柴油發(fā)電機的工作原理 工作原理 一、柴油發(fā)電機組生成機理： 柴油發(fā)電機組中常用的發(fā)電機為同步交流發(fā)電機，是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)式機械。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種。 在柴油機汽缸內(nèi)，經(jīng)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’。各汽缸按一定順序依次作功，作用在活塞上的推力經(jīng)過連桿變成了推動曲軸轉(zhuǎn)動的力量，從而帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。 將無刷同步交流發(fā)電機與柴油機曲軸同軸安裝，就可以利用柴油機的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，利用‘電磁感應(yīng)’原理，發(fā)電機就會輸出感應(yīng)電動勢，經(jīng)閉合的負載回路就能產(chǎn)生電流。 柴油發(fā)電機組工作結(jié)構(gòu)圖 二、交流發(fā)電機生成機理 以旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機為例介紹柴油機組中發(fā)電機的工作原理。 旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機產(chǎn)生電動勢的原理與旋轉(zhuǎn)電樞式相同，都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。而主要區(qū)別有兩點： （1）產(chǎn)生感應(yīng)電流的方式：旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機通過電樞的旋轉(zhuǎn)使閉合線圈的磁通量變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流；旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機則通過磁極的旋轉(zhuǎn)使定子線圈切割磁力線，從而在定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。 （2）電力輸出方式：旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機通過電刷和集電環(huán)向外接電路供電；而旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機則直接將電力送往外接電路，因此相對于旋轉(zhuǎn)電樞式、旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機可提供電高的電壓，適用于大型發(fā)電機。 1、電動勢的產(chǎn)生 ● 當導(dǎo)體切割磁場的磁力線時，會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。 ● 線圈abcd代表整個電傴繞組、其兩端分別固定在同一轉(zhuǎn)軸上的滑環(huán)1和2上，兩者同軸旋轉(zhuǎn)，且相對位置和連接關(guān)系不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。電刷A和B通過刷架固定在發(fā)電機的端蓋上、且與滑環(huán)1、2的滑動接觸關(guān)系不變。 ● 當電樞沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，ab邊處于N極下時、山邊的感應(yīng)電動勢方向為由c至d，并設(shè)此時電動勢方向為正方向;當電樞旋轉(zhuǎn)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(fā)電機、其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，在電樞繞組中產(chǎn)生一個周波的交流電動勢。若磁通密度B按正弦規(guī)律分布，則可產(chǎn)生正弦交流電動勢。而對于三相同步交流發(fā)電機、其各項繞組產(chǎn)生交流電動勢的原理與單項同步交流發(fā)電機完全相同。 2、電動勢的大小 根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當導(dǎo)體與磁場發(fā)生相對運動時、導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢e可由式求得: E=BLV ● B——磁通密度； ● L——導(dǎo)體在磁場中的有效長度； ● V——導(dǎo)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(fā)電機轉(zhuǎn)速； ● K——發(fā)電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)。 同步交流發(fā)電機制成后，其結(jié)構(gòu)常數(shù)K已成定值。因此，可通過改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n或每極磁通來調(diào)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(zhuǎn)速n成正比，所以發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是不能隨便調(diào)整的。因此，主要通過調(diào)節(jié)同步交流發(fā)電機磁通量的大小，達到調(diào)整其輸出電壓的目的。 3、電動勢的頻率 ● 當發(fā)電機磁極對數(shù)一定時(如P=1)，其轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，電樞繞組可產(chǎn)生一個周波的交流電動勢。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)兩周，產(chǎn)生兩個周波的交流電動勢，苦轉(zhuǎn)子每秒旋轉(zhuǎn)n/60周，則產(chǎn)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(fā)電機轉(zhuǎn)速n成正比。 ● 當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速一定時(如n=1周/s)，磁極對數(shù)P=1，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個周波的交流電動勢。磁極對數(shù)P=2，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生兩個周波的交流電動勢。若為P對磁極，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)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(shù)P成正比。 綜上所述，同步交流發(fā)電機電動勢的頻率f與其轉(zhuǎn)速n 和磁極對數(shù)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(fā)電機的轉(zhuǎn)速n或磁極對數(shù)P,均可改變其頻率f。