新聞主題	柴油機與發(fā)電機的工況特性曲線

 

摘要：對發(fā)電機組而言，柴油機作為發(fā)電機組心臟，其輸出特性直接影響發(fā)電機組的運行特性，而發(fā)電機的特性會影響其輸出電壓和電流的穩(wěn)定性。因此了解和掌握柴油機的性能，對有效利用動力源，以及提高整機性能具有重要的意義。因柴油機的輸出特性主要通過其動力性指標、經(jīng)濟性指標及排放性能指標等隨發(fā)動機使用工況的變化特性來描述。所以，研究柴油機特性的主要目的在于正確評價柴油機和發(fā)電機的特性，為發(fā)電機組正確選用動力源和電氣系統(tǒng)提供依據(jù)。同時，通過對柴油機和發(fā)電機特性的評價與分析，為進一步改進柴油機的性能使之與整機性能良好匹配提供有效途徑。

 

一、柴油機特性

 

      對于柴油機特性，主要通過柴油機各項性能指標隨工況的變化特性來研究，包括柴油機的負荷特性、速度特性及萬有特性等。所以，要研究柴油機特性，首先需要了解或具備以下幾個概念，即柴油機的工況、柴油機的試驗臺架、柴油機的試驗方法及柴油機特性的分析方法等。

 1、柴油機工況

      柴油機的工況，是指柴油機運行的狀態(tài)，常用柴油機轉(zhuǎn)速n和負荷表示。其中轉(zhuǎn)速表示柴油機的工作頻率，而負荷則表示柴油機對外做功的能力，主要用輸出轉(zhuǎn)矩T_tq或平均有效壓力P_me。表示，其中T_tq∝P_me。柴油機輸出的有效功率為

P_e∝T_tqn∝P_men ............................(公式1)

      根據(jù)柴油機的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，其工況是限定在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速n_min、最高轉(zhuǎn)速n_max及在各工作轉(zhuǎn)速下所能輸出的最大功率（外特性功率曲線）所包圍的范圍內(nèi)。最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速又稱為怠速轉(zhuǎn)速，此時向氣缸供給的混合氣量最少，只供克服柴油機內(nèi)部摩擦損失和驅(qū)動附件等用所必要的燃料，而對外輸出功等于零。所以，若柴油機轉(zhuǎn)速低于此轉(zhuǎn)速時，由于飛輪等運動件的儲存能量小，導(dǎo)致柴油機轉(zhuǎn)速波動過大，不能正常穩(wěn)定運行。而柴油機的最高轉(zhuǎn)速主要受到來自充氣效率、機械損失和曲柄連桿機構(gòu)慣性力的影響。高轉(zhuǎn)速時由于流動損失增加，充氣效率迅速下降，同時活塞組的往復(fù)慣性力和曲軸的旋轉(zhuǎn)慣性力增加，摩擦損失增加，直接危及柴油機的工作可靠性。因此，每一臺柴油機都限定其允許的最高使用轉(zhuǎn)速，即額定轉(zhuǎn)速nn。所以，柴油機的實際工作范圍就限定在最低轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的小于或等于外特性功率曲線的區(qū)域內(nèi)。根據(jù)不同工作機械上柴油機的使用條件不同，將柴油機的工況分為三大類。

（1）恒速工況

      恒速工況是指柴油機的轉(zhuǎn)速保持不變，而功率隨負載而變化的工況（圖1中曲線1）。例如發(fā)電用柴油機的工況，為了保證發(fā)電機工作頻率穩(wěn)定，要求柴油機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變，而功率隨發(fā)電機負荷（用電量）的大小而變化。恒速工況的特例是柴油機運轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)速和負荷均保持不變，這種工況稱為點工況（圖公式1中的A點）。如柴油機帶動排灌用水泵工作時，除起動和過渡工況以外，一般都按點工況運行。

（2）線工況

      線工況主要指柴油機輸出功率與轉(zhuǎn)速成一定函數(shù)關(guān)系的工況（圖1中曲線2）。比較典型的就是船用柴油機的螺旋槳工況。此時柴油機的輸出功率主要克服來自流體的阻力，即船舶穩(wěn)定運行時，柴油機輸出的功率必須與螺旋槳消耗的功率相等。在螺旋槳節(jié)距一定的條件下，柴油機功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即Pe＝Kn3。

（3）面工況

      前兩種工況的共同特點是，柴油機輸出功率和轉(zhuǎn)速有一定的約束關(guān)系。而面工況（圖1中陰影區(qū)域）的特點是柴油機輸出功率和轉(zhuǎn)速之間沒有特定的約束關(guān)系。在柴油機整個工作區(qū)域內(nèi)，功率P。和轉(zhuǎn)速n都相對獨立變化，因此柴油機可能運行的范圍就是其實際工況變化的范圍，稱之為面工況。如發(fā)電用柴油機的工況，或其他陸地運輸和作業(yè)的工作機械用柴油機的工況，就屬于這種工況。在陸地運行時，柴油機的轉(zhuǎn)速取決于發(fā)電機組等陸地作業(yè)的工作機械的運行速度，而柴油機的輸出功率則取決于發(fā)電機組的運行阻力。發(fā)電機組運行阻力不僅與其運行速度有關(guān)，而且還取決于道路情況，或拖拉機耕地時的土壤條件、推土?xí)r的推土載荷量等。

