新聞主題	康明斯柴油發電機組及交流發電機工作原理

 

摘要：柴油發電機組的工作原理是柴油機曲軸旋轉便帶動發電機轉動而產生電能輸出。發電機一般為交流同步發電機，主要由磁性材料制造多個南北極交替排列的永磁鐵（稱為轉子）和硅鑄鐵制造并繞有多組串聯線圈的電樞線圈（稱為定子）組成。其工作原理是轉子由柴油機帶動軸向切割磁力線，定子中交替排列的磁極在線圈鐵芯中形成交替的磁場，轉子旋轉一圈，磁通的方向和大小變換多次，由于磁場的變換作用，在線圈中將產生大小和方向都變化的感應電流并由定子線圈輸送出電流。此外，為了保護用電設備，并維持其正常工作，發電機輸出的電壓還需要調節器進行調節控制。

 

一、柴油發電機組的分類和原理

 

1、柴發機組的分類方法

      柴油發電機組的種類繁多，依據不同的原則進行分類的結果不盡相同。

（1）以發動機燃料為依據，可分為柴油發電機組和復合燃料發電機組；

（2）依據轉速可分為高、中、低速發電機組；按用途可分為應急、備用和常用發電機組；

（3）根據發電機的輸出電壓頻率可分為交流發電機組和直流發電機組；

（4）按照發電機勵磁方式可分為旋轉交流勵磁機勵磁系統和靜止勵磁機勵磁系統兩類。

    需要注意的是，常用的分類方法通常以柴油發電機組的性質和用途為依據，而以控制和操作方式以及外觀構造進行分類。

2、柴發機組的工作原理

      以C275D5型康明斯發電機組為例，其結構平面圖如圖1所示，結構側面圖如圖2所示。

      基本原理是柴油機驅動發電機運轉。在氣缸內，經過空氣濾清器過濾的潔凈空氣與噴油器噴出的高壓霧化柴油充分混合，在活塞的向上擠壓下，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，推動活塞向下運動，稱為“做功”。每個氣缸按一定順序依次工作，作用在活塞上的推力通過連桿變成驅動曲軸轉動的力，從而帶動曲軸轉動。通過將無刷同步交流發電機與柴油機的曲軸同軸安裝，發電機的轉子可以由柴油機的旋轉驅動。利用“電磁感應”原理，發電機將輸出感應電動勢，感應電動勢可以通過閉合的負載電路產生電流。

3、柴油發電機的主要技術性能

      作為柴油發電機組使用和維修人員，必須了解并掌握發電機組的主要性能指標。同時滿足可靠性能指標MTBF：GJB235A-1997《軍用交流移動電站通用規范》規定柴油機平均故障間隔時間為500h、800h和1000h。

（1）電壓整定范圍

      電壓整定范圍是指在發電機以額定轉速空載運行時，調整控制面板上的手動或自動電壓調節器，電壓能夠達到的最大值和最小值的范圍。在一般情況下，空載電壓整定范圍為額定值的95%—105%。

（2）穩態電壓調整率

      穩態電壓調整率是指同步發電機在從空載到額定負載的所有負載條件下穩態電壓的變化率。國家對I 、II、 III類電站的技術要求是±(1—3)%，對Ⅳ類電站的技術要求是≤±5%。

      正常情況下，同步發電機在不同的負載條件下的穩態電源調整詣不同的。給發電機加上感性負載時，其負載變化后的穩態電壓值要低于空載整定電壓；給發電機加上容性負載時，負載變化后的穩態電壓值要高于空載穩定電壓。空載整定電壓偏差的大小取決于自動電壓調節器的調節能力，在一般情況下，電壓調節器的調節精度越高，空載整定電壓的偏差就越小，穩態電壓調整率也就越小。

（3）瞬態電壓調整率

      瞬態電壓調整率是指發電機在空載且轉束客電壓達到額定值時，在突加或突減負載的過程中瞬時電壓的變化率。

（4）電壓穩定時間

      電壓穩定時間是指發電機牌穿戴狀態且電壓達到額定值時，從突加負載到電壓穩定在規定的范圍內所需的時間，用S表示。國家規定I、II、III類電站的電壓穩定時間為0.5—1s，Ⅳ類電站為3S。