但是，發(fā)電機制成后，其磁極對數(shù)P是不能改變的因此,只能通過改變轉(zhuǎn)速n來調(diào)整頻率f。一旦頻率f達到額定值后，就不能再隨便改變轉(zhuǎn)速n。 4、改善電動勢波形的措施 根據(jù)要求，同步交流發(fā)電機輸出電壓應(yīng)為正弦波。但是，由于發(fā)電機定子鐵芯結(jié)構(gòu)、磁極結(jié)構(gòu)、電樞繞組結(jié)構(gòu)、三相發(fā)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(chǎn)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(fā)電機的性能和工況，還影響用電設(shè)備的正常工作。因此，在設(shè)計、生產(chǎn)同步交流發(fā)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(jié)構(gòu)和三相發(fā)電機采用星形接法。 （1）改善磁極形狀：磁極的分布規(guī)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(guī)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至何種位置，磁極端畫所覆蓋的鐵芯齒面積始終保持不變，這樣可齒諧波的影響； （3）改善定子繞組結(jié)構(gòu)：同步交流發(fā)電機通常采用短距分布式繞組結(jié)構(gòu)，可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(fā)電機采用星形接法：三相同步發(fā)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(shù)次諧波分量·改善線電壓的波形。 5、同步交流發(fā)電機勵磁方式 發(fā)電機勵磁功率的產(chǎn)生方式，稱為其勵磁方式。同步交流發(fā)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(fā)電機稱為:他勵式發(fā)電機。根據(jù)獲得勵磁功率形式的不同，他勵式交流發(fā)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(zhuǎn)動的并勵直流發(fā)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(zhuǎn)動的交流勵磁發(fā)電機供給勵磁功率的。 （2）自勵式：勵磁功率由本身供給的發(fā)電機稱為自勵式發(fā)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(fā)電機輸出端取得，由安裝在同步交流發(fā)電機的定子槽中的副繞組供給；發(fā)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(fā)電機，還是自勵式同步交流發(fā)電機，改變勵磁電流的大小，均可調(diào)整發(fā)電機的輸出電壓。

交流發(fā)電機和發(fā)電機組額定值的定義 交流發(fā)電機上的kVA額定值主要受繞組絕緣系統(tǒng)的熱能力控制 交流發(fā)電機的額定值定義了其向連接負載提供電力的能力。額定值以kVA為單位，并且是在發(fā)電機組應(yīng)用中交流發(fā)電機選型的起點。雖然在選型和選擇過程中還必須考慮其他因素，但本文討論的主題包括額定值和占空比的定義、行業(yè)中使用的術(shù)語以及這如何為協(xié)助GOEM為其發(fā)電機組選擇合適的交流發(fā)電機提供信息。 交流發(fā)電機額定值 交流發(fā)電機的kVA額定值主要取決于繞組絕緣系統(tǒng)的熱容量和所需的預(yù)期使用壽命。對于給定的使用壽命，絕緣等級越高，交流發(fā)電機運行時的熱量越高。 下表列出了用于對絕緣系統(tǒng)的性能進行分類的字母和相應(yīng)的標稱工作溫度。 現(xiàn)代繞組絕緣的行業(yè)標準是低壓系統(tǒng)為H級（<1kV），中壓和高壓系統(tǒng)為F級（>1kV）。 然而，應(yīng)該注意的是，分配給絕緣系統(tǒng)等級的字母不一定與交流發(fā)電機額定的溫升等級相同。如果交流發(fā)電機上的kVA額定值導(dǎo)致運行溫度低于絕緣系統(tǒng)的標稱容量，則運行壽命會延長。相反，如果kVA額定值導(dǎo)致高于絕緣系統(tǒng)標稱能力的工作溫度，則工作壽命會縮短。 這兩種情況都是可接受的運行條件，但是在為特定應(yīng)用選擇交流發(fā)電機時，必須考慮交流發(fā)電機繞組的預(yù)期壽命。 示例：備用電源與主電源應(yīng)用 在典型的備用電源應(yīng)用（例如醫(yī)院）中，每年的運行時間很可能少于200小時。在安裝的整個生命周期內(nèi)，例如15年，這相當于總共多3000小時運行時間。鑒于運行時間相對較低，交流發(fā)電機可以在更高的溫度下運行，因此額定值相對較高。 出于這個原因，客戶將在備用應(yīng)用的交流發(fā)電機上達到kVA額定值峰值。 然而，在連續(xù)運行的應(yīng)用中，例如嵌入式發(fā)電方案，運行時間可能高達每年8000小時。這相當于在同樣的15年期間運行超過120000小時。在這種情況下，繞組的溫度必須使用相對較低的kVA額定值來降低。 因此，客戶的交流發(fā)電機將達到F級甚至B級kVA額定值。 熱損傷曲線說明絕緣壽命隨工作溫度的變化，并與其他工具結(jié)合使用，以便在為特定發(fā)電應(yīng)用的交流發(fā)電機指定額定值時做出選型和選擇決定。 發(fā)電機組額定值 發(fā)電機組額定值原理引入了備用和主電源應(yīng)用的概念。在ISO8528-1的指導(dǎo)下，發(fā)電機組額定值的定義按應(yīng)用分為四個類別。 ■ 應(yīng)急備用電源，（ESP額定值） ■ 限時主電源，（LTP額定值） ■ 主要額定功率，（PRP額定值） ■ 連續(xù)運行功率，（COP額定值） 每個定義都規(guī)定了以下標準： ■ 負載類型 其中包括可變負載，即負載循環(huán)的幅度和持續(xù)時間不同，另外還有恒定負載，即負載保持恒定水平，但負載循環(huán)的持續(xù)時間可能會有所不同。 ■ 每年運行小時數(shù) 將平均負載水平與發(fā)電機組的指定額定值進行比較，并表示為額定kVA的百分比。發(fā)電機組必須能夠在規(guī)定的小時數(shù)中在平均負載水平運行。 ■ 過載要求 過載能力表示可在指定的持續(xù)時間內(nèi)高于指定kVA額定值的百分比。 交流發(fā)電機額定值的術(shù)語和定義因行業(yè)而異，與發(fā)電機組使用的術(shù)語和定義不一致。交流發(fā)電機的定義以國際標準ISO 8528-3、IEC 60034-1和一些全國標準（如NEMA MG 1-32（北美））為指導(dǎo)，這些標準本身引入了進一步的變化。 下表總結(jié)了根據(jù)ISO 8528-1對發(fā)電機組的定義以及ISO 8528-3和IEC 60034-1對交流發(fā)電機的定義。盡管存在差異，但該表顯示了如何匹配交流發(fā)電機與發(fā)電機組的額定值和運行負荷。 需要注意的是，與標準相比，GOEM可能決定提供更高水平的性能，例如更高的平均負載或更長的運行時間。 在將交流發(fā)電機與發(fā)電機組額定值和應(yīng)用相匹配時，需要考慮到這一點。