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新闻主题	柴油机与发电机的工况特性曲线

 

摘要：对发电机组而言，柴油机作为发电机组心脏，其输出特性直接影响发电机组的运行特性，而发电机的特性会影响其输出电压和电流的稳定性。因此了解和掌握柴油机的性能，对有效利用动力源，以及提高整机性能具有重要的意义。因柴油机的输出特性主要通过其动力性指标、经济性指标及排放性能指标等随发动机使用工况的变化特性来描述。所以，研究柴油机特性的主要目的在于正确评价柴油机和发电机的特性，为发电机组正确选用动力源和电气系统提供依据。同时，通过对柴油机和发电机特性的评价与分析，为进一步改进柴油机的性能使之与整机性能良好匹配提供有效途径。

 

一、柴油机特性

 

      对于柴油机特性，主要通过柴油机各项性能指标随工况的变化特性来研究，包括柴油机的负荷特性、速度特性及万有特性等。所以，要研究柴油机特性，首先需要了解或具备以下几个概念，即柴油机的工况、柴油机的试验台架、柴油机的试验方法及柴油机特性的分析方法等。

 1、柴油机工况

      柴油机的工况，是指柴油机运行的状态，常用柴油机转速n和负荷表示。其中转速表示柴油机的工作频率，而负荷则表示柴油机对外做功的能力，主要用输出转矩T_tq或平均有效压力P_me。表示，其中T_tq∝P_me。柴油机输出的有效功率为

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

      根据柴油机的工作原理和结构特点，其工况是限定在最低稳定转速n_min、最高转速n_max及在各工作转速下所能输出的最大功率（外特性功率曲线）所包围的范围内。最低稳定转速又称为怠速转速，此时向气缸供给的混合气量最少，只供克服柴油机内部摩擦损失和驱动附件等用所必要的燃料，而对外输出功等于零。所以，若柴油机转速低于此转速时，由于飞轮等运动件的储存能量小，导致柴油机转速波动过大，不能正常稳定运行。而柴油机的最高转速主要受到来自充气效率、机械损失和曲柄连杆机构惯性力的影响。高转速时由于流动损失增加，充气效率迅速下降，同时活塞组的往复惯性力和曲轴的旋转惯性力增加，摩擦损失增加，直接危及柴油机的工作可靠性。因此，每一台柴油机都限定其允许的最高使用转速，即额定转速nn。所以，柴油机的实际工作范围就限定在最低转速和额定转速范围内的小于或等于外特性功率曲线的区域内。根据不同工作机械上柴油机的使用条件不同，将柴油机的工况分为三大类。

（1）恒速工况

      恒速工况是指柴油机的转速保持不变，而功率随负载而变化的工况（图1中曲线1）。例如发电用柴油机的工况，为了保证发电机工作频率稳定，要求柴油机转速稳定不变，而功率随发电机负荷（用电量）的大小而变化。恒速工况的特例是柴油机运转过程中转速和负荷均保持不变，这种工况称为点工况（图公式1中的A点）。如柴油机带动排灌用水泵工作时，除起动和过渡工况以外，一般都按点工况运行。

（2）线工况

      线工况主要指柴油机输出功率与转速成一定函数关系的工况（图1中曲线2）。比较典型的就是船用柴油机的螺旋桨工况。此时柴油机的输出功率主要克服来自流体的阻力，即船舶稳定运行时，柴油机输出的功率必须与螺旋桨消耗的功率相等。在螺旋桨节距一定的条件下，柴油机功率与转速的三次方成正比，即Pe＝Kn3。

（3）面工况

      前两种工况的共同特点是，柴油机输出功率和转速有一定的约束关系。而面工况（图1中阴影区域）的特点是柴油机输出功率和转速之间没有特定的约束关系。在柴油机整个工作区域内，功率P。和转速n都相对独立变化，因此柴油机可能运行的范围就是其实际工况变化的范围，称之为面工况。如发电用柴油机的工况，或其他陆地运输和作业的工作机械用柴油机的工况，就属于这种工况。在陆地运行时，柴油机的转速取决于发电机组等陆地作业的工作机械的运行速度，而柴油机的输出功率则取决于发电机组的运行阻力。发电机组运行阻力不仅与其运行速度有关，而且还取决于道路情况，或拖拉机耕地时的土壤条件、推土时的推土载荷量等。

