柴油發電機組是常用的備用電源,由于它以柴油發動機燃燒柴油為(wèi)動力,帶動發電機發出與市電同樣性質的電力,所以用在市電斷電後需要(yào)後備電源供電幾小時(shí)以上(shàng)的場合。從(cóng)性能(néng)價格比、對工(gōng)作(zuò)環境的要(yào)求、帶非線性負載能(néng)力方面考慮,采用柴油發電機組比使用很(hěn)多大容量蓄電池的長(cháng)延時(shí)UPS往往具有一(yī)定的優勢。但(dàn)是柴油發電機組在市電斷電後需要(yào)十秒鐘(zhōng)左右才能(néng)發出穩定的電力,這(zhè)就大不如(rú)UPS可(kě)不間(jiān)斷供電的特點。因此,柴油發電機組和(hé)UPS通(tōng)常是取其各自(zì)的優勢構成一(yī)個完善的、可(kě)靠的電源系統,以确保重要(yào)設備的不間(jiān)斷供電。

柴油發電機組一(yī)般是采用同步發電機(也俗稱電球)将柴油發動機的旋轉機械能(néng)轉為(wèi)電能(néng)。各種用電設備要(yào)依靠它發出的電力工(gōng)作(zuò),因此對同步發電機的工(gōng)作(zuò)性能(néng)要(yào)求是很(hěn)高的。

同步發電機的工(gōng)作(zuò)原理

同步發電機是根據電磁感應原理制造的。主要(yào)組成部分如(rú)圖1。現代交流發電機通(tōng)常由兩部分線圈構成;為(wèi)了(le)提高磁場的強度,一(yī)部分線圈繞在一(yī)個導磁性能(néng)良好的金(jīn)屬片疊成的圓筒內(nèi)壁的凹槽內(nèi),這(zhè)個圓筒固定在機座上(shàng)稱為(wèi)定子。定子內(nèi)的線圈可(kě)輸出感應電動勢和(hé)感應電流,所以又稱其為(wèi)電樞。發電機的另一(yī)部分線圈則繞在定子圓筒內(nèi)的一(yī)導磁率強的金(jīn)屬片疊成的圓柱體的凹槽內(nèi),稱為(wèi)轉子。一(yī)根軸穿過轉子中心并将其緊固在一(yī)起,軸兩端與機座構成軸承支撐。轉子與定子內(nèi)壁之間(jiān)保持小而均勻的間(jiān)隙且可(kě)靈活轉動。這(zhè)叫做(zuò)旋轉磁場式結構的無刷同步發電機。

工(gōng)作(zuò)時(shí),轉子線圈通(tōng)以直流電形成直流恒定磁場,在柴油機的帶動下(xià)轉子快(kuài)速旋轉,恒定磁場也随之旋轉,定子的線圈被磁場磁力線切割産生感應電動勢,發電機就發出電來。

轉子及其恒定磁場被柴油機帶動快(kuài)速旋轉時(shí),在轉子與定子之間(jiān)小而均勻的間(jiān)隙中形成一(yī)個旋轉的磁場,稱為(wèi)轉子磁場或主磁場。平常工(gōng)作(zuò)時(shí)發電機的定子線圈即電樞都(dōu)接有負載,定子線圈被磁場磁力線切割後産生的感應電動勢通(tōng)過負載形成感應電流,此電流流過定子線圈也會在間(jiān)隙中産生一(yī)個磁場,稱為(wèi)定子磁場或電樞磁場。這(zhè)樣在轉子、定子之間(jiān)小而均勻的間(jiān)隙中出現了(le)轉子磁場和(hé)定子磁場,這(zhè)兩個磁場相互作(zuò)用構成一(yī)個合成磁場。發電機就是由合成磁場的磁力線切割定子線圈而發電的。由于定子磁場是由轉子磁場引起的,且它們之間(jiān)總是保持着一(yī)先一(yī)後并且同速的同步關系,所以稱這(zhè)種發電機為(wèi)同步發電機。同步發電機在機械結構和(hé)電器性能(néng)上(shàng)都(dōu)具有許多優點。

