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康明斯柴油发电机组及交流发电机工作原理 |
摘要：柴油发电机组的工作原理是柴油机曲轴旋转便带动发电机转动而产生电能输出。发电机一般为交流同步发电机，主要由磁性材料制造多个南北极交替排列的永磁铁（称为转子）和硅铸铁制造并绕有多组串联线圈的电枢线圈（称为定子）组成。其工作原理是转子由柴油机带动轴向切割磁力线，定子中交替排列的磁极在线圈铁芯中形成交替的磁场，转子旋转一圈，磁通的方向和大小变换多次，由于磁场的变换作用，在线圈中将产生大小和方向都变化的感应电流并由定子线圈输送出电流。此外，为了保护用电设备，并维持其正常工作，发电机输出的电压还需要调节器进行调节控制。
一、柴油发电机组的分类和原理
1、柴发机组的分类方法
柴油发电机组的种类繁多，依据不同的原则进行分类的结果不尽相同。
（1）以发动机燃料为依据，可分为柴油发电机组和复合燃料发电机组；
（2）依据转速可分为高、中、低速发电机组；按用途可分为应急、备用和常用发电机组；
（3）根据发电机的输出电压频率可分为交流发电机组和直流发电机组；
（4）按照发电机励磁方式可分为旋转交流励磁机励磁系统和静止励磁机励磁系统两类。
需要注意的是，常用的分类方法通常以柴油发电机组的性质和用途为依据，而以控制和操作方式以及外观构造进行分类。
2、柴发机组的工作原理
以C275D5型康明斯发电机组为例，其结构平面图如图1所示，结构侧面图如图2所示。
基本原理是柴油机驱动发电机运转。在气缸内，经过空气滤清器过滤的洁净空气与喷油器喷出的高压雾化柴油充分混合，在活塞的向上挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞向下运动，称为“做功”。每个气缸按一定顺序依次工作，作用在活塞上的推力通过连杆变成驱动曲轴转动的力，从而带动曲轴转动。通过将无刷同步交流发电机与柴油机的曲轴同轴安装，发电机的转子可以由柴油机的旋转驱动。利用“电磁感应”原理，发电机将输出感应电动势，感应电动势可以通过闭合的负载电路产生电流。
3、柴油发电机的主要技术性能
作为柴油发电机组使用和维修人员，必须了解并掌握发电机组的主要性能指标。同时满足可靠性能指标MTBF：GJB235A-1997《军用交流移动电站通用规范》规定柴油机平均故障间隔时间为500h、800h和1000h。
（1）电压整定范围
电压整定范围是指在发电机以额定转速空载运行时，调整控制面板上的手动或自动电压调节器，电压能够达到的最大值和最小值的范围。在一般情况下，空载电压整定范围为额定值的95%—105%。
（2）稳态电压调整率
稳态电压调整率是指同步发电机在从空载到额定负载的所有负载条件下稳态电压的变化率。国家对I 、II、 III类电站的技术要求是±(1—3)%，对Ⅳ类电站的技术要求是≤±5%。
正常情况下，同步发电机在不同的负载条件下的稳态电源调整诣不同的。给发电机加上感性负载时，其负载变化后的稳态电压值要低于空载整定电压；给发电机加上容性负载时，负载变化后的稳态电压值要高于空载稳定电压。空载整定电压偏差的大小取决于自动电压调节器的调节能力，在一般情况下，电压调节器的调节精度越高，空载整定电压的偏差就越小，稳态电压调整率也就越小。
（3）瞬态电压调整率
瞬态电压调整率是指发电机在空载且转束客电压达到额定值时，在突加或突减负载的过程中瞬时电压的变化率。
（4）电压稳定时间
电压稳定时间是指发电机牌穿戴状态且电压达到额定值时，从突加负载到电压稳定在规定的范围内所需的时间，用S表示。国家规定I、II、III类电站的电压稳定时间为0.5—1s，Ⅳ类电站为3S。
（5）电压波动率
电压波动率是指同步发电机在负载不变时电压的波动程度。
（6）稳态频率调整率
稳态频率调整率是指负载变化前后同步发电机频率稳定的差值与额定频率的比值。
（7）瞬态频率调整率
瞬态频率调整率是指发电机组在突加或突减负载时，瞬间变化频率与负载变化前频率的差值与额定频率的比值。
（8）频率波动率
频率波动率是指发电机组在负载不变时的频率波动程度。
（9）频率稳定时间
频率稳定时间是指发电机在穿戴和频率为额定值时，从突加负载到频率稳定在规定的范围内所需要的时间是，用S'表示。国家规定I、II、III类电站的频率稳定时间为2—5 S'，Ⅳ类电站为7 S'。
（10）空载线电压正弦性波形畸变率