（5）電壓波動率

      電壓波動率是指同步發電機在負載不變時電壓的波動程度。

（6）穩態頻率調整率

      穩態頻率調整率是指負載變化前后同步發電機頻率穩定的差值與額定頻率的比值。

（7）瞬態頻率調整率

      瞬態頻率調整率是指發電機組在突加或突減負載時，瞬間變化頻率與負載變化前頻率的差值與額定頻率的比值。

（8）頻率波動率

      頻率波動率是指發電機組在負載不變時的頻率波動程度。

（9）頻率穩定時間

      頻率穩定時間是指發電機在穿戴和頻率為額定值時，從突加負載到頻率穩定在規定的范圍內所需要的時間是，用S'表示。國家規定I、II、III類電站的頻率穩定時間為2—5 S'，Ⅳ類電站為7 S'。

（10）空載線電壓正弦性波形畸變率

      發電機組在正常情況下輸出的確電壓波形應是正弦波，但通過試驗發現，發電機的感應電動勢中還含有3次及以上的高次諧波。由于高次諧波的存在，發電機輸出的電壓波形將出現正弦性畸變。當空載線電壓正弦性波形畸變率過大時，會導致發電機過熱和絕緣性能下降等。 在一般情況下，發電機組在空載電壓時的線電壓正弦性波形畸變率真不應大于5%。

 

圖1  C275D5康明斯柴油發電機組結構側視圖

圖2  C275D5康明斯柴油發電機組結構平面圖.

 

二、柴油發動機的工作原理

 

      柴油發動機的工作是由進氣、壓縮、燃燒和膨脹和排氣這四個過程來完成的，這四個過程構成了一個工作循環。活塞走四個過程才能完成一個工作循環的柴油發動機稱為四沖程柴油發動機，其工作過程如圖3、圖4所示。

1、進氣沖程

      如圖3（a）所示，進氣沖程的任務是使氣缸內充滿新鮮空氣。

（1）當進氣沖程開始時，活塞位于上止點，氣缸內的燃燒室中還留有一些廢氣。

（2）當曲軸旋轉肘，連桿使活塞由上止點向下止點移動，同時，利用與曲軸相聯的傳動機構使進氣閥打開。

（3）隨著活塞的向下運動，氣缸內活塞上面的容積逐漸增大：造成氣缸內的空氣壓力低于進氣管內的壓力，因此外面空氣就不斷地充入氣缸。

（4）當活塞向下運動接近下止點時，沖進氣缸的氣流仍具有很高的速度，慣性很大，為了利用氣流的慣性來提高充氣量，進氣閥在活塞過了下止點以后才關閉。雖然此時活塞上行，但由于氣流的慣性，氣體仍能充入氣缸。

2、壓縮沖程

      如圖3（b）所示，壓縮時活塞從下止點間上止點運動，這個沖程的功用如下：

（1）提高空氣的溫度，為燃料自行發火作準備。

（2）為氣體膨脹作功創造條件。當活塞上行，進氣閥關閉以后，氣缸內的空氣受到壓縮。隨著容積的不斷細小，空氣的壓力和溫度也就不斷升高，壓縮終點的壓力和濕度與空氣的壓縮程度有關，即與壓縮比有關，一般壓縮終點的壓力和溫度為：

Pc＝4～8MPa，Tc＝750～950K。

      柴油的自燃溫度約為543~563K，壓縮終點的溫度要比柴油自燃的溫度高很多，足以保證噴入氣缸的燃油自行發火燃燒。

      噴入氣缸的柴油，并不是立即發火的，而且經過物理化學變化之后才發火，這段時間大約有0.001～0.005秒，稱為發火延遲期。因此，要在曲柄轉至上止點前10～35°曲柄轉角時開始將霧化的燃料噴入氣缸，并使曲柄在上止點后5～10°時，在燃燒室內達到最高燃燒壓力，迫使活塞向下運動。

3、燃燒和膨脹沖程

      如圖4（c）所示，在燃燒和膨脹沖程開始時，大部分噴入燃燒室內的燃料都燃燒了。燃燒時放出大量的熱量，因此氣體的壓力和溫度便急劇升高，活塞在高溫高壓氣體作用下向下運動，并通過連稈使曲軸轉動，對外作功。所以這一沖程又叫作功或工作沖程。