2、柴油機輸出功率

      柴油機的輸出功率，是表征柴油機工況特征的重要綜合指標。但是由式（公式1）可知，輸出功率相同，不等于工況相同。由于工況不同，柴油機工作狀態(tài)，即燃燒放熱過程不同。因此，在相同功率下，柴油機的經(jīng)濟性和排放特性不一樣。所以，正確認識柴油機的工況，或在發(fā)電機組運行過程中柴油機輸出功率相同的條件下，如何正確選擇其工況，對改善整機性能具有重要意義。

      柴油機功率、轉(zhuǎn)速和扭矩之間的計算公式如下：

Ｎｅ＝（Ｍe×ω）／（102ｘ9.8）

＝（Ｍe×2πｎ／60）／999.6

＝（Ｍe×ｎ）／9545.45

  或：

  Me=（Neｘ9545.45）/n............................（公式2）

式中，Ｎe——柴油機的輸出功率，kw；

Ｍe——柴油機的輸出扭矩，N.m；

ω——曲軸角速度，弧度／秒，ω＝2πｎ／60（弧度/秒）；

π＝3.1416(圓周率)；　   

ｎ——柴油機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)／分。

圖1  柴油發(fā)動機工況分類

圖2  柴油機總輸出均扭矩變化曲線

 

 

二、發(fā)電機特性

 

      發(fā)電機的工作特性指的是交流發(fā)電機的電壓、電流和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。它包括輸出特性、空載特性和外部特性。

1、輸出特性

       當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)時，輸出電壓和頻率與電網(wǎng)相同。這意味著同步發(fā)電機必須在電網(wǎng)頻率內(nèi)運行，并且在負載變化時必須按需調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率。輸出特性也就是指交流發(fā)電機輸出電流與頻率（轉(zhuǎn)速）之間的關(guān)系，即U=常數(shù)時，I=f(n)的函數(shù)關(guān)系，如圖3所示。

2、空載特性

      發(fā)電機不接負載時，電樞電流為零，稱為空載運行。此時電機定子的三相繞組只有勵磁電流感生出的空載電動勢（三相對稱），其大小隨的增大而增加。但是，由于電機磁路鐵心有飽和現(xiàn)象，所以兩者不成正比。反映空載電動勢與勵磁電流關(guān)系的曲線稱為同步發(fā)電機的空載特性。

3、外特性

      外特性研究的是當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速一定時，其端電壓與輸出電流的關(guān)系，即n=常數(shù)時，U=f(I)的曲線。如圖4所示從外特性曲線可以看出發(fā)電機電壓受負載影響的程度：如果發(fā)電機在高速運轉(zhuǎn)時，突然失去負載，發(fā)電機電壓會突然升高，致使發(fā)電機及調(diào)節(jié)器等內(nèi)部電子元件有被擊穿的危險。

（1）電壓外特性

      同步發(fā)電機的電壓外特性是指同步發(fā)電機輸出電壓隨負載電流變化而發(fā)生的變化規(guī)律。通常情況下，當(dāng)負載電流增大時，同步發(fā)電機的輸出電壓也會隨之增大，但當(dāng)電流超出一定范圍時，輸出電壓反而會下降。

（2）電流外特性

      同步發(fā)電機的電流外特性是指同步發(fā)電機輸出電流隨負載電流變化而發(fā)生的變化規(guī)律。通常情況下，同步發(fā)電機的輸出電流隨著負載電流的增加而增加，但當(dāng)電流超出一定范圍時，輸出電流反而會下降。

（3）功率外特性

      同步發(fā)電機的功率外特性是指同步發(fā)電機輸出功率隨負載電流變化而發(fā)生的變化規(guī)律。當(dāng)負載電流增加時，同步發(fā)電機的輸出功率也會隨之增加，但當(dāng)電流超出一定范圍時，輸出功率反而會下降。

（4）功率因數(shù)外特性

      同步發(fā)電機的功率因數(shù)外特性是指同步發(fā)電機的功率因數(shù)隨負載電流變化而發(fā)生的變化規(guī)律。當(dāng)負載電流增加時，同步發(fā)電機的功率因數(shù)會逐漸降低，但當(dāng)電流超出一定范圍時，功率因數(shù)反而會上升。

      總之，同步發(fā)電機的運行特性對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和電能質(zhì)量有著重要的影響。因此，在選用和使用同步發(fā)電機時，需要充分考慮其運行特性，以確保其安全、可靠地運行。

 

圖3  交流同步發(fā)電機輸出特性曲線圖

圖4  交流同步發(fā)電機外特性曲線圖

 

 

總結(jié)：

      本文章主要討論發(fā)電用柴油機的特性。由于發(fā)電機組使用條件比較復(fù)雜，柴油機運行工況不斷發(fā)生變化。所以對發(fā)電用柴油機的性能評價，只考慮額定工況點的性能指標是不夠的，還需要研究不同工況下柴油機性能指標的變化特性。柴油機的性能指標有動力性指標（Pe、T1g、Pme）、經(jīng)濟性指標（燃油消耗率b。等）及排放性指標（如NO，、CO、HC、PM等排放量），這些指標隨柴油機工況的變化規(guī)律稱為柴油機的使用特性，而這些性能指標隨工況的變化曲線稱為特性曲線。繪制柴油機的特性曲線，可以直觀地評價與分析柴油機的性能及其影響因素，是柴油機性能分析的重要手段。

 

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