2、柴油机输出功率

      柴油机的输出功率，是表征柴油机工况特征的重要综合指标。但是由式（公式1）可知，输出功率相同，不等于工况相同。由于工况不同，柴油机工作状态，即燃烧放热过程不同。因此，在相同功率下，柴油机的经济性和排放特性不一样。所以，正确认识柴油机的工况，或在发电机组运行过程中柴油机输出功率相同的条件下，如何正确选择其工况，对改善整机性能具有重要意义。

      柴油机功率、转速和扭矩之间的计算公式如下：

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——柴油机的输出功率，kw；

Ｍe——柴油机的输出扭矩，N.m；

ω——曲轴角速度，弧度／秒，ω＝2πｎ／60（弧度/秒）；

π＝3.1416(圆周率)；　   

ｎ——柴油机转速，转／分。

图1  柴油发动机工况分类

图2  柴油机总输出均扭矩变化曲线

 

 

二、发电机特性

 

      发电机的工作特性指的是交流发电机的电压、电流和转速之间的关系。它包括输出特性、空载特性和外部特性。

1、输出特性

       当发电机转子以同步速度旋转时，输出电压和频率与电网相同。这意味着同步发电机必须在电网频率内运行，并且在负载变化时必须按需调节输出电压和频率。输出特性也就是指交流发电机输出电流与频率（转速）之间的关系，即U=常数时，I=f(n)的函数关系，如图3所示。

2、空载特性

      发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流感生出的空载电动势（三相对称），其大小随的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势与励磁电流关系的曲线称为同步发电机的空载特性。

3、外特性

      外特性研究的是当发电机转速一定时，其端电压与输出电流的关系，即n=常数时，U=f(I)的曲线。如图4所示从外特性曲线可以看出发电机电压受负载影响的程度：如果发电机在高速运转时，突然失去负载，发电机电压会突然升高，致使发电机及调节器等内部电子元件有被击穿的危险。

（1）电压外特性

      同步发电机的电压外特性是指同步发电机输出电压随负载电流变化而发生的变化规律。通常情况下，当负载电流增大时，同步发电机的输出电压也会随之增大，但当电流超出一定范围时，输出电压反而会下降。

（2）电流外特性

      同步发电机的电流外特性是指同步发电机输出电流随负载电流变化而发生的变化规律。通常情况下，同步发电机的输出电流随着负载电流的增加而增加，但当电流超出一定范围时，输出电流反而会下降。

（3）功率外特性

      同步发电机的功率外特性是指同步发电机输出功率随负载电流变化而发生的变化规律。当负载电流增加时，同步发电机的输出功率也会随之增加，但当电流超出一定范围时，输出功率反而会下降。

（4）功率因数外特性

      同步发电机的功率因数外特性是指同步发电机的功率因数随负载电流变化而发生的变化规律。当负载电流增加时，同步发电机的功率因数会逐渐降低，但当电流超出一定范围时，功率因数反而会上升。

      总之，同步发电机的运行特性对电力系统的稳定运行和电能质量有着重要的影响。因此，在选用和使用同步发电机时，需要充分考虑其运行特性，以确保其安全、可靠地运行。

 

图3  交流同步发电机输出特性曲线图

图4  交流同步发电机外特性曲线图

 

 

总结：

      本文章主要讨论发电用柴油机的特性。由于发电机组使用条件比较复杂，柴油机运行工况不断发生变化。所以对发电用柴油机的性能评价，只考虑额定工况点的性能指标是不够的，还需要研究不同工况下柴油机性能指标的变化特性。柴油机的性能指标有动力性指标（Pe、T1g、Pme）、经济性指标（燃油消耗率b。等）及排放性指标（如NO，、CO、HC、PM等排放量），这些指标随柴油机工况的变化规律称为柴油机的使用特性，而这些性能指标随工况的变化曲线称为特性曲线。绘制柴油机的特性曲线，可以直观地评价与分析柴油机的性能及其影响因素，是柴油机性能分析的重要手段。

 

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