柴油发电机组工作原理和基础理论.ppt

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1、第三篇 柴油发电机组工作原理和基础理论,柴油发电机组概述发动机工作原理-发动机的供油系统-发动机的润滑系统-发动机的冷却系统-发动机的电气系统发电机工作原理-发电机的分类-发电机的结构组成-发电机的励磁方式-发电机的故障检测-功率输出的影响因素,柴油发电机组概述,动力部分-柴油机（四冲程及两冲程）；输出转速n和扭矩M机电转换部分-发电机；（单相发电机和三相发电机）输出频率f、电压V电器控制部分；传感器、控制屏、蓄电池、充电器、CB、ATS、并机柜底座等（日用柴油箱）,柴油发电机组基本结构,水箱,发动机,发电机,控制屏,底座油箱,721概念,将标准型发电机组进行评估，得出如下结论；重量比例;发动

2、机70%、发电机20%、控制系统10%体积比例;发动机70%、发电机20%、控制系统10%造价比例;发动机70%、发电机20%、控制系统10%选型影响因素;发动机70%、发电机20%、控制系统10%辅助系统影响因素;发动机70%、发电机20%、控制系统10%,Simpower辛普森机組型号举例說明,SP 0088 D,高速四冲程,P-备用机组E-集装箱式T-拖车式,备用功率kw,D柴油N天然气,普通型号：,发动机的工作原理,内燃机是将燃料（液体或气体）引入气缸内燃烧，再通过燃气膨胀、推动活塞、曲柄-连杆机构，从而输出机械功的热力发动机。就目前来说，常见的（常规）动力装置有：柴油机、汽油机、燃气

3、轮机、喷气式发动机、蒸汽机、核动力装置等。广义而言，按照燃料的燃烧形式，可分为两大类，一类是内燃机，一类是外燃机。内燃机：燃料直接在机器内部燃烧的发动机，包括往复活塞式柴油机、汽油机、燃气轮机和喷气式发动机等。,柴油机基本构造（按功能分）,曲柄连杆机构（曲轴、连杆、活塞等）配气机构（凸轮轴、气门、摇臂、挺杆等）传动机构（启动马达、飞轮、正时皮带、正时齿轮等）空气供给系统燃油供给系统润滑系统冷却系统排气系统增压系统（在现代柴油机设计中，有的系统功能出现重叠。如；燃油系统兼有冷却功能和润滑功能，润滑系统兼有冷却功能和液压传动功能，排气系统兼有传动功能。）,右侧,左侧,后端,前端,飞轮盘,旋转方向,

4、在飞轮盘端看时，逆时针方向,吸震平衡轮,气缸排列,燃油滤清器,高压油泵,调速器,服务表头,转动齿,低压油泵,旁路机油滤清器,机油滤清器,风扇,水泵,机油制冷器,吸振摆轮,S6R 左视图,温控器,直流充电机,解压阀,油底壳,启动马达,空气制冷器,增压器,废气排放集管,S6R 右视图,四冲程柴油机工作原理,将柴油燃烧产生的热能转换成机械能。以恒定的转速（如1500转/分钟或1800转/分钟）驱动发电机运转，或者以变化的转速驱动其它负载（如车辆的变速箱或者船只的螺旋桨）。曲轴旋转两圈共720，活塞上下往复运动四次，通过进气、压缩、爆发（作功）、排气四个行程来完成整个工作循环，就称其为四冲程内燃机。以

5、柴油为燃料的就称为四冲程柴油机。以汽油为燃料的就叫四冲程汽油机，只不过燃料的着火方式不同。柴油机转速快，四个过程进行的就快。转速慢，四个过程进行的就慢。但是，一个也不能少。,四冲程汽油机结构原理,活塞,排气,可燃气体,燃烧室,进气门及弹簧,火花塞,排气门及弹簧,四冲程发动机的优点和缺点：,优点：*进气、压缩、膨胀（爆发）、排气各过程各自单独进行，因此工作可靠、效率高，稳定性好。低速至高速的转速范围大（5001000rpm以上）。*不存在二冲程发动机那样的窜气回流损失，燃油消耗率低。*低速运转平稳，依靠润滑系统润滑，不易过热。*进气过程、压缩过程时间长，容积效率、平均有效压力高。*热负荷比二冲程