      隨著活塞的下行，氣缸的容積增大，氣體的壓力下降，工作沖程在活塞行至下止點，排氣閥打開時結束。

      工作沖程的壓力變化部分表示燃料在氣缸內燃燒時壓力的急劇升高，最高點表示最高燃燒壓力Pz，此點的壓力和溫度為：

Pz＝6～15MPa， Tz＝1800～2200K

      最高燃燒壓力與壓縮終點壓力之比(Pz／Pc)，稱為燃燒時的壓力升高比， 用λ表示。根據柴油發動機類型的不同，在最大功牢時λ值的范圍如下：

λ＝Pz／Pc＝1.2～2.5。

4、排氣沖程

      排氣沖程的功用是把膨脹后的廢氣排出去，以便充填新鮮空氣，為下一個循環的進氣作準備。

      如圖4（d）所示，當工作沖程活塞運動到下止點附近時，排氣閥開起，活塞在曲軸和連桿的帶動下，由下止點向上止點運動，并把廢氣排出氣缸外。由于排氣系統存在著阻力，所以在排氣沖程開始時，氣缸內的氣體壓力加比大氣壓力高0.025—0.035MPa，其溫度Tb＝1000～1200K。為了減少排氣時活塞運動的阻力，排氣閥在下止點前就打開了。排氣閥一打開，具有一定壓力的氣體就立即沖出缸外，缸內壓力迅速下降，這樣當活塞向上運動時，氣缸內的廢氣依靠活塞上行排出去。為了利用排氣時的氣流慣性使廢氣排出得干凈，排氣閥在上止點以后才關閉。

      排氣沖程曲線表示在排氣過程中，缸內的氣體壓力幾乎是不變的，但比大氣壓力稍高一些。排氣沖程終點的壓力Pr約為0.105～0.115MPa，殘余廢氣的溫度Pr約為850～960K。

      由于進、排氣閥都是早開晚關的；所以在排氣沖程之末和進氣沖程之初，活塞處于上止點附近時，有一段時間進、排氣閥同時開起，這段時間用曲軸轉角來表示，稱為氣閥重迭角。

      排氣沖程結束之后，又開始了進氣沖程，于是整個工作循環就依照上述過程重復進行。由于這種柴油發動機的工作循環由四個活塞沖程即曲軸旋轉兩轉完成的，故稱四沖程柴油發動機。

      在四沖程柴油發動機的四個沖程中，只有第三沖程即工作沖強才產生動力對外作功，而其余三個沖程都是消耗功的準備過程。為此在單缸柴油發動機上必須安裝飛輪，利用飛輪的轉動慣性，使曲軸在四個沖程中連續而均勻地運轉。

 

圖3  柴油機進氣和壓縮行程示意圖

圖4  柴油機做功和排氣行程示意圖

 

三、交流發電機的工作原理

      柴油發電機組中常用的發電機為同步交流發電機，是以電磁感應為基礎的旋轉式機械。根據其結構特點可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種。本文以旋轉電樞式同步發電機為例，介紹柴油發電機組中發電機工作原理，如圖5所示。

1、旋轉磁極式和電樞式的區別

      旋轉磁極式發電機產生電動勢的原理與旋轉電樞式相同，都是電磁感應現象。而主要區別有兩點：

（1）產生感應電流的方式：旋轉電樞式發電機通過電樞的旋轉使閉合線圈的磁通量變化，從而產生感應電流；旋轉磁極式發電機則通過磁極的旋轉使定子線圈切割磁力線，從而在定子線圈中產生感應電流。

（2）電力輸出方式：旋轉電樞式發電機通過電刷和集電環向外接電路供電；而旋轉磁極式發電機則直接將電力送往外接電路，因此相對于旋轉電樞式、旋轉磁極式發電機可提供電高的電壓，適用于大型發電機。

2、電動勢的產生

      當導體切割磁場的磁力線時，會在導體中產生感應電動勢。其原理如圖6所示。

      線圈abcd代表整個電傴繞組、其兩端分別固定在同一轉軸上的滑環1和2上，兩者同軸旋轉，且相對位置和連接關系不隨轉子位置的變化而變化。電刷A和B通過刷架固定在發電機的端蓋上、且與滑環1、2的滑動接觸關系不變。

