康明斯动力（深圳）有限公司

 

使用说明书

柴油发电机的工作原理

 

摘要：柴油发电机组是利用柴油发动机将柴油燃烧所产生的热能转化为旋转运动的机械能；发电机将旋转的机械能转化为电能。主要由柴油发动机、发电机、控制系统组成。柴油发电机是一种高效、高功率、耐久性好、适应性强但污染严重、噪音大等缺点的电力设备，但在某些领域，如备用电源和应急电源方面，柴油发电机仍然具有不可替代的作用。

 

一、柴油发电机组结构组成

 

        柴发整套机组一般由柴油机、发电机、控制箱、燃油箱、起动和控制用蓄电瓶、保护装置、应急柜等部件组成，结构如图1所示。

1、连接方式

（1）柔性连接

      用联轴器将两部分连接，柔性连接精度要求比较低，能量传递效率稍低。

（2）钢性连接

      用高强度螺栓将发电机钢性连接片与发动机飞轮盘连接，接好之后放在公共底架上，之后再配上各种起保护作用的传感器（机油探头，水温探头，油压探头等），由控制系统来显示各种传感器的工作状态。 控制系统通过电缆与发电机和传感器连接以显示数据。

2、 柴油机

        柴油机主要由气缸、活塞、曲轴、连杆、进气道、排气道、喷油器等组成。其中，气缸是柴油机最重要的部件之一，它是一个圆筒形的容器，内部有一个活塞和一个燃烧室。曲轴则是将活塞的往复运动转化为旋转运动的关键部件。

        在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油 充分混合，在活塞上行的挤压下，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，推动活塞下行，称为‘作功’，示功图如图2所示。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。

 

图1  柴油发电机组结构图

发动机展开示功图（P-φ图）

 

3、发电机

        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。

        将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。

4、康明斯发电机组特点

      康明斯电力发电机组是采用全集成的电力系统。性能优越，可靠性强，提供多种稳定的备用和优质的电力，并可应用于连续载荷的工作条件。其外观电球端后视图和水箱端前视图如图3、图4所示。

（1）康明斯重载发动机 - 四冲程工业发动机提供可靠的动力、超低的排放和快速的负荷响应。

（2）永磁发电机(PMG)- 提供超凡的电动机起动性能和短路故障承受能力。

（3）发电机 – 多种发电机型号提供可选择，采用2/3节距低电抗绕组和F级或H级绝缘，改善电动机的起动性能，具有在非线性负载下电压波形畸变小，短路故障清能力强等优点。

（4）控制系统 - 标准配置PowerCommand^TM电子控制系统提供的集成控制包括：远程自动启动/停机，精确的频率和电压调节，报警和状态信息显示，AmpSentry保护，输出仪表显示和自动故障停机功能。

 

图3  C90D5康明斯发电机组后视图（电球端）

图4  C90D5康明斯发电机组前视图（水箱端）

  

二、柴油机生成机理

 

      传统柴油机的基本结构包括曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、起动系统，俗称三大机构四大系统。这些系统和机构的良好配合，是柴油机能够产生动力并对外输出动力的关键。结构图如图5、图6所示。

1、柴油机能量的产生

      气缸内的柴油燃烧（油+气）产生动能，带动与活塞相连的曲柄连杆机构绕曲轴作往复圆周运动，输出动力。

2、能量转换方式

      柴油的化学能转化成热能，热能转化为机械能。

3、工作过程

      进气冲程（油气混合）、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，每一时刻四个冲程往复循环。

4、曲轴旋转角度

      四冲程柴油机在一个工作循环中带动曲轴旋转两次（180*4=720），理论上它的功率是二冲程（目前已淘汰）柴油机的两倍。

5、点火方式

      柴油机使用柴油作为燃料，与汽油相比，柴油自然温度低，粘度高，不易蒸发。因此柴油机在压缩终点采用压燃式点火，不需要专门的火花塞。

6、增压过程

      压缩空气是为了提高空气中的氧气密度，当氧气密度增大时，油可充分的燃烧，提升发动机动力。涡轮增压的原理是在发动机转速上升至一定转速时，排出的废气带动涡轮旋转，涡轮带动压缩机工作，将经过压缩机的高温高压气体经过冷却变为低温高压气体输入至气缸中，实现涡轮增压的过程。涡轮增压实际上是增大扭矩/功率。

7、柴油机的特点

      四大系统中，曲柄连杆机构、配气机构和燃油供给系统，是柴油机的三个最基本的部分，它们互相配合，完成柴油机的工作循环，实现能量转换。 在使用过程中，三者技术状态的好坏及相互之间配合的正确与否，对柴油机的性能具有决定性的影响。

 

图5  柴油发电机的后视图 1-柴油发电机吊耳 2-曲轴箱通风装置 3-涡轮增压器 4-喷油器回油管接头 5-飞轮壳 6-飞轮 7-油底壳放油螺塞 8-OEM供油管接头 9-0EM燃油回油管接头 10-进油管接头

图6  柴油发电机的顶视图 1-冷却液进口接头 2-涡轮增压器进气口 3-涡轮增压器出气口 4-涡轮增压器排气口5-涡轮增压器执行器空气管 6-曲轴箱通风装置 7-飞轮壳 8-曲轴箱通风装置机油回油管 9-曲轴箱通风导流管 10-涡轮增压器控制阀11-燃油滤清器支架 12-进气管接头 13-高压燃油泵 14-机油加注口 15-冷却液出口接头

 

三、交流发电机生成机理

 

      以旋转电枢式同步发电机为例介绍柴油机组中发电机的工作原理。交流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。

1、基本原理

      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，如图7所示。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

（1）当导体切割磁场的磁力线时，会在导体中产生感应电动势。发电机电动势随时间变动规律曲线如图8所示。

（2）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。

（3）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

（1）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。

（2）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。

 

图7  交流发电机工作原理图

图8  发电机电动势随时间变动规律曲线图

 

总结：

      康明斯发电机组可用于高排气量和环境敏感性的工厂综合场所，具有强大的传统结构、耐久性和可靠性，是远程或临时用地的驱动力。发电机的低电抗设计使得非线性负载下的波形畸变很小，具有良好的起动性能，符合ISO8528、iso3046、bs5514和GB/t2820-97标准。在20千瓦至2.7兆瓦的范围内，康明斯柴油发电机组可以满足您苛刻的需求。

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