同步發電機的調控

同步發電機在其額定負載範圍內(nèi)允許帶各種用電負荷。這(zhè)些負荷的輸入特性會直接影響發電機的輸出電壓;當負載為(wèi)純電阻性時(shí),因為(wèi)同步發電機的定子端電壓——電樞端電壓與負載電流是同相的,所以使得轉子磁場的前一(yī)半被定子磁場削弱,而後一(yī)半又被定子磁場加強,一(yī)周內(nèi)合成磁場平均值不變,發電機輸出電壓不變。負載呈現為(wèi)純電感性時(shí),則因負載電流滞後電樞端電壓90°而使得定子磁場削弱了(le)轉子磁場,合成磁場降低(dī),造成發電機輸出電壓下(xià)降。若負載是純電容性的,負載電流就會超前電樞端電壓90°,從(cóng)而使定子磁場加強了(le)轉子磁場,合成磁場增大,發電機輸出電壓上(shàng)升。可(kě)見(jiàn);合成磁場是使發電機性能(néng)變化的一(yī)個重要(yào)因素。而合成磁場中起主要(yào)作(zuò)用的是轉子磁場即主磁場,因此,調控轉子磁場就可(kě)以調節同步發電機的輸出電壓改善其帶負載能(néng)力,從(cóng)而達到在額定負荷範圍內(nèi)穩住發電機輸出電壓的目的。

1、同步發電機轉子的勵磁

所謂勵磁即是向同步發電機轉子提供直流電使其産生直流電磁場的過程。同步發電機轉子凹槽內(nèi)的線圈就是由稱做(zuò)勵磁機的一(yī)個專門的設備為(wèi)其供以直流電形成直流磁場的。早期的發電機是采用單獨的勵磁機給轉子線圈提供直流電的,系統龐大而複雜(zá)。随着技術(shù)的進步,現代同步發電機都(dōu)是将發電機與勵磁機組裝在一(yī)起構成一(yī)個完整的發電機。

勵磁機其實就是個小發電機,它的工(gōng)作(zuò)原理與同步發電機一(yī)樣。所不同的是它的定子線圈和(hé)轉子線圈所起的作(zuò)用與同步發電機——主發電機正好相反;固定在主發電機定子旁的勵磁機的定子線圈通(tōng)以直流電形成直流磁場,而安裝在主發電機轉子軸上(shàng)的勵磁機的轉子線圈成為(wèi)輸出電動勢的電樞。勵磁機的轉子與定子內(nèi)壁之間(jiān)也是保持着小而均勻的間(jiān)隙。這(zhè)也稱為(wèi)旋轉電樞式結構的無刷同步發電機。安裝在主發電機定子旁的勵磁機定子線圈的直流電,是由主發電機定子線圈即電樞的部分輸出電壓經整流後而得到的。與主發電機轉子同軸安裝的勵磁機轉子線圈在其定子線圈産生的磁場內(nèi)旋轉、切割磁力線所産生的感應電動勢,經同軸安裝在它旁邊的整流器也就是旋轉整流器變成直流電流,輸到主發電機的轉子線圈使其産生直流轉子磁場。從(cóng)而達到了(le)對主發電機轉子線圈勵磁的要(yào)求。

2、同步發電機輸出電壓的調控

調控的目的就是實現在同步發電機額定負荷範圍內(nèi)穩住輸出電壓。調控技術(shù)的理念是實時(shí)地(dì)從(cóng)主發電機電樞取得電壓和(hé)電流,經整流和(hé)負反饋調理後供給勵磁機的定子線圈,使其産生變化規律與主發電機輸出電壓變化規律相反的直流電磁場,這(zhè)個磁場也必然使勵磁機轉子電樞的輸出電壓及旋轉整流器供給主發電機轉子線圈的直流電流按同樣的規律而變化。從(cóng)而起到實時(shí)調節主發電機轉子磁場大小,使主發電機在額定負荷範圍內(nèi)保持良好輸出特性的作(zuò)用。