发电机组在正常情况下输出的确电压波形应是正弦波，但通过试验发现，发电机的感应电动势中还含有3次及以上的高次谐波。由于高次谐波的存在，发电机输出的电压波形将出现正弦性畸变。当空载线电压正弦性波形畸变率过大时，会导致发电机过热和绝缘性能下降等。 在一般情况下，发电机组在空载电压时的线电压正弦性波形畸变率真不应大于5%。
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图1 C275D5康明斯柴油发电机组结构侧视图 |
图2 C275D5康明斯柴油发电机组结构平面图. |
二、柴油发动机的工作原理
柴油发动机的工作是由进气、压缩、燃烧和膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油发动机称为四冲程柴油发动机，其工作过程如图3、图4所示。
1、进气冲程
如图3（a）所示，进气冲程的任务是使气缸内充满新鲜空气。
（1）当进气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。
（2）当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开。
（3）随着活塞的向下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大：造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面空气就不断地充入气缸。
（4）当活塞向下运动接近下止点时，冲进气缸的气流仍具有很高的速度，惯性很大，为了利用气流的惯性来提高充气量，进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。虽然此时活塞上行，但由于气流的惯性，气体仍能充入气缸。
2、压缩冲程
如图3（b）所示，压缩时活塞从下止点间上止点运动，这个冲程的功用如下：
（1）提高空气的温度，为燃料自行发火作准备。
（2）为气体膨胀作功创造条件。当活塞上行，进气阀关闭以后，气缸内的空气受到压缩。随着容积的不断细小，空气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度为：
Pc＝4～8MPa，Tc＝750～950K。
柴油的自燃温度约为543~563K，压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多，足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。
喷入气缸的柴油，并不是立即发火的，而且经过物理化学变化之后才发火，这段时间大约有0.001～0.005秒，称为发火延迟期。因此，要在曲柄转至上止点前10～35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸，并使曲柄在上止点后5～10°时，在燃烧室内达到最高燃烧压力，迫使活塞向下运动。
3、燃烧和膨胀冲程
如图4（c）所示，在燃烧和膨胀冲程开始时，大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量，因此气体的压力和温度便急剧升高，活塞在高温高压气体作用下向下运动，并通过连秆使曲轴转动，对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程。
随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。
工作冲程的压力变化部分表示燃料在气缸内燃烧时压力的急剧升高，最高点表示最高燃烧压力Pz，此点的压力和温度为：
Pz＝6～15MPa， Tz＝1800～2200K
最高燃烧压力与压缩终点压力之比(Pz／Pc)，称为燃烧时的压力升高比， 用λ表示。根据柴油发动机类型的不同，在最大功牢时λ值的范围如下：
λ＝Pz／Pc＝1.2～2.5。
4、排气冲程
排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去，以便充填新鲜空气，为下一个循环的进气作准备。
