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柴油發電機的工作原理

 

摘要：柴油發電機組是利用柴油發動機將柴油燃燒所產生的熱能轉化為旋轉運動的機械能；發電機將旋轉的機械能轉化為電能。主要由柴油發動機、發電機、控制系統組成。柴油發電機是一種高效、高功率、耐久性好、適應性強但污染嚴重、噪音大等缺點的電力設備，但在某些領域，如備用電源和應急電源方面，柴油發電機仍然具有不可替代的作用。

 

一、柴油發電機組結構組成

 

        柴發整套機組一般由柴油機、發電機、控制箱、燃油箱、起動和控制用蓄電瓶、保護裝置、應急柜等部件組成，結構如圖1所示。

1、連接方式

（1）柔性連接

      用聯軸器將兩部分連接，柔性連接精度要求比較低，能量傳遞效率稍低。

（2）鋼性連接

      用高強度螺栓將發電機鋼性連接片與發動機飛輪盤連接，接好之后放在公共底架上，之后再配上各種起保護作用的傳感器（機油探頭，水溫探頭，油壓探頭等），由控制系統來顯示各種傳感器的工作狀態。 控制系統通過電纜與發電機和傳感器連接以顯示數據。

2、 柴油機

        柴油機主要由氣缸、活塞、曲軸、連桿、進氣道、排氣道、噴油器等組成。其中，氣缸是柴油機最重要的部件之一，它是一個圓筒形的容器，內部有一個活塞和一個燃燒室。曲軸則是將活塞的往復運動轉化為旋轉運動的關鍵部件。

        在柴油機汽缸內，經過空氣濾清器過濾后的潔凈空氣與噴油嘴噴射出的高壓霧化柴油 充分混合，在活塞上行的擠壓下，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，推動活塞下行，稱為‘作功’，示功圖如圖2所示。各汽缸按一定順序依次作功，作用在活塞上的推力經過連桿變成了推動曲軸轉動的力量，從而帶動曲軸旋轉。

 

圖1  柴油發電機組結構圖

發動機展開示功圖（P-φ圖）

 

3、發電機

        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。

        將無刷同步交流發電機與柴油機曲軸同軸安裝，就可以利用柴油機的旋轉帶動發電機的轉子，利用‘電磁感應’原理，發電機就會輸出感應電動勢，經閉合的負載回路就能產生電流。

4、康明斯發電機組特點

      康明斯電力發電機組是采用全集成的電力系統。性能優越，可靠性強，提供多種穩定的備用和優質的電力，并可應用于連續載荷的工作條件。其外觀電球端后視圖和水箱端前視圖如圖3、圖4所示。

（1）康明斯重載發動機 - 四沖程工業發動機提供可靠的動力、超低的排放和快速的負荷響應。

（2）永磁發電機(PMG)- 提供超凡的電動機起動性能和短路故障承受能力。

（3）發電機 – 多種發電機型號提供可選擇，采用2/3節距低電抗繞組和F級或H級絕緣，改善電動機的起動性能，具有在非線性負載下電壓波形畸變小，短路故障清能力強等優點。

（4）控制系統 - 標準配置PowerCommand^TM電子控制系統提供的集成控制包括：遠程自動啟動/停機，精確的頻率和電壓調節，報警和狀態信息顯示，AmpSentry保護，輸出儀表顯示和自動故障停機功能。

 

圖3  C90D5康明斯發電機組后視圖（電球端）

圖4  C90D5康明斯發電機組前視圖（水箱端）

  

二、柴油機生成機理

 

      傳統柴油機的基本結構包括曲柄連桿機構、配氣機構、傳動機構、燃油供給系統、潤滑系統、冷卻系統、起動系統，俗稱三大機構四大系統。這些系統和機構的良好配合，是柴油機能夠產生動力并對外輸出動力的關鍵。結構圖如圖5、圖6所示。

1、柴油機能量的產生

      氣缸內的柴油燃燒（油+氣）產生動能，帶動與活塞相連的曲柄連桿機構繞曲軸作往復圓周運動，輸出動力。

2、能量轉換方式

      柴油的化學能轉化成熱能，熱能轉化為機械能。

3、工作過程

      進氣沖程（油氣混合）、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程，每一時刻四個沖程往復循環。

4、曲軸旋轉角度

      四沖程柴油機在一個工作循環中帶動曲軸旋轉兩次（180*4=720），理論上它的功率是二沖程（目前已淘汰）柴油機的兩倍。

5、點火方式

      柴油機使用柴油作為燃料，與汽油相比，柴油自然溫度低，粘度高，不易蒸發。因此柴油機在壓縮終點采用壓燃式點火，不需要專門的火花塞。

6、增壓過程

      壓縮空氣是為了提高空氣中的氧氣密度，當氧氣密度增大時，油可充分的燃燒，提升發動機動力。渦輪增壓的原理是在發動機轉速上升至一定轉速時，排出的廢氣帶動渦輪旋轉，渦輪帶動壓縮機工作，將經過壓縮機的高溫高壓氣體經過冷卻變為低溫高壓氣體輸入至氣缸中，實現渦輪增壓的過程。渦輪增壓實際上是增大扭矩/功率。

7、柴油機的特點

      四大系統中，曲柄連桿機構、配氣機構和燃油供給系統，是柴油機的三個最基本的部分，它們互相配合，完成柴油機的工作循環，實現能量轉換。 在使用過程中，三者技術狀態的好壞及相互之間配合的正確與否，對柴油機的性能具有決定性的影響。

 

圖5  柴油發電機的后視圖 1-柴油發電機吊耳 2-曲軸箱通風裝置 3-渦輪增壓器 4-噴油器回油管接頭 5-飛輪殼 6-飛輪 7-油底殼放油螺塞 8-OEM供油管接頭 9-0EM燃油回油管接頭 10-進油管接頭

圖6  柴油發電機的頂視圖 1-冷卻液進口接頭 2-渦輪增壓器進氣口 3-渦輪增壓器出氣口 4-渦輪增壓器排氣口5-渦輪增壓器執行器空氣管 6-曲軸箱通風裝置 7-飛輪殼 8-曲軸箱通風裝置機油回油管 9-曲軸箱通風導流管 10-渦輪增壓器控制閥11-燃油濾清器支架 12-進氣管接頭 13-高壓燃油泵 14-機油加注口 15-冷卻液出口接頭

 

三、交流發電機生成機理

 

      以旋轉電樞式同步發電機為例介紹柴油機組中發電機的工作原理。交流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。

1、基本原理

      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，如圖7所示。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

（1）當導體切割磁場的磁力線時，會在導體中產生感應電動勢。發電機電動勢隨時間變動規律曲線如圖8所示。

（2）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。

（3）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

（1）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。

（2）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7  交流發電機工作原理圖

圖8  發電機電動勢隨時間變動規律曲線圖

 

總結：

      康明斯發電機組可用于高排氣量和環境敏感性的工廠綜合場所，具有強大的傳統結構、耐久性和可靠性，是遠程或臨時用地的驅動力。發電機的低電抗設計使得非線性負載下的波形畸變很小，具有良好的起動性能，符合ISO8528、iso3046、bs5514和GB/t2820-97標準。在20千瓦至2.7兆瓦的范圍內，康明斯柴油發電機組可以滿足您苛刻的需求。

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