對發電機輸出電壓的調節過程,可(kě)以用以下(xià)的流程表示;

由于負荷增加使主發電機電樞電壓↓(降)→經負反饋調理後勵磁機定子電流及磁場↑→勵磁機轉子電樞輸出電壓↑→旋轉整流器輸出電流↑→主發電機轉子磁場↑→使主發電機電樞電壓↑

若主發電機電壓升高,則其反饋調控使以上(shàng)各環節作(zuò)用降低(dī),導緻電壓回到額定值。

可(kě)見(jiàn)通(tōng)過勵磁機實時(shí)調控主發電機轉子磁場的大小,就可(kě)以穩住輸出電壓。這(zhè)其中起重要(yào)作(zuò)用的是負反饋調節單元,通(tōng)常稱其為(wèi)恒壓勵磁裝置和(hé)自(zì)動電壓調節器。

3、自(zì)動電壓調節器

現代交流同步發電機常用自(zì)動電壓調節器AVR這(zhè)種電子部件調節勵磁機定子磁場的強弱。雖然AVR的種類很(hěn)多,但(dàn)性能(néng)大同小異;都(dōu)是實時(shí)采樣主發電機的輸出電壓值與預先設定的值相比較,用比較的結果去調節脈沖寬度調制器PWM;輸出電壓值高則調制器輸出脈沖寬度窄,反之則寬。然後再用這(zhè)些脈沖去調控大功率開(kāi)關器件即三極管或場效應管控制送入勵磁機定子線圈的電流的時(shí)間(jiān)。從(cóng)而使它的磁場強弱随着主發電機輸出電壓的變化而相反變化;即輸出電壓升高則勵磁機定子磁場減小,輸出電壓降低(dī)勵磁機定子磁場增強。從(cóng)而達到負反饋調控的目的。

取樣自(zì)主發電機輸出電壓的信号從(cóng)8、9兩端輸入到電壓測量比較單元,與內(nèi)部預先設定的電壓值(例如(rú)380V)相比較。比較結果以輸出電壓UA送入脈沖寬度調制單元PWM,輸出電壓UC送入低(dī)頻(pín)保護單元。電壓測量比較單元的L、S、H是連接主發電機輸出電壓幅值調節電位器的三個端子。

脈沖寬度調制器由穩壓器輸出的直流電壓UCC作(zuò)為(wèi)工(gōng)作(zuò)電源,以确保其性能(néng)穩定。它的輸出電壓UB控制調制管VT3。若由電壓測量比較單元送來的UA大,表明(míng)主發電機輸出電壓升高,則大的UA就會使脈沖寬度調制器輸出的脈沖UB的寬度變窄。窄的脈沖就會使VT3導通(tōng)時(shí)間(jiān)短,通(tōng)過的電流少(shǎo)。反之,主發電機電壓降低(dī)UA變小,脈沖寬度調制器輸出的脈沖UB的寬度随之變寬,從(cóng)而使VT3導通(tōng)時(shí)間(jiān)變長(cháng),通(tōng)過的電流增多。

勵磁機定子線圈一(yī)端接在端子X1上(shàng),另一(yī)端接在XX1端子上(shàng)。由主發電機電樞送來的EA、EB、Ec三相電壓,經過三個二極管VD10、VD11、VD12整流後,電流從(cóng)X1端流入勵磁機的定子線圈,由XX1流出,再經過調制管VT3和(hé)XN端子流回主發電機電樞,形成勵磁機定子線圈的勵磁電流通(tōng)路。VT3是這(zhè)個通(tōng)路上(shàng)的開(kāi)關,它導通(tōng)時(shí)間(jiān)長(cháng),則定子線圈流過電流時(shí)間(jiān)長(cháng),定子磁場強度大；VT3導通(tōng)時(shí)間(jiān)短,定子線圈電流少(shǎo),定子磁場強度小。

