柴油發(fā)電機組是常用的備用電源,由于它以柴油發(fā)動(dòng)機燃燒柴油為動(dòng)力,帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)出與市電同樣性質(zhì)的電力,所以用在市電斷電后需要后備電源供電幾小時(shí)以上的場(chǎng)合。從性能價(jià)格比、對工作環(huán)境的要求、帶非線(xiàn)性負載能力方面考慮,采用柴油發(fā)電機組比使用很多大容量蓄電池的長(cháng)延時(shí)UPS往往具有一定的優(yōu)勢。但是柴油發(fā)電機組在市電斷電后需要十秒鐘左右才能發(fā)出穩定的電力,這就大不如UPS可不間斷供電的特點(diǎn)。因此,柴油發(fā)電機組和UPS通常是取其各自的優(yōu)勢構成一個(gè)完善的、可靠的電源系統,以確保重要設備的不間斷供電。
  柴油發(fā)電機組一般是采用同步發(fā)電機(也俗稱(chēng)電球)將柴油發(fā)動(dòng)機的旋轉機械能轉為電能。各種用電設備要依靠它發(fā)出的電力工作,因此對同步發(fā)電機的工作性能要求是很高的。
  1 同步發(fā)電機的工作原理
  同步發(fā)電機是根據電磁感應原理制造的。主要組成部分如圖1?，F代交流發(fā)電機通常由兩部分線(xiàn)圈構成;為了提高磁場(chǎng)的強度,一部分線(xiàn)圈繞在一個(gè)導磁性能良好的金屬片疊成的圓筒內壁的凹槽內,這個(gè)圓筒固定在機座上稱(chēng)為定子。定子內的線(xiàn)圈可輸出感應電動(dòng)勢和感應電流,所以又稱(chēng)其為電樞。發(fā)電機的另一部分線(xiàn)圈則繞在定子圓筒內的一導磁率強的金屬片疊成的圓柱體的凹槽內,稱(chēng)為轉子。一根軸穿過(guò)轉子中心并將其緊固在一起,軸兩端與機座構成軸承支撐。轉子與定子內壁之間保持小而均勻的間隙且可靈活轉動(dòng)。這叫做旋轉磁場(chǎng)式結構的無(wú)刷同步發(fā)電機。
  工作時(shí),轉子線(xiàn)圈通以直流電形成直流恒定磁場(chǎng),在柴油機的帶動(dòng)下轉子快速旋轉,恒定磁場(chǎng)也隨之旋轉,定子的線(xiàn)圈被磁場(chǎng)磁力線(xiàn)切割產(chǎn)生感應電動(dòng)勢,發(fā)電機就發(fā)出電來(lái)。
   1—前端蓋;2—出風(fēng)蓋板;3—軸承;4—定子;5—端子箱側板;6—電壓調節器;7—調節器支架;8—端子箱頂蓋;9—端子箱前后板;10—接線(xiàn)板;11—接線(xiàn)板支架;12—端子箱側板;13—吊攀;14—軸承蓋;15—進(jìn)風(fēng)蓋板;16—后端蓋;17—勵磁定子;18—勵磁定子固定螺栓;19—軸承;20—旋轉整流器;21—勵磁電樞;22—接地牌;23—轉子;24—風(fēng)扇;25—永磁機機殼;26—永磁機轉軸;27—永磁機轉子;28—永磁機定子;29—永磁機定子固定螺栓;30—永磁機轉子固定螺栓;31—墊圈;32—永磁機蓋板
  圖1 雙軸承發(fā)電機剖視圖
  轉子及其恒定磁場(chǎng)被柴油機帶動(dòng)快速旋轉時(shí),在轉子與定子之間小而均勻的間隙中形成一個(gè)旋轉的磁場(chǎng),稱(chēng)為轉子磁場(chǎng)或主磁場(chǎng)。平常工作時(shí)發(fā)電機的定子線(xiàn)圈即電樞都接有負載,定子線(xiàn)圈被磁場(chǎng)磁力線(xiàn)切割后產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢通過(guò)負載形成感應電流,此電流流過(guò)定子線(xiàn)圈也會(huì )在間隙中產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng),稱(chēng)為定子磁場(chǎng)或電樞磁場(chǎng)。