柴油发电机组的工作原理及特性

柴油发电机组的工作原理及特性

本文探讨了柴油机的工作原理，发电机的工作原理，对柴油发电机组的主要性能指标进行了论述，为指导生产提供了理论依据。

标签：柴油机；工作原理；发电机；性能指标

柴油发电机组是一种发电设备，以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械，主要包括三部分：柴油机、发电机和控制系统。

1柴油机的工作原理

柴油机的基本结构由燃烧室组件、动力传递组件、机体和主轴承、配气机构、供油系统和调速器、润滑系统、冷却系统、起动系统构成。柴油機必须经过进气、压缩、膨胀、排气四个热力过程即一个工作循环之后，才能恢复起始状态，使柴油机连续不断地产生机械功。目前，柴油发电机组配置的柴油机都是四冲程柴油机，即柴油机活塞走完四个冲程完成一个工作循环。

2发电机的工作原理

三相同步发电机的结构包括定子和转子两大部分，同步电机的定子又称电枢，包括机座、端盖、电枢铁芯、电枢绕组装置等部件。转子包括转子铁芯、转子（励磁）绕组、风扇、转轴等部件[3]。

同步发电机的主磁场由直流励磁产生，直流电流流经转子线圈，产生磁场。当转子由原动机带动旋转时，气隙中便形成一个转速为n 的旋转磁场，电枢线圈的导体将不断地被磁力线所切割，产生感应电势，感应电势的有效值为E。接通负载后，在电枢绕组中流过感应电流，这个交变电流也在发电机的气隙产生一个旋转磁场，这个磁场称为电枢磁场，或称为定子磁场。当主磁场由柴油机拖动旋转到一个新的位置时，电枢磁场也随之旋转到另一个位置。转子会带动电枢磁场以同一转速旋转，两者时间保持同步，故称为同步发电机。如果转子的极对数为p，则感应电势的频率 f 为：f =pn/60。

由于定子三相绕组在空间的位置是对称的，彼此相差120°电角度，所以，定子绕组切割磁力线时，将产生对称的三相感应电势。感应电势的频率与同步发电机转速成正比，我国规定工频为50 赫兹，因此，同步发电机的转速与磁极对数之间，严格遵守反比关系，即转速越高，极对数越少，例如：

二极发电机（p=1）n = 3000 转/分；

四极发电机（p=2）n = 1500 转/分；

六极发电机（p=3）n = 1000 转/分；

电动钻机配套的柴油机的转速一般为1500 转/分，所以柴油发电机组一般选用四极发电机（p=2）。

3柴油发电机组的主要性能指标

3.1柴油发电机组的技术性能指标。

柴油发电机组的技术性能指标，是衡量机组供电质量和经济运行的主要依据，是保证钻井作业顺利进行的一个重要方面，其主要技术性能通常按机组功率因数0.8～0.9，三相对称负载在（0～100）%或（100～0）%额定值的范围内渐变或突变时，应达到的性能：

（1）稳态频率调整率δf（%）：0～5%（可调）。

δf =（f 1-f 2）/f ×100%

式中，f ——额定频率；

f 1——负载渐变后的稳定频率，取各数值中的最大值；

f 2——额定负载时的频率。

（2）瞬态频率调整率δfs（%）：±5%。

δfs=（f s- f 3）/ f ×100%

式中，f ——额定频率；

f 3——负载突变前的稳定频率；

f s——负载突变时的频率，取各读数中的最大值或最小值。

（3）频率波动率δfb（%）：0.5%。

δfb= （f bmax-f bmin）/（f bmax+f bmin ）×100%

式中f bmax ， f bmin——同一次观测的频率最大值和最小值。

（4）频率稳定时间：4s

频率稳定时间为从频率突变时起至频率开始稳定在频率波动范围内止所需的时间。

（5）稳态电压调整率δu（%）：±2.5%。

δu=（U1-U）/U×100%

式中，U——空载整定电压；

U1——负载渐变后的稳定电压，取各读数中的最大值或最小值。

U 和U1取三相线电压平均值。

（6）瞬态电压调整率δus（%）：±2.5% 。

δus=（Us-U）/U×100%

式中，U——空载整定电压；

Us——负载突变时的电压，取各读数中的最大值或最小值；

U 和Us取三相线电压平均值。δus取3次试验，计算其平均值。

（7）电压波动率δub（%）：0.5%。

δub=（Ubmax-Ubmin）/（Ubmax+Ubmin）×100%

式中，Ubmax和Ubmin——同一观测时间内的电压最大值和最小值。

（8）电压恢复时间：1.5s

电压恢复时间为从电压突变时起至电压第一次恢复到与空载整定电压相差±4%的电压值所需的时间。

3.2柴油发电机组的并机性能。

（1）并联基调点：调节并网各机组的输出功率为机组额定功率的75%，且为额定功率因数、额定电压和额定频率。

此后的实验过程中不得再调节转速和电压。

（2）加载方法：在额定功率因数条件下，按下列总功率的百分数和程序变更负载：75%→100%→75%→50%→20%→50%→75%，在各级负载下至少运行 5 分钟。

（3）有功功率分配差率δP（%）≤±5%。

δP=（P1-P2）/2P×100%

式中，P——机组的额定有功功率；

P1、P2——某一工况下，两台机组各自输出的有功功率。

（4）无功功率分配差度δq（%）：≤±10% 。

δq=（Q1-Q2）/2Q×100%

式中，Q——机组的额定无功功率；

Q1、Q2——某一工况下，两台机组各自输出的无功功率。

两台规格型号完全相同的三相机组，在额定功率因数下，应能在20%～100%额定功率范围内稳定并联运行。为了提高有功功率和无功功率合理分配精度和运行的稳定性，要求机组中柴油机调速器具有稳态调速率在2%～5%范围内调节的装置。在控制箱（屏）内的调压装置可使稳态电压调整率在5%范围内调整[4]。

此外，还有电压、频率波动率、超载运行时限、瞬态电压、频率调整率及直接启动空载异步电动机的能力等性能。