柴油发电机课件

同步电机一、同步电机的根本结构旋转电枢式

旋转磁极式

隐极式〔Salient-pole〕凸极式〔Cylindrical-Rotor〕旋转磁极式同步电机的类型NS+隐极式返回NSNS+凸极式返回带副励磁机的励磁系统GG副励磁机主励磁机同步发电机返回静止整流器励磁系统交流副励磁机交流主励磁机不可控整流起器电压调整器主发电机电压互感器电流互感器可控整流起器自励恒压器返回柴油发电机常用的柴油发电机组(简称机组)是以柴油机为动力，拖开工频交流同步发电机组成的发电设备。它具有结构紧凑、占地面积小、热效率高、启动迅速、燃料存储方便等特点，因此在国民经济的各个领域得到广泛应用。在民用建筑中一般用做备用电源或应急电源。目前国内外生产的机组单机容量从几千瓦至几千千瓦，有近百个品种，可以供各类工程选用。柴油发电机组的根本知识我国使用的柴油发电机组的供电参数为输电电压230／400V，频率50Hz，功率因数cosφ=0.8，机组转速一般为1500r／min或1000r／min。随着科学技术的进步，目前新型机组的转速一般都为1500r／min，并具有较完善的自动控制和保护功能。作为工程应急电源的机组，应具有自动控制功能。当工程正常工作电源突然故障停电时，可以在几秒钟内实现应急自启动，并向工程的应急负荷供电，保证工程的消防报警系统、消防设备、事故照明、疏散照明、电梯、楼宇智能控制和管理系统等应急设备的正常工作。柴油发电机组主要由柴油机、发电机和控制屏三大局部组成。这些设备可以组装在一个公共底盘上形成移动式柴油发电机组；也可以把柴油机和发电机组装在一个公共底盘上，而控制屏和某些附属设备单独设置，形成固定式柴油发电机组。发电机是把机械能转换成电能的机械设备。民用建筑用的柴油发电机组为工频同步交流发电机，其转子是一个绕有励磁绕组的电磁铁，定子铁芯的槽内均匀放置了三组线圈。转子上励磁绕组通入直流电产生磁场，由原动机(如柴油机)拖动旋转，形成旋转磁场，与定子上的线圈间有相对运动，在定子线圈内感生三相交流电动势，接入负荷后即可输出电能。发电机的工作原理及励磁方式由发电机的上述工作过程可以看出，发电机有定子、转子、供给转子直流电的励磁系统和调整输出电压的自动调压系统。发电机输出三相交流电的频率取决于转子的磁极对数和原动机的转速，其关系式如下：n=60f/p我国交流电源的频率为50Hz，因此原动机的同步转速为：转子的磁极对数p=1时，同步转速应为3000r／min；p=2时，同步转速为1500r／min；以此类推。柴油机是往复式机械，其转速不可能很高。因此，目前柴油发电机的最高转速为1500r／min。1.发电机的励磁系统发电机的励磁系统是供给发电机转子直流电的设备，有他激式和自激式两种根本形式。2.发电机的自动电压调整系统发电机工作时，其输出电压将随着所带负荷的变化而发生变化，为使发电机的输出电压保持稳定，发电机设有电压调整系统。调整发电机输出电压的方法是根据输出电压与额定电压的偏差来增大或减小发电机转子励磁绕组的输入直流电压，从而增大或减小励磁绕组内流过的电流以改变转子的磁场强度，到达调整发电机输出电压的目的。目前常用的发电机电压调整系统有以下几种：磁放大器式励磁调节器、相复励调节器、可控硅励磁调节器、三次谐波励磁系统和无刷励磁系统。各种励磁调节装置的优缺点如下：〔1〕带直流励磁机的同步发电机在中小容量机组中，由于直流发电机故障率高，工作可靠性差，已逐步被淘汰，而采用无刷励磁和自激恒压方式。〔2〕可控硅调压装置具有工作稳定性好、动态技术指标高、体积小、质量轻等优点，但其电压波形畸变严重，可控硅通断脉冲对无线电信号有干扰，强励能力受可控硅元件容量限制，可靠性在很大程度上取决于可控硅元件的质量。因此，可控硅自激恒压发电机的使用受到一定的限制。〔3〕三次谐波励磁装置具有强励速度快、动态特性好、直接启动鼠笼式电动机能力强、结构简单、体积小、质量轻等优点，但其静态调压率差，受材料和加工工艺的影响大，不宜并列运行。〔4〕相复励调压系统应用较早，技术比较成熟，是目前使用较多的励磁调压方式。不可控相复励装置可靠性高、过载能力强，虽然静态技术指标稍差，但可满足大局部用户的要求；对静态指标要求高的用户，可选用可控相复励调压系统。其主要缺点是体积较大，比较笨重。〔5〕无刷励磁发电机的主要优点是：运行可靠，维修简单，输出电压波形正弦畸变率小，无电磁干扰，不需要起励电源，有抑制短路电流的能力。其缺点是：轴向尺寸较大，灭磁速度较慢，旋转整流器性能要求高。随着科学技术的开展，上述缺点已逐步被克服，无刷励磁发电机是目前国内外主要开展的机型。3.发电机的分类