6、发动机小。不用担心变形、烧蚀问题。排量大，可设计大功率发动机。缺点：*气门配气机构复杂，零部件多，保养困难*机械噪音大*由于曲轴旋转两圈爆发1次，所以旋转平衡不稳定,汽缸盖,发动机的供油系统,燃油系统,发动机的润滑系统（如左图所示）,润滑油系统,发动机冷却系统（内循环）,发动机冷却系统（外循环）,发动机冷却系统（水箱冷却）,发动机冷却系统（外循环冷却）,发动机的电气系统,水套加热器（Block Heater)电启动马达(Electric Starter)DC 充电器（DC Alternator）电池（Battery)调速器（Speed Governor）,水套加热器（Block Heater)

7、,低温条件下，燃料粘度增加而不利于燃油的雾化与燃烧，润滑油流动性变差使各运动零部件阻力增大，再加上蓄电池工作能力降低等因素影响，极易导致发动机启动困难，机件磨损，功率降低，燃料消耗增大和动力性能下降。为保证发动机在寒冷条件下能够安全投入使用，最好安装低温辅助启动系统。电预热法:将加热器直接插入冷却系统内，靠冷热水物理交换的作用来循环加热发动机冷却液，此法热效率高，使用也比较方便。,电启动马达（Electric Starter),发动机需要外力启动电力起动机的作用：将蓄电池的电能转化为机械能，驱动发动机飞轮旋转实现发动机的启动。电力启动，启动迅速，可重复使用，广泛应用。,DC 充电器（DC Al

8、ternator),发动机自身带有直流充电机发动机运行时，自动给电池组充电。发动机停止时，电池组的充电被自动切换到市电充电器上。市电充电器的输入电压是220V，输出是12V或24V市电充电器有2A，5A，10A，20A之分,电池（Battery),启动电池12v 根据发动机启动马达的电压要求，连接成12v或24v的输出安培小时数是体现电池能量的标值每个电池有6个2v的电池单元需维护电池免维护电池,电磁传感器（探头）,机油滤清器,飞轮盘齿圈,驱动齿轮,执行器,控制器,执行器,速度传感器,飞轮盘外周齿,同步负载分享器,油门连杆,同步交流发电机的类型,1.按功率分 小功率：10kW 中功率：10 1

9、000kW 大功率：1000kW 200mW2。按相数分：单相同步，三相同步3.按频率分：50Hz，60Hz，400Hz，800Hz4.按电压等级分：低压同步 1000V 高压同步 1000V5.按结构分：旋转磁极式（简称转磁式或转场式）旋转电枢式(简称转枢式）6.按磁极形状分：凸级试（又称显级式）-中小功率 隐级式 大功率,7.按励磁方式分：供给同步交流发电机励磁功率的方式，称为励磁方式 自励式：励磁方式又自身供给的发电机 他励式：励磁功率又独立电源供给的发电机 永磁式：用永久磁铁制作磁极的发电机,同步交流发电机的类型,发电机结构分解图,定子：同步交流发电机 固定不动的部分。定子可以是电枢，

10、也可以是磁极。电枢通常由电枢铁芯（或定子铁芯）和电枢绕组等组成。,转子:发电机的旋转部分称为转子。转子可以是发电机的磁极，也可以是 发电机的电枢。,电枢铁芯：电枢铁芯用导磁良好且彼此绝缘的薄硅钢片碟压而成，即构成发电机的部分磁路，又可减少铁芯的涡流损耗。,电枢绕组：电枢绕组由高强度漆包线绕制而成，按照设计规律安放在电枢槽内并正确连接起来，构成完整的单相或三相电枢绕组，用以产生交流电动势，向负载输出电能。,同步发电机结构模型,同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。图中给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心