如图4（d）所示，当工作冲程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，并把废气排出气缸外。由于排气系统存在着阻力，所以在排气冲程开始时，气缸内的气体压力加比大气压力高0.025—0.035MPa，其温度Tb＝1000～1200K。为了减少排气时活塞运动的阻力，排气阀在下止点前就打开了。排气阀一打开，具有一定压力的气体就立即冲出缸外，缸内压力迅速下降，这样当活塞向上运动时，气缸内的废气依靠活塞上行排出去。为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净，排气阀在上止点以后才关闭。
排气冲程曲线表示在排气过程中，缸内的气体压力几乎是不变的，但比大气压力稍高一些。排气冲程终点的压力Pr约为0.105～0.115MPa，残余废气的温度Pr约为850～960K。
由于进、排气阀都是早开晚关的；所以在排气冲程之末和进气冲程之初，活塞处于上止点附近时，有一段时间进、排气阀同时开起，这段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重迭角。
排气冲程结束之后，又开始了进气冲程，于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这种柴油发动机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的，故称四冲程柴油发动机。
在四冲程柴油发动机的四个冲程中，只有第三冲程即工作冲强才产生动力对外作功，而其余三个冲程都是消耗功的准备过程。为此在单缸柴油发动机上必须安装飞轮，利用飞轮的转动惯性，使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转。
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图3 柴油机进气和压缩行程示意图 |
图4 柴油机做功和排气行程示意图 |
三、交流发电机的工作原理
柴油发电机组中常用的发电机为同步交流发电机，是以电磁感应为基础的旋转式机械。根据其结构特点可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。本文以旋转电枢式同步发电机为例，介绍柴油发电机组中发电机工作原理，如图5所示。
1、旋转磁极式和电枢式的区别
旋转磁极式发电机产生电动势的原理与旋转电枢式相同，都是电磁感应现象。而主要区别有两点：
（1）产生感应电流的方式：旋转电枢式发电机通过电枢的旋转使闭合线圈的磁通量变化，从而产生感应电流；旋转磁极式发电机则通过磁极的旋转使定子线圈切割磁力线，从而在定子线圈中产生感应电流。
（2）电力输出方式：旋转电枢式发电机通过电刷和集电环向外接电路供电；而旋转磁极式发电机则直接将电力送往外接电路，因此相对于旋转电枢式、旋转磁极式发电机可提供电高的电压，适用于大型发电机。
2、电动势的产生
当导体切割磁场的磁力线时，会在导体中产生感应电动势。其原理如图6所示。
线圈abcd代表整个电伛绕组、其两端分别固定在同一转轴上的滑环1和2上，两者同轴旋转，且相对位置和连接关系不随转子位置的变化而变化。电刷A和B通过刷架固定在发电机的端盖上、且与滑环1、2的滑动接触关系不变。
当电枢沿顺时针方向旋转，ab边处于N极下时、山边的感应电动势方向为由c至d，并设此时电动势方向为正方向;当电枢旋转180。后、ab边处于S极下，cd边处于N极下，此时ab和cd边中的电动势均改变方向，显然此时电动势为负值。
由上述过程可知，对于一对磁极的单向同步交流发电机、其转子旋转一周，在电枢绕组中产生一个周波的交流电动势。若磁通密度B按正弦规律分布，则可产生正弦交流电动势。而对于三相同步交流发电机、其各项绕组产生交流电动势的原理与单项同步交流发电机完全相同。
3、电动势的大小
根据电磁感应定律，当导体与磁场发生相对运动时、导体中的感应电动势e可由式求得:
E=BLV
式中，B——磁通密度；
L——导体在磁场中的有效长度；
V——导体垂直于磁场方向的运动速度。
而正弦交流电动势的有效值E计算：
E=Kn
式中，n——发电机转速；
K——发电机的结构常数。
同步交流发电机制成后，其结构常数K已成定值。因此，可通过改变发电机的转速n或每极磁通来调整其输出电压的高傲。但是，通常情况下要求电动势的频率f恒定，而频率f与转速n成正比，所以发电机的转速是不能随便调整的。因此，主要通过调节同步交流发电机磁通量的大小，达到调整其输出电压的目的。