這樣在轉子、定子之間小而均勻的間隙中出現了轉子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng),這兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用構成一個(gè)合成磁場(chǎng)。發(fā)電機就是由合成磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)切割定子線(xiàn)圈而發(fā)電的。由于定子磁場(chǎng)是由轉子磁場(chǎng)引起的,且它們之間總是保持著(zhù)一先一后并且同速的同步關(guān)系,所以稱(chēng)這種發(fā)電機為同步發(fā)電機。同步發(fā)電機在機械結構和電器性能上都具有許多優(yōu)點(diǎn)。
  2 同步發(fā)電機的調控
  同步發(fā)電機在其額定負載范圍內允許帶各種用電負荷。這些負荷的輸入特性會(huì )直接影響發(fā)電機的輸出電壓;當負載為純電阻性時(shí),因為同步發(fā)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(chǎng)的前一半被定子磁場(chǎng)削弱,而后一半又被定子磁場(chǎng)加強,一周內合成磁場(chǎng)平均值不變,發(fā)電機輸出電壓不變。負載呈現為純電感性時(shí),則因負載電流滯后電樞端電壓90°而使得定子磁場(chǎng)削弱了轉子磁場(chǎng),合成磁場(chǎng)降低,造成發(fā)電機輸出電壓下降。若負載是純電容性的,負載電流就會(huì )超前電樞端電壓90°,從而使定子磁場(chǎng)加強了轉子磁場(chǎng),合成磁場(chǎng)增大,發(fā)電機輸出電壓上升?？梢?jiàn);合成磁場(chǎng)是使發(fā)電機性能變化的一個(gè)重要因素。而合成磁場(chǎng)中起主要作用的是轉子磁場(chǎng)即主磁場(chǎng),因此,調控轉子磁場(chǎng)就可以調節同步發(fā)電機的輸出電壓改善其帶負載能力,從而達到在額定負荷范圍內穩住發(fā)電機輸出電壓的目的。
  (1)同步發(fā)電機轉子的勵磁
  所謂勵磁即是向同步發(fā)電機轉子提供直流電使其產(chǎn)生直流電磁場(chǎng)的過(guò)程。同步發(fā)電機轉子凹槽內的線(xiàn)圈就是由稱(chēng)做勵磁機的一個(gè)專(zhuān)門(mén)的設備為其供以直流電形成直流磁場(chǎng)的。早期的發(fā)電機是采用單獨的勵磁機給轉子線(xiàn)圈提供直流電的,系統龐大而復雜。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步,現代同步發(fā)電機都是將發(fā)電機與勵磁機組裝在一起構成一個(gè)完整的發(fā)電機。
  勵磁機其實(shí)就是個(gè)小發(fā)電機,它的工作原理與同步發(fā)電機一樣。所不同的是它的定子線(xiàn)圈和轉子線(xiàn)圈所起的作用與同步發(fā)電機——主發(fā)電機正好相反;固定在主發(fā)電機定子旁的勵磁機的定子線(xiàn)圈通以直流電形成直流磁場(chǎng),而安裝在主發(fā)電機轉子軸上的勵磁機的轉子線(xiàn)圈成為輸出電動(dòng)勢的電樞。勵磁機的轉子與定子內壁之間也是保持著(zhù)小而均勻的間隙。這也稱(chēng)為旋轉電樞式結構的無(wú)刷同步發(fā)電機。安裝在主發(fā)電機定子旁的勵磁機定子線(xiàn)圈的直流電,是由主發(fā)電機定子線(xiàn)圈即電樞的部分輸出電壓經(jīng)整流后而得到的。與主發(fā)電機轉子同軸安裝的勵磁機轉子線(xiàn)圈在其定子線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)內旋轉、切割磁力線(xiàn)所產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢,經(jīng)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(fā)電機的轉子線(xiàn)圈使其產(chǎn)生直流轉子磁場(chǎng)。從而達到了對主發(fā)電機轉子線(xiàn)圈勵磁的要求。