11、的内圆均匀分布 着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。,同步发电机(3000rpm)原理,三相同步发电机(1500rpm)工作原理,三相发电机基本原理,三相发电机基本原理,同步电机原理,主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁

12、场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。感应电势 有效值：每相感应电势的有效值为Eo=4.44fn kw 感应电势 频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p，即;f=pn/60 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性

13、，保证了感应电势的三相对称性。,同步转速,同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz，故有：n=120f/p=6000/p(n=转速，f=频率，p=极数）要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。,运行方式,同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为

14、发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。,自励励磁 SHUNT,定子绕组STATOR WINDING,旋转整流器ROTATINGRECTIFIERS,励磁机磁场EXCITER FIELD,转子绕组ROTORWINDING,励磁机电枢EXCI

15、TERARMATURE,自动电压调节器AUTOMATICVOLTAGE REGULATOR,A.C.D.C.,自励+永磁机 SHUNT+PMG,定子绕组STATOR WINDING,旋转整流器ROTATINGRECTIFIERS,励磁机磁场EXCITER FIELD,转子绕组ROTORWINDING,励磁机电枢EXCITERARMATURE,自动电压调节器AUTOMATICVOLTAGE REGULATOR,A.C.D.C.,永磁机PERMANENTMAGNETGENERATOR,无刷励磁系统,旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发

16、电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，如图所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。,无刷发电机=励磁机+主发电机,无刷交流发电机实际上是两台发电机构成的，一台作为励磁机，一台才是主发电机。主发电机的励磁绕组在转子，电枢绕组在定子（将发出的电输出）；励磁机的电枢绕组在转子，励磁绕组在定子。无

17、刷交流发电机的工作原理是对励磁机在定子上的励磁绕组提供励磁，其转子电枢绕组将发出交流电，经过整流后在转子向主发电机在转子的励磁绕组供电，从而使主发电机在定子的电枢绕组感应出所需的交流电来。这就是一般交流发电机的“无刷”工作原理。,同步电机额定值,同步电机的额定值有：额定容量(VA,kVA,MVA等)或额定功率(W,kW,MW等)：指电机输出功率的保证值。发电机通过额定容量值可以确定电枢电流，通过额定功率可以确定配套原动机的容量。电动机的额定容量一般用kW数表示，补偿机则用kVAR表示。额定电压(V,kV等)：指额定运行时定子输出端的线电压。额定电流(A)：指额定运行时定子的线电流。额定功率因数

18、：额定运行时电机的功率因数。额定频率：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。额定转速：额定运行时电机的转速，即同步转速。除上述额定值外，同步电机名牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负载时的温升、励磁容量 和励磁电压 等。,发电机三大品牌,励磁系统 EXCITATION SYSTEMS,自励+永磁机 SHUNT+PMG,自励励磁 SHUNT,优点ADVANTAGES,缺点DISADVANTAGES,瞬间过载能力高 High starting capacity,短路能力 Short-circuit capability,短路时自我保护Self protected

19、against short circuit,额外增加长度 Extra length,增加零件数量High number of components,瞬间过载能力较低Lower startingcapacity,有限的短路电流能力No short-circuitcapacity,固有建压能力 Intrinsec Build-up,不会额外增加长度No extra length,增加成本 Added cost,短路电流能力 SHORT CIRCUIT CAPABILITY,3 IN,定子电流STATOR CURRENT,励磁电流EXCITATIONI exc,.励磁跌落 The alternato

20、r excitation drops.输出切断 Power out.,自励 Shunt,AREP与永磁 AREP or PMG,励磁电流EXCITATIONI exc,The alternator supports the short circuit during 10 seconds The fault is rectified or the circuit breaker trips.,10s maxi,应用 APPLICATIONS-船舶 MARINE-工业建筑 CONSTRUCTION INDUSTRY,发电机维持短路状态10s 故障被排除或断路器开路,自励与永磁励磁 SHUNT or

