柴油发电机组工作原理和基础理论

自动电压调节器 AUTOMATIC
VOLTAGE REGULATOR
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 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，
◆ 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
VL
EQUIVALENT OR NET
EFFECTIVE VOLTAGE
V L-L
3 PH = 3 LV-L = 3 x VL-N
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，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。
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 ）
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。
四冲程汽油机结构原理
进气门 及弹簧
可燃气体
燃烧室
火花塞 排气门 及弹簧
排气
活塞
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 （500 ～1000rpm 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
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
同步交流发电机的类型
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
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，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）
? 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
作为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。
同步交流发电机的类型
1. 按功率分 小功率： 《 10kW 中功率： 10 – 1000kW 大功率： 1000kW – 200mW
2。 按相数分： 单相同步，三相同步 3. 按频率分： 50Hz ，60Hz ，400Hz ，800Hz 4. 按电压等级分： 低压同步 《 1000V
高压同步 》1000V 5. 按结构分： 旋转磁极式（简称转磁式或转场式）
自励 + 永磁机 SHUNT + PMG
定子绕组
STATOR WINDING
旋转整流器
ROTATING RECTIFIERS
励磁机磁场 EXCITER
FIELD
永磁机
PERMANENT MAGNET
GENERATOR
转子绕 组
ROTOR WINDING
励磁机电枢
EXCITER ARMATURE
A.C. D.C.
水套加热器（Block Heater)
? 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。
1 0%
Simpower辛普森机組型号举例說明
普通型号 ：
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
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 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。
◆ 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)。
（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。）
气缸排列
前端 吸震平衡轮
左侧
飞轮盘
右侧
后端 旋转方向
在飞轮盘端看时，逆 时针方向
S6R 左视图
燃油滤清器 风扇
水泵 机油制冷器 吸振摆轮
机油滤清器
高压油泵 调速器
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
DC 充电器（DC Alternator)
? 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
执行器
驱动齿轮
电磁传感器（探头）
飞轮盘齿圈
机油滤清器
控制器
同步负载 分享器
执行器
油门连杆 速度传感器
飞轮盘外周齿
VA
VB
VC
(U) (V) (W)
120? N
VL
3 PHASE
VL
PHASE SEQUENCE
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）。
? 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。
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
1 0% ? 辅助系统影响因素;发动机70% 、发电机20%、控制系统
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。
◆ 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 ，
◆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。
? 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。
服务表头
转动齿 低压油泵 旁路机油滤清器
S6R 右视图
增压器 空气制冷器 启动马达
油底壳
废气排放集管 温控器
直流充电机 解压阀
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）。
自励励磁 SHUNT
定子绕组
STATOR WINDING
旋转整流器
ROTATING RECTIFIERS
励磁机磁场
EXCITER FIELD
转子绕组
ROTOR WINDING
励磁机电枢
EXCITER ARMATURE
A.C.
自动电压调节器
D.C.
AUTOMATIC
VOLTAGE REGULATOR
? 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 底座油箱
控制屏 发电机