  (2)同步發(fā)電機輸出電壓的調控
  調控的目的就是實(shí)現在同步發(fā)電機額定負荷范圍內穩住輸出電壓。調控技術(shù)的理念是實(shí)時(shí)地從主發(fā)電機電樞取得電壓和電流,經(jīng)整流和負反饋調理后供給勵磁機的定子線(xiàn)圈,使其產(chǎn)生變化規律與主發(fā)電機輸出電壓變化規律相反的直流電磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)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(fā)電機轉子線(xiàn)圈的直流電流按同樣的規律而變化。從而起到實(shí)時(shí)調節主發(fā)電機轉子磁場(chǎng)大小,使主發(fā)電機在額定負荷范圍內保持良好輸出特性的作用。
  對發(fā)電機輸出電壓的調節過(guò)程,可以用以下的流程表示;
  由于負荷增加使主發(fā)電機電樞電壓↓(降) →經(jīng)負反饋調理后勵磁機定子電流及磁場(chǎng)↑→勵磁機轉子電樞輸出電壓↑→旋轉整流器輸出電流↑→主發(fā)電機轉子磁場(chǎng)↑→使主發(fā)電機電樞電壓↑
  若主發(fā)電機電壓升高,則其反饋調控使以上各環(huán)節作用降低,導致電壓回到額定值。
  可見(jiàn)通過(guò)勵磁機實(shí)時(shí)調控主發(fā)電機轉子磁場(chǎng)的大小,就可以穩住輸出電壓。這其中起重要作用的是負反饋調節單元,通常稱(chēng)其為恒壓勵磁裝置和自動(dòng)電壓調節器。
  (3)自動(dòng)電壓調節器
  現代交流同步發(fā)電機常用自動(dòng)電壓調節器AVR這種電子部件調節勵磁機定子磁場(chǎng)的強弱。雖然AVR的種類(lèi)很多,但性能大同小異;都是實(shí)時(shí)采樣主發(fā)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。然后再用這些脈沖去調控大功率開(kāi)關(guān)器件即三極管或場(chǎng)效應管控制送入勵磁機定子線(xiàn)圈的電流的時(shí)間。從而使它的磁場(chǎng)強弱隨著(zhù)主發(fā)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(chǎng)減小,輸出電壓降低勵磁機定子磁場(chǎng)增強。從而達到負反饋調控的目的。
  自動(dòng)電壓調節器電路
  是常用的一種AVR類(lèi)型。取樣自主發(fā)電機輸出電壓的信號從8、9兩端輸入到電壓測量比較單元,與內部預先設定的電壓值(例如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送入低頻保護單元。電壓測量比較單元的L、S、H是連接主發(fā)電機輸出電壓幅值調節電位器的三個(gè)端子。
  脈沖寬度調制器由穩壓器輸出的直流電壓UCC作為工作電源,以確保其性能穩定。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(lái)的UA大,表明主發(fā)電機輸出電壓升高,則大的UA就會(huì )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(huì )使VT3導通時(shí)間短,通過(guò)的電流少。反之,主發(fā)電機電壓降低UA變小,脈沖寬度調制器輸出的脈沖UB的寬度隨之變寬,從而使VT3導通時(shí)間變長(cháng),通過(guò)的電流增多。
