的摩擦力，来提高启动成功率。大量研究已经发现启动故障是导致发电机系统故障的最主要原因。交流发电机：发电组件交流发电机的功能就是将原动机的机械能转换为电能。这与汽车的交流发电机类似，不过汽车中的发电机通常由皮带驱动，而发电机是由原动机的主驱动轴驱动。一个金属线圈和一块磁铁可以构成一个非常简单的交流发电机。当金属线圈通过磁铁正负极形成的磁场时，就会产生电流。线圈保持静止而磁场移动也可以产生电流。这种类型的交流发电机产生的电流量显然非常小，不过其发电原理与大型交流发电机的发电原理相同。经过多年努力，交流发电机组件的某些特性已经得到改善，交流发电机的效率、功率和可靠性得以增强。下面逐一说明每种特性。图2说明发电机系统中的典型交流发电机的主要组件。图2–横截面图：自激外调式无刷交流发电机3相+零线AC输出旋转磁场主交流发电机主转子引线原动机驱动轴主定子（电枢绕组）主转子（磁场）+-旋转式电枢励磁机交流发电机励磁机定子（磁场）励磁机转子（电枢）DC输入（来自电压调节器）整流部件（AC到DC）©2004AmericanPowerConversion.保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.comRev2004-07无刷无刷设计是指在与旋转体之间传递电能时，无需任何接触。在电动机和小型交流发电机中使用电刷仍然是可以接受的设计方案，但是这些电刷会在使用中不断磨损，并且磨损情况无法预见。依靠电刷的大型发电机设计不能满足任务关键运转所必需的可靠性标准。自激在上面的示例中，磁铁用于产生磁场。对于大型交流发电机，需要一个更为强大的磁场，以产生大量电流。同样，废料场使用小块磁铁不足以移动大块金属；而要使用起重机悬吊的电磁铁。电磁石是指由电流驱动的磁铁，如今的交流发电机使用的都是“自激”磁铁。自激是指用于形成电磁场的电流是交流发电机自身产生的，从而允许交流发电机仅使用由原动机提供的能量生成强大的电流。主定子或转子绕组主定子或转子绕组是产生感生电流并带动关键负载的静止线圈。生成的交流电的特性与线圈绕组的个数和几何属性有关。有多种配置可用于满足各种电流和电压需求。三相绕组是围绕旋转轴且夹角120度的三个独立线圈。当交流发电机磁场只有一对正/负极时，原动机每旋转一圈，每个相位将产生一个周期的交流电。也就是说，要产生60Hz的交流电，原动机需要以3600RPM（转/分）的速率旋转。对于柴油发电机系统，这是比较高的转速，其磨损量是以1800RPM运转的发动机的两倍。通过使用四极交流发电机磁场，可以将原动机的RPM控制在1800RPM，同样能够生成60Hz的输出电流。还可以选用6极或8极交流发电机，从而实现转速更低的设计（相应转速为1200RPM和900RPM）。接地发电机系统接地和零线连接是一个非常关键的步骤。接地方法必须遵循所在地区的电气操作规范，以避免错误操作并保证电源质量。例如，美国使用国家电气标准(NEC)第250章中的第4条（或其他监管标准）。在各种设施的接线方面，也许最常见的错误就是对接地操作的理解和实施。您可以从IEEE1标准446-1995“IEEE工业及商业设备用应急及备用供电系统推荐规程”（橙皮书）中获取相关信息。为敏感电气负载供电时，还需要认真遵循IEEE标准1100-1999“IEEE电子设备供电和接地推荐操作规程”（绿皮书）。1IEEE（电气和电子工程师协会）是一家技术领域的权威机构，涉及包括电源技术的广泛技术门类。是一个非盈利性专业技术协会，有超过360,000名会员，分布在约175个国家/地区。网址为www.ieee.org。©2004AmericanPowerConversion.保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.comRev2004-08额定温度交流发电机绕组的额定温度是另一个重要的规格，特别是对那些可能在极端环境条件（指海拔高度、环境温度