4、电动势的频率
当发电机磁极对数一定时(如P=1)，其转子每旋转一周，电枢绕组可产生一个周波的交流电动势。转子旋转两周，产生两个周波的交流电动势，苦转子每秒旋转n/60周，则产生n/60周/s的交流电动势。由此可知，交流电动势的频率f与发电机转速n成正比。
当发电机的转速一定时(如n=1周/s)，磁极对数P=1，转子每旋转一周产生一个周波的交流电动势。磁极对数P=2，转子每旋转一周产生两个周波的交流电动势。若为P对磁极，转子每旋转一周产生P个周波的交流电动势。由此可知，交流电动势的频率f还与磁极对数P成正比。
综上所述，同步交流发电机电动势的频率f与其转速n 和磁极对数P成正比，因此f的计算公式为：
F=P*n/60 (周/s)
改变同步交流发电机的转速n或磁极对数P，均可改变其频率f。但是，发电机制成后，其磁极对数P是不能改变的因此，只能通过改变转速n来调整频率f。一旦频率f达到额定值后，就不能再随便改变转速n。
5、改善电动势波形的措施
根据要求，同步交流发电机输出电压应为正弦波。但是，由于发电机定子铁芯结构、磁极结构、电枢绕组结构、三相发电机电枢绕组的连接形式等因素的影响，电动势的波形会产生畸变，形成非正弦交流电动势。
非正弦交流电动势中除含有基波分量外，还含有频率不同的许多高次谐波分量。不仅严重影响发电机的性能和工况，还影响用电设备的正常工作。因此，在设计、生产同步交流发电机时，采取了诸多方法，改善电动势波形，使其成为正弦波。其具体方法有：改善磁极形状、采用斜槽定子、改善定子绕组结构和三相发电机采用星形接法。
（1）改善磁极形状：磁极的分布规律由磁极的形状决定，将磁极尖削尖或采用扭斜磁极，使磁通密度B近似按正弦规律分布，进而使电动势成为正弦波；
（2）采用斜槽定子：将定子铁芯扭斜一个槽距的位置，使其成为斜糟定子，无论转子旋转至何种位置，磁极端画所覆盖的铁芯齿面积始终保持不变，这样可消除齿谐波的影响；
（3）改善定子绕组结构：同步交流发电机通常采用短距分布式绕组结构，可消除或削弱许多高次谐波分量，使电动势接近于正弦波；
（4）三相发电机采用星形接法：三相同步发电机的三相电枢绕组采用星形接法，其线电压中将不再含有三次及三的整倍数次谐波分量·改善线电压的波形。
6、同步交流发电机励磁方式
发电机励磁功率的产生方式，称为其励磁方式。同步交流发电机的励磁方式有他励式和自励式两种。
（1）他励式：
励磁功率由本身以外的其他电源供给，这种发电机称为:他励式发电机。根据获得励磁功率形式的不同，他励式交流发电机又有采用血流励磁机励磁和采用无刷交流励磁机励磁之分。其中、采用直流励磁机励磁是靠同轴转动的并励直流发电机供给励磁功率的；采用无刷交流励磁机励磁是由同轴转动的交流励磁发电机供给励磁功率的。
（2）自励式：
励磁功率由本身供给的发电机称为自励式发电机。其励磁功率一般由以下三种方法获得：直接从同步交流发电机输出端取得，由安装在同步交流发电机的定子槽中的副绕组供给；发电机电枢绕组为带抽头式的，由抽头处引出部分电枢绕组供给。
综上所述，无论是他励式同步交流发电机，还是自励式同步交流发电机，改变励磁电流的大小，均可调整发电机的输出电压。
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图5 交流发电机工作原理矢量图 |
图6 发电机三相电动势原理图 |
总结：
虽然柴油发动机有许多种型式，其具体构造也不完全一样，但都有曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系、润滑系及冷却系。曲柄连杆机构、配气机构和燃油供给系，是柴油发动机的三大基本部分，它们互相配合，完成柴油发动机的工作循环，实现能量转换。使用过程中，三者技术状态的好坏及相互之间配合的正确与否，对柴油发动机的性能具有决定性的影响。润滑系和泠却系为柴油发动机的辅助系统，是柴油发动机长期正常工作不可缺少的重要部分。如果润滑系或冷却系工作不正常，那么柴油发动机就会发生故障，也不能正常工作。由此可见，柴油发动机在使用过程中，必须对以上各部分予以充分重视，不可忽视任何一个部分，否则，柴油发动机的正常工作将无法保证，甚至会造成柴油发动机的严重损坏。
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