  勵磁機定子線(xiàn)圈一端接在端子X(jué)1上,另一端接在XX1端子上。由主發(fā)電機電樞送來(lái)的EA、EB、Ec三相電壓,經(jīng)過(guò)三個(gè)二極管VD10、VD11、VD12整流后,電流從X1端流入勵磁機的定子線(xiàn)圈,由XX1流出,再經(jīng)過(guò)調制管VT3和XN端子流回主發(fā)電機電樞,形成勵磁機定子線(xiàn)圈的勵磁電流通路。VT3是這個(gè)通路上的開(kāi)關(guān),它導通時(shí)間長(cháng),則定子線(xiàn)圈流過(guò)電流時(shí)間長(cháng),定子磁場(chǎng)強度大;VT3導通時(shí)間短,定子線(xiàn)圈電流少,定子磁場(chǎng)強度小。
  AVR就是這樣調控主發(fā)電機的電壓的;主發(fā)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隨著(zhù)升高,受UA控制的脈寬調制器輸出脈沖UB寬度變窄,開(kāi)關(guān)管VT3導通時(shí)間短,勵磁機定子磁場(chǎng)減弱,轉子電樞電壓及旋轉整流器輸出電流隨之減小,導致供給主發(fā)電機轉子的勵磁電流變小,則主發(fā)電機因其轉子磁場(chǎng)的減小而使輸出電壓降低。反之,AVR的負反饋調控功能就會(huì )使主發(fā)電機的輸出電壓升高。
  在主發(fā)電機因負荷超出額定值而輸出極大電流時(shí),柴油發(fā)動(dòng)機也需隨之輸出巨大的動(dòng)力以致導致其轉速低于額定值。低頻保護單元的作用就是在這種情況下限制勵磁機定子線(xiàn)圈里電流的超額增大。它以電阻和電容構成的充放電支路預先設定一個(gè)低頻保護點(diǎn),當主發(fā)電機負荷正常時(shí),從電壓測量單元來(lái)的UC小于低頻保護點(diǎn),則低頻保護單元輸出的電壓Ud高,二極管VD8被截止,Ud到不了脈寬調制器,起不了作用。若主發(fā)電機超載則Ud變低,VD8導通,Ud和UA就可同時(shí)作用于脈寬調制器,使其輸出的脈沖UB隨Ud的下降而變窄,調制管VT3導通時(shí)間隨之變短,勵磁電流減小勵磁機定子磁場(chǎng)變弱,從而導致主發(fā)電機轉子磁場(chǎng)減小。發(fā)電機輸出電壓下降、電流減小。低頻保護單元起到了保護勵磁機和主發(fā)電機的作用。
  3 同步發(fā)電機的維護
  同步發(fā)電機是柴油發(fā)電機組的關(guān)鍵部分。為柴油發(fā)電機組建立一個(gè)合適的工作環(huán)境,做好日常維護是十分必要的。
  發(fā)電機房?jì)鹊母邷?、潮濕和空氣污染物是引起發(fā)電機故障的最常見(jiàn)因素。粉塵、灰塵和其它空氣污染物的積累會(huì )引起絕緣層的性能變壞,不僅易形成對地的導電通路,還會(huì )使轉子軸承部分的摩擦力增大而發(fā)熱。濕氣以及空氣污染物中的濕氣極易在發(fā)電機內形成對地的漏電通路,引起發(fā)電機故障。機房?jì)葴囟冗^(guò)高會(huì )使發(fā)電機組工作時(shí)產(chǎn)生的熱量難以散出,造成其輸出功率下降、機組過(guò)熱。所以機房的防塵、防潮濕、通風(fēng)降溫就必須引起足夠的重視。
  無(wú)論是單軸承發(fā)電機還是雙軸承發(fā)電機,它們的轉子軸與柴油發(fā)動(dòng)機主軸之間連接的同軸度要求很高。長(cháng)時(shí)期運行后的機組有時(shí)同軸度可能降低,導致發(fā)電機燥聲增大,溫度過(guò)高。應定期檢查、維護以保持同軸度良好。
  負荷超出發(fā)電機的額定負載范圍,或三相負荷很不平衡,也會(huì )造成發(fā)電機效率降低和過(guò)熱。