      當電樞沿順時針方向旋轉，ab邊處于N極下時、山邊的感應電動勢方向為由c至d，并設此時電動勢方向為正方向;當電樞旋轉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電機、其轉子旋轉一周，在電樞繞組中產生一個周波的交流電動勢。若磁通密度B按正弦規律分布，則可產生正弦交流電動勢。而對于三相同步交流發電機、其各項繞組產生交流電動勢的原理與單項同步交流發電機完全相同。

3、電動勢的大小

      根據電磁感應定律，當導體與磁場發生相對運動時、導體中的感應電動勢e可由式求得:

E=BLV

式中，B——磁通密度；

L——導體在磁場中的有效長度；

V——導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——發電機轉速；

K——發電機的結構常數。

    同步交流發電機制成后，其結構常數K已成定值。因此，可通過改變發電機的轉速n或每極磁通來調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與轉速n成正比，所以發電機的轉速是不能隨便調整的。因此，主要通過調節同步交流發電機磁通量的大小，達到調整其輸出電壓的目的。

4、電動勢的頻率

    當發電機磁極對數一定時(如P=1)，其轉子每旋轉一周，電樞繞組可產生一個周波的交流電動勢。轉子旋轉兩周，產生兩個周波的交流電動勢，苦轉子每秒旋轉n/60周，則產生n/60周/s的交流電動勢。由此可知，交流電動勢的頻率f與發電機轉速n成正比。

    當發電機的轉速一定時(如n=1周/s)，磁極對數P=1，轉子每旋轉一周產生一個周波的交流電動勢。磁極對數P=2，轉子每旋轉一周產生兩個周波的交流電動勢。若為P對磁極，轉子每旋轉一周產生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P成正比。

    綜上所述，同步交流發電機電動勢的頻率f與其轉速n 和磁極對數P成正比，因此f的計算公式為：

F=P*n/60 (周/s)

    改變同步交流發電機的轉速n或磁極對數P，均可改變其頻率f。但是，發電機制成后，其磁極對數P是不能改變的因此，只能通過改變轉速n來調整頻率f。一旦頻率f達到額定值后，就不能再隨便改變轉速n。

5、改善電動勢波形的措施

    根據要求，同步交流發電機輸出電壓應為正弦波。但是，由于發電機定子鐵芯結構、磁極結構、電樞繞組結構、三相發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。不僅嚴重影響發電機的性能和工況，還影響用電設備的正常工作。因此，在設計、生產同步交流發電機時，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、改善定子繞組結構和三相發電機采用星形接法。

（1）改善磁極形狀：磁極的分布規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，無論轉子旋轉至何種位置，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）改善定子繞組結構：同步交流發電機通常采用短距分布式繞組結構，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）三相發電機采用星形接法：三相同步發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次諧波分量·改善線電壓的波形。

6、同步交流發電機勵磁方式

      發電機勵磁功率的產生方式，稱為其勵磁方式。同步交流發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，這種發電機稱為:他勵式發電機。根據獲得勵磁功率形式的不同，他勵式交流發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動的并勵直流發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動的交流勵磁發電機供給勵磁功率的。

（2）自勵式：

      勵磁功率由本身供給的發電機稱為自勵式發電機。其勵磁功率一般由以下三種方法獲得：直接從同步交流發電機輸出端取得，由安裝在同步交流發電機的定子槽中的副繞組供給；發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電機，還是自勵式同步交流發電機，改變勵磁電流的大小，均可調整發電機的輸出電壓。

 

圖5  交流發電機工作原理矢量圖

圖6  發電機三相電動勢原理圖

 

總結：

      雖然柴油發動機有許多種型式，其具體構造也不完全一樣，但都有曲柄連桿機構、配氣機構、燃油供給系、潤滑系及冷卻系。曲柄連桿機構、配氣機構和燃油供給系，是柴油發動機的三大基本部分，它們互相配合，完成柴油發動機的工作循環，實現能量轉換。使用過程中，三者技術狀態的好壞及相互之間配合的正確與否，對柴油發動機的性能具有決定性的影響。潤滑系和泠卻系為柴油發動機的輔助系統，是柴油發動機長期正常工作不可缺少的重要部分。如果潤滑系或冷卻系工作不正常，那么柴油發動機就會發生故障，也不能正常工作。由此可見，柴油發動機在使用過程中，必須對以上各部分予以充分重視，不可忽視任何一個部分，否則，柴油發動機的正常工作將無法保證，甚至會造成柴油發動機的嚴重損壞。

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