(1)

按励磁方式分，有带励磁机的他激式发电机、自激恒压发电机和无刷励磁发电机。

(2)

按磁极结构形式分，有凸极式发电机和隐极式发电机。

(3)

按通风方式分，有开启式、防护式和封闭式。

(4)

按电机主轴的方向分，有立式和卧式。

(5)

按原动机种类分，有汽轮发电机、水轮发电机、燃气发电机和柴油发电机。应用广泛的柴油发电机一般为卧式、防护式、凸极发电机。1.负载特性国家标准规定，柴油机的标定功率〔也是柴油机铭牌上标注的功率〕是在标准大气状况下连续运行12h的最大功率，持续长期运行的功率是标定功率的90％。超过标定功率10％时可超载运行1h(包括在12h以内)。国家标准GB1105.1～3—87规定的标准大气状况为：大气压力100kPa、环境温度25℃、相对湿度30％。10.3.1.2柴油发电机组的主要特性柴油机是吸入外部空气运行的机械，在非标准大气状况下运行时，大气中的氧气含量不同，其输出功率要根据GB1105.1—87的规定进行修正。影响大气状况的主要因素是柴油机工作地点的海拔高度，如海拔为2000m、环境温度为30℃、相对湿度为60％时修正系数为0.71，即此时柴油机的输出功率为标定功率的71％。2.柴油机的耗油率

柴油机的耗油率是指柴油机输出每千瓦功率，每小时消耗的燃油量。这是柴油机重要的经济指标。耗油率低也说明这台柴油机的加工精度高、材质优、性能好。3.柴油机的调速特性柴油机都设有调速器，保证其在各种运行工况下转速根本恒定，从而保证机组输出电源的频率根本恒定。柴油机调速特性的优劣直接影响机组输出电源的质量。柴油机的调速特性取决于柴油机所用调速器的性能。机械式调速器的性能稍差；液压式调速器性能较好，但结构复杂；电子调速器的性能也比较好，但目前可靠性稍差。(1)柴油机的静态调速特性柴油机的静态调速特性是指柴油机所带负载由空载逐渐增加至满载时柴油机转速的变化。一般控制在额定转速的5％以下，调节过程不得出现振荡。(2)柴油机的动态调速特性柴油机的动态调速特性是指柴油机所带负载由空载突加至满载或由满载突减至空载时柴油机转速的变化特性。动态调速特性的重要参数有：瞬时调速率——机组转速的最大变化值与机组额定转速之比；稳定时间——机组转速自过渡过程开始至重新稳定在允许偏差范围内所经历的时间。机组瞬时最高转速不得引起机组的超速保护动作，稳定时间一般为5～7s。4.发电机的调压特性发电机的调压特性是发电机的自动电压调节装置在各种工况下调节发电机输出电压的性能。发电机的输出电压应保持根本恒定。发电机各种励磁调压方式的调压特性有所不同。

(1)发电机的静态调压特性发电机的静态调压特性是发电机的负载由空载逐渐增加至满载时其输出电压的变化(一般为额定电压的±3％)，以及发电机在满载时由冷态至热态其输出电压的变化(一般不大于额定电压的2％)。(2)发电机的动态调压特性发电机的动态调压特性是发电机的负载由空载突加至满载或由满载突减至空载时发电机输出电压的最大波动值和稳定时间，以及发电机直接启动一定容量的鼠笼电动机时其输出电压的最大波动值和稳定时间。最大波动的高值不得引起过电压保护动作，低值不得引起电磁操作设备跳闸和低电压保护动作。稳定时间一般为1～3s。1.发电机控制屏发电机控制屏是柴油发电机组成套供给的设备，可以设置在机组的公共底盘上，也可以独立设置。屏上的主要设备有以下几局部：(1)发电机主开关发电机主开关通常为断路器，普通型机组为手动操作，自动化机组为电动操作。该断路器是发电机向负荷供电的主要设备，通常具有短路保护、过载保护、欠电压保护、过电压保护功能。有并联运行要求的机组还设有逆功率保护。10.3.1.3柴油发电机组的控制方式