21、 PMG,PMG ADVANTAGES COMPARED WITH SHUNT-THE SHORT CIRCUIT CAPABILITY THAT ENABLES A SELECTIVE PROTECTION IN CASE OF OVERLOAD OR SHORT CIRCUIT ON AN INSTALLATIONWHEN TO CHOOSE SHUNT?-SINGLE CIRCUIT INSTALLATION-POWER CUT ACCEPTABLE-SELF PROTECTION OF THE ALTERNATOR.WHEN TO CHOOSE PMG?-WHOLE INSTALLAT

22、ION WITH SEVERAL CIRCUITS-POWER CUT FORBIDDEN-HIGH RATE OF DISTORTING LOADS.-STARTING OF A BIG MOTOR MARINE,HOSPITALS,STAND-BY DUTY,STANDARDS IN SOME COUNTRIES.-PMG:EXISTING SHUNT MACHINE TO BE UPGRADED,PMG 与SHUNT相比的优势-发生过载或短路时，可给予进行选择性保护的短路能力何时选择自励励磁SHUNT?-单路负载在使用-允许电源暂时停电情形出现-发电机要自我保护何时选用永磁励磁PMG?-

23、多路负载同时安装使用-禁止断电时-畸变负载使用比率较高时-要起动较大的电动机-在海上、医院、备用状态等对电源有严格要求的地方-PMG：在已有自励电机的基础上的升级安装。,机械故障,故障检测,电气故障：,故障检测,发电机组的定额 GENERATOR SETS RATINGS,COP:CONTINUOUS POWERContinuous operation at nominal constant loadunlimited number of hours/yearCogeneration/Marine.Alternator power S1/40C-class H or FPRP:PRIME PO

24、WERContinuous operation at variable load(average load at 70%of the nominal load)Unlimited number of hours/year.Industry.Public works.Alternator rating S1 40C-Class H.Load capability.LTP:LIMITED TIME POWER-STAND BYMaximum rating allowed during 500 hr/year(with a maximum of 300 hours in continuous run

25、ning)Alternator rating stand-by rating at 27C.,BR,PR,COP:持续功率在正常恒定负载下持续运行，每年运行时间无限制。发电机功率 S1/40C H级或F级PRP:主用功率在不固定的负载下持续运行(平均在正常负载的70%)每年运行时间无限制。发电机定额为 S1 40C H级。LTP:限时功率 备用在最大定额下每年允许运行500小时(连续运行时最多300小时)发电机定额为 27C备用功率。,发电机的分级 ALTERNATOR RATINGS,CONTINUOUS RATING S1/40C-IEC 34.1 DEFINITIONRUNNING AT

26、 CONSTANT LOAD LIMITED TO THE INSULATION CLASS PERMISSIBLE OVERLOAD 1 H EVERY 12 HOURS.STAND BY RATING 40C-RUNNING AT CONSTANT LOAD WITHOUT OVER LOAD FOR A LIMITED DURATION OF MAXIMUM 500H/YEAR WITH A PERMISSIBLE INCREASE OF THE TEMPERATURE RISE ABOVE CLASS H.STAND BY RATING 27C-SAME CONDITIONS THAN

27、 STAND BY DUTY 40C BUT WITH ACCEPTANCE OF A LOWER AMBIENT TEMPERATURE(27C)THAT ALLOWS TO INCREASE.THE RATING AND THE TEMPERATURE RISE FOR THE SAME LEVEL OF TEMPERATURE IN THE GENERATOR.EX:S1/40C=100 KW-STD BY/40C=105 KW-STD BY/27C=110 KW,持续功率 S1/40C-IEC 34.1定义：在恒定极限负载下运行，绕组绝缘允许每12小时过载1小时。40C 备用功率-在不