AVR就是這(zhè)樣調控主發電機的電壓的;主發電機由于負荷原因輸出電壓升高,電壓測量比較單元輸出的UA随着升高,受UA控制的脈寬調制器輸出脈沖UB寬度變窄,開(kāi)關管VT3導通(tōng)時(shí)間(jiān)短,勵磁機定子磁場減弱,轉子電樞電壓及旋轉整流器輸出電流随之減小,導緻供給主發電機轉子的勵磁電流變小,則主發電機因其轉子磁場的減小而使輸出電壓降低(dī)。反之,AVR的負反饋調控功能(néng)就會使主發電機的輸出電壓升高。

在主發電機因負荷超出額定值而輸出極大電流時(shí),柴油發動機也需随之輸出巨大的動力以緻導緻其轉速低(dī)于額定值。低(dī)頻(pín)保護單元的作(zuò)用就是在這(zhè)種情況下(xià)限制勵磁機定子線圈裏電流的超額增大。它以電阻和(hé)電容構成的充放電支路預先設定一(yī)個低(dī)頻(pín)保護點,當主發電機負荷正常時(shí),從(cóng)電壓測量單元來的UC小于低(dī)頻(pín)保護點,則低(dī)頻(pín)保護單元輸出的電壓Ud高,二極管VD8被截止,Ud到不了(le)脈寬調制器,起不了(le)作(zuò)用。若主發電機超載則Ud變低(dī),VD8導通(tōng),Ud和(hé)UA就可(kě)同時(shí)作(zuò)用于脈寬調制器,使其輸出的脈沖UB随Ud的下(xià)降而變窄,調制管VT3導通(tōng)時(shí)間(jiān)随之變短,勵磁電流減小勵磁機定子磁場變弱,從(cóng)而導緻主發電機轉子磁場減小。發電機輸出電壓下(xià)降、電流減小。低(dī)頻(pín)保護單元起到了(le)保護勵磁機和(hé)主發電機的作(zuò)用。

同步發電機的維護

同步發電機是柴油發電機組的關鍵部分。為(wèi)柴油發電機組建立一(yī)個合适的工(gōng)作(zuò)環境,做(zuò)好日常維護是十分必要(yào)的。

發電機房內(nèi)的高溫、潮濕和(hé)空氣污染物(wù)是引起發電機故障的最常見(jiàn)因素。粉塵、灰塵和(hé)其它空氣污染物(wù)的積累會引起絕緣層的性能(néng)變壞,不僅易形成對地(dì)的導電通(tōng)路,還會使轉子軸承部分的摩擦力增大而發熱(rè)。濕氣以及空氣污染物(wù)中的濕氣極易在發電機內(nèi)形成對地(dì)的漏電通(tōng)路,引起發電機故障。機房內(nèi)溫度過高會使發電機組工(gōng)作(zuò)時(shí)産生的熱(rè)量難以散出,造成其輸出功率下(xià)降、機組過熱(rè)。所以機房的防塵、防潮濕、通(tōng)風(fēng)降溫就必須引起足夠的重視(shì)。

無論是單軸承發電機還是雙軸承發電機,它們的轉子軸與柴油發動機主軸之間(jiān)連接的同軸度要(yào)求很(hěn)高。長(cháng)時(shí)期運行(xíng)後的機組有時(shí)同軸度可(kě)能(néng)降低(dī),導緻發電機燥聲增大,溫度過高。應定期檢查、維護以保持同軸度良好。

負荷超出發電機的額定負載範圍,或三相負荷很(hěn)不平衡,也會造成發電機效率降低(dī)和(hé)過熱(rè)。