(2)供电开关有的发电机控制屏还设1～2个供电开关作为向用电负荷供电的控制开关。供电开关通常为手动断路器，并带有过载保护、短路保护和欠电压保护。供电开关也可以不设。(3)发电机主要运行参数监测仪表发电机主要运行参数监测仪表一般有交流电压表、交流电流表、直流励磁电流表、直流励磁电压表、功率表、功率因数表、频率表、电度表、运行时间累计表等，以及与仪表配套的电流互感器、电压互感器和测量转换开关。具体机组配有哪些仪表与机组容量有关，容量大的机组配的仪表比较全，容量小的机组配的仪表可能少一些。有并联运行要求的机组还设有同步指示仪表或指示灯，主断路器操作按钮及通断指示灯。

(4)发电机的励磁系统调节装置装设在发电机控制屏上的励磁系统调节装置包括自动电压调节器、自动/手动转换开关和并联运行无功功率调节装置。2.柴油机控制屏柴油机的控制屏一般设在机组上或独立设置。其根本设备主要有：〔1〕电启动柴油机的启动按钮。〔2〕柴油机主要运行参数监测仪表，一般用来监测柴油机转速、冷却水出水温度、润滑油压力、润滑油出口温度、电启动柴油机的启动蓄电池电压(气启动柴油机的启动空气压力)、排气出口温度等。〔3〕自动化柴油发电机组的柴油机需要控制的内容较多，其控制屏通常和发电机控制屏设在一起或设在同一块屏上，主要设备除上述根本设备外，还有柴油机遥控调速开关、自动/手动转换开关、柴油机平安保护和故障报警设备(如柴油机冷却水出口温度过高、润滑油温度过高、润滑油压力过低、机组超速等故障报警或紧急停机)。柴油机的自动控制系统也设在柴油机控制屏内。3.机组的附属设备柴油发电机组的附属设备通常有储油罐、日用油箱、排气消声器、电启动机组的启动蓄电池、电启动机组的空气压缩机和储气瓶、电动油泵，有些机组还有其他设备。1.工程中需应急供电的负荷容量目前标准中把工程中需要供电的负荷按出现故障中断供电时对工程的影响分为一、二、三级负荷。工程中需要应急供电的负荷是影响程度最大的一级负荷和局部二级负荷，如工程的消防报警系统、消防设备、事故照明、疏散照明、电梯、通信系统、楼宇智能控制和管理系统等。工程的应急电源在市电源故障停电时应保证这些负荷正常工作，其计算容量为应急柴油发电机的供电容量。初步设计时，应急柴油发电机容量推荐按市电源变压器总容量的10％～20％(实际应用取15％)进行计算。10.3.2机组容量确实定2.工程应急负荷中最大的鼠笼电动机容量应急柴油发电站的容量一般都比较小，较大的鼠笼电动机如果采用降压启动，其启动时间较长，将影响供电网路中其他负荷的正常工作。一般希望发电机组有足够大的容量，能直接启动供电网路中最大的鼠笼电动机。一般工程最大单台电动机容量与发电机额定容量之比不宜大于25％。根据对50～300kW不同容量、不同励磁调压方式的柴油发电机组直接启动不同容量的鼠笼电动机的试验结果，当要求启动过程中的瞬时电压值不低于额定值的85％时，可按表10.1〔见P304〕的数据校验最大鼠笼电动机容量与发电机额定容量之比。3.应急柴油发电站的发电机容量确实定应急柴油发电站一般设一台机组，机组容量应能保证工程应急负荷的供电需要，并能直接启动应急负荷中最大容量的鼠笼电动机(即取两项要求中的最大值)。应急机组的运行时间短，机组的输出功率按标定功率经海拔高度修正后的输出功率计算，不必考虑长期运行功率。机组应具备自启动功能，在应急供电时可一次加载，也可自动分几次加载。当发电站容量较大，一台机组不能满足要求时，可设两台机组并列运行供电，并具有自动并车和自动调频调载功能。1.机组转速的选择柴油发电机组的转速主要取决于柴油机的转速。用于发电的柴油机有高速柴油机和中速柴油机，前者的转速为1500r／min和1000r／min，后者的转速为750r／min和600r／min。与同容量的中速柴油发电机组相比，高速柴油发电机组单位容积功率大，因此体积小、质量轻，所需厂房面积小，可节省土建投资。