28、过载的恒定负载下运行，每年最多运行500小时，绕组温升允许超过H级温升。27C 备用功率-与40C 备用功率相同的情况下运行，但要求有更低的环境间温度(27C)，这样当增加发电机功率时，绕组温升达到同样的水平。例如：S1/40C=100 KW-STD BY/40C=105 KW-STD BY/27C=110 KW,绝缘等级与温升 INSULATION CLASS AND TEMPERATURE RISE,绝缘等级与温升 INSULATION CLASS AND TEMPERATURE RISE,C,绝缘等级INSULATION CLASS,CLASS B,CLASS F,CLASS H,温升T

29、EMPERATURE RISE,最大允许温升MAXIMUM ACCEPTABLE TEMPERATURE,P 5000 kVA,P 5000 kVA,环境温度ambiant T C,The winding life is defined by IEC 216 standard.A thermal reserve ensures a long life for the machine-Temperature rise class H for an insulation class H=winding life of 20000 H-Temperature rise class F for an

30、insulation class H=winding life x 2-Temperature rise class B for an insulation class H=winding life x 6-Stand by use(temperature rise class H+15)=winding life/3,F级温升的机器Derated machinetemperature rise class FP 5000 kVA,在低功率定额点绕组温度Winding temperatureat lower rating,绕组寿命按IEC216标准定义一定的温度储备能保证机器长寿命H级绝缘用H

31、级温升=绕组寿命20000HH级绝缘用F级温升=绕组寿命 x 2H级绝缘用B级温升=绕组寿命 x 6备用使用(H级温升+15)=绕组寿命/3,CLASS A,环境温度和海拔高度的影响AMBIENT TEMPERATURE AND ALTITUDE INFLUENCE,环境温度 AMBIENT TEMPERATURE,海拔ALTITUDE25C40C45C50C55C60C 0 to 1000m1.04510.970.940.910.881000 to 1500m1.010.970.940.910.880.851500 to 2000m0.980.940.910.880.860.832000 t

32、o 2500m0.950.910.880.860.830.802500 to 3000m0.910.870.840.820.790.77,功率因数的影响POWER FACTOR INFLUENCE,样本定额-单相=1-三相 P.F.=0,8对于 P.F.0.8 功率的减额系数 K,P.F.10.90.80.70.6K1110.920.85,滞后 Lagging,CATALOGUE RATINGS-SINGLE PHASE P.F.=1-THREE PHASE P.F.=0,8DERATING FACTOR K FOR P.F.0,8,发电机的转速 ALTERNATOR SPEED,4P50 H

33、z 150060 Hz 1800,转速 R.P.M.,旋转方向 DIRECTION OF ROTATION标准：从驱动端看为顺时针转。STANDARD:CLOCKWISE LOOKING FROM THE DRIVE END,过载 OVERLOAD,过载 OVERLOAD,更高的温升 HIGHER TEMPERATURE RISE,发电机允许过载（对发电机没有危险）PERMISSIBLE OVERLOADS(NOT DANGEROUS FOR THE ALTERNATOR),为期 DURATION 1H3015 5 2 30”10”3”过载 OVERLOAD 10%11%14%25%50%10

34、0%200%S.C.3 PH,在过载运行前，必须至少在正常负载运行1小时或空载10分钟Operation at overload must be followed by operationat the nominal rating during at least 1 hour or 10 minutes without load,对于PMG励磁持续10sFor a PMG Excitation(LS:10s),AVR,AVR是一种半波相近控制闸流管型的自动电压调节器,是交流发电机励磁系统的一部分.除调节发电机的电压外,AVR还具有低速和无检测信号保护的功能以保证对发电机安全可靠的控制.励磁电源直接由发电机输出端导出.AVR电源电路使用的高效半导体保证了由剩磁获得的起励电压.AVR与主定子绕组和励磁绕组连接.对输出电压提供精度为1的闭环控制.在从主定子获得电源外,AVR还从输出绕组取样电压以实现对输出的控制.AVR根据获得的采样数据控制输出到励磁系统的电流,主机通过对电机负载速度,和功率因数的补偿将输出电压控制在一定的范围内.,