但在同样用材和加工工艺条件下，高速柴油机因为转速高，10.3.3机组型号的选择其运动部件磨损大，寿命短，并需要品质较好的燃料。对于应急电站，机组运行时间短，可不考虑机组的寿命，应优先选用高速柴油发电机组。2.机组增压的利弊机组增压是指柴油发电机组的柴油机带有增压器，增压柴油机工作时，燃烧所需的空气是经增压器增压后送入柴油机。进入柴油机的空气比直接吸入机组周围空气运行的非增压柴油机的空气密度高很多，同样的气缸容积可以燃烧更多的燃油，因此，柴油机的输出功率可大大提高。同型号的非增压柴油机增压后，其输出功率可提高50％左右。因此，机组增压后，比同样出力的非增压机组体积和质量都小很多。一般柴油机用的增压器为废气涡轮增压器，由柴油机排出的废气推动其工作。虽然提高了柴油机的排气背压，使柴油机的热效率有所降低，但废气涡轮增压器利用了柴油机排出废气的能量，使机组总的热效率有所提高。增压柴油机在高海拔地区工作时，大气压力降低，增压器的涡轮膨胀比增大，压气机的压缩比也增大，因此比非增压机组的海拔功率修正系数要小一些。增压柴油机的主要缺点是增压器的转速高、寿命短，机组增压后柴油机气缸的热负荷增大，容易出现故障。随着科学技术的进步，这些缺点正在不断被克服，目前新型机组已不存在上述缺点。对于应急柴油发电站，机组寿命是次要的，减小机房面积是主要的，应优先选用增压机组。3.发电机结构及励磁方式的选择〔1〕发电机结构的选择柴油发电机组配用的发电机为卧式结构的交流同步发电机。带直流励磁机的发电机，其直流励磁机有换相器和碳刷，故障率高，又多一台部件，现在已很少生产和选用。自激恒压发电机是自大功率半导体整流二极管问世后研制的机型，发电机取消了容易发生故障的直流励磁机，提高了发电机运行的可靠性，同时也减小了发电机的体积。自激恒压发电机是目前较常用的机型。但这种机型仍有碳刷和集电环，运行可靠性仍存在一定问题。无刷励磁发电机是近年来开展的新型发电机，该发电机彻底取消了各种碳刷，运行可靠。但其制造工艺要求高，且要求旋转整流二极管的品质要好，目前价格较高。在投资允许的情况下，应优先选用无刷励磁发电机。(2)励磁方式的选择目前交流同步发电机常用的励磁方式有磁放大器式、可控硅式、相复励式、三次谐波式等。①磁放大器式调压器是与带直流励磁机的发电机配套使用的。现在带直流励磁机的发电机已较少生产，因此这种调压方式也较少选用。②可控硅(也称为晶闸管)调压设备体积小、质量轻、调压精度高，但强励特性受可控硅元件质量影响。可控硅自激恒压发电系统中，由于电压波形有畸变，对通信等弱电系统有干扰，在供电系统中有通信等弱电负载的工程不宜选用。③相复励调压又有可控相复励调压和不可控相复励调压两种。相复励调压装置可靠性高，过载能力强，技术性能可满足大局部用户的要求。对静态指标要求高的用户，可以选用可控相复励调压装置。其缺点是体积大，比较笨重。这种励磁调压方式在实际工程中应用较多。④三次谐波励磁的励磁速度快，倍数高，动态特性好，直接启动鼠笼电动机的能力强，结构简单，体积小，质量轻。但静态调压率差，不宜并联运行。目前只在局部小型柴油发电机组中应用。4.机组自动化功能的选择经过多年的研究开发，柴油发电机组的自动化功能已比较完善。随着技术的进步，控制手段也比较先进。自动化功能包括自动操作、自动调节、故障自动保护等。自动控制系统对不同容量的机组是相同的。因此，机组容量大，自动化的相对造价低；机组容量小，自动化的相对造价高。具体工程应根据实际需要和机组容量的大小合理确定机组应具有的自动化功能。(1)应急机组应具有的自动化功能应急机组除应具有应急自启动、自动停机和故障自动保护等单机自动化功能外，还应保持机组处于准备启动状态。当市电源突然故障停电时，应急机组在10s左右自动启动，供电主开关自动合闸向应急负荷供电。市