柴油發(fā)電機組是常用的備用電源,由于它以柴油發(fā)動機燃燒柴油為動力,帶動發(fā)電機發(fā)出與市電同樣性質(zhì)的電力,所以用在市電斷電后需要后備電源供電幾小時以上的場合。從性能價格比、對工作環(huán)境的要求、帶非線性負載能力方面考慮,采用柴油發(fā)電機組比使用很多大容量蓄電池的長延時UPS往往具有一定的優(yōu)勢。但是柴油發(fā)電機組在市電斷電后需要十秒鐘左右才能發(fā)出穩(wěn)定的電力,這就大不如UPS可不間斷供電的特點。因此,柴油發(fā)電機組和UPS通常是取其各自的優(yōu)勢構成一個完善的、可靠的電源系統(tǒng),以確保重要設備的不間斷供電。
  柴油發(fā)電機組一般是采用同步發(fā)電機(也俗稱電球)將柴油發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)為電能。各種用電設備要依靠它發(fā)出的電力工作,因此對同步發(fā)電機的工作性能要求是很高的。
  1 同步發(fā)電機的工作原理
  同步發(fā)電機是根據(jù)電磁感應原理制造的。主要組成部分如圖1。現(xiàn)代交流發(fā)電機通常由兩部分線圈構成;為了提高磁場的強度,一部分線圈繞在一個導磁性能良好的金屬片疊成的圓筒內(nèi)壁的凹槽內(nèi),這個圓筒固定在機座上稱為定子。定子內(nèi)的線圈可輸出感應電動勢和感應電流,所以又稱其為電樞。發(fā)電機的另一部分線圈則繞在定子圓筒內(nèi)的一導磁率強的金屬片疊成的圓柱體的凹槽內(nèi),稱為轉(zhuǎn)子。一根軸穿過轉(zhuǎn)子中心并將其緊固在一起,軸兩端與機座構成軸承支撐。轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)壁之間保持小而均勻的間隙且可靈活轉(zhuǎn)動。這叫做旋轉(zhuǎn)磁場式結(jié)構的無刷同步發(fā)電機。
  工作時,轉(zhuǎn)子線圈通以直流電形成直流恒定磁場,在柴油機的帶動下轉(zhuǎn)子快速旋轉(zhuǎn),恒定磁場也隨之旋轉(zhuǎn),定子的線圈被磁場磁力線切割產(chǎn)生感應電動勢,發(fā)電機就發(fā)出電來。
   1—前端蓋;2—出風蓋板;3—軸承;4—定子;5—端子箱側(cè)板;6—電壓調(diào)節(jié)器;7—調(diào)節(jié)器支架;8—端子箱頂蓋;9—端子箱前后板;10—接線板;11—接線板支架;12—端子箱側(cè)板;13—吊攀;14—軸承蓋;15—進風蓋板;16—后端蓋;17—勵磁定子;18—勵磁定子固定螺栓;19—軸承;20—旋轉(zhuǎn)整流器;21—勵磁電樞;22—接地牌;23—轉(zhuǎn)子;24—風扇;25—永磁機機殼;26—永磁機轉(zhuǎn)軸;27—永磁機轉(zhuǎn)子;28—永磁機定子;29—永磁機定子固定螺栓;30—永磁機轉(zhuǎn)子固定螺栓;31—墊圈;32—永磁機蓋板
  圖1 雙軸承發(fā)電機剖視圖
  轉(zhuǎn)子及其恒定磁場被柴油機帶動快速旋轉(zhuǎn)時,在轉(zhuǎn)子與定子之間小而均勻的間隙中形成一個旋轉(zhuǎn)的磁場,稱為轉(zhuǎn)子磁場或主磁場。平常工作時發(fā)電機的定子線圈即電樞都接有負載,定子線圈被磁場磁力線切割后產(chǎn)生的感應電動勢通過負載形成感應電流,此電流流過定子線圈也會在間隙中產(chǎn)生一個磁場,稱為定子磁場或電樞磁場。這樣在轉(zhuǎn)子、定子之間小而均勻的間隙中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場,這兩個磁場相互作用構成一個合成磁場。發(fā)電機就是由合成磁場的磁力線切割定子線圈而發(fā)電的。由于定子磁場是由轉(zhuǎn)子磁場引起的,且它們之間總是保持著一先一后并且同速的同步關系,所以稱這種發(fā)電機為同步發(fā)電機。同步發(fā)電機在機械結(jié)構和電器性能上都具有許多優(yōu)點。
  2 同步發(fā)電機的調(diào)控
  同步發(fā)電機在其額定負載范圍內(nèi)允許帶各種用電負荷。這些負荷的輸入特性會直接影響發(fā)電機的輸出電壓;當負載為純電阻性時,因為同步發(fā)電機的定子端電壓——電樞端電壓與負載電流是同相的,所以使得轉(zhuǎn)子磁場的前一半被定子磁場削弱,而后一半又被定子磁場加強,一周內(nèi)合成磁場平均值不變,發(fā)電機輸出電壓不變。負載呈現(xiàn)為純電感性時,則因負載電流滯后電樞端電壓90°而使得定子磁場削弱了轉(zhuǎn)子磁場,合成磁場降低,造成發(fā)電機輸出電壓下降。若負載是純電容性的,負載電流就會超前電樞端電壓90°,從而使定子磁場加強了轉(zhuǎn)子磁場,合成磁場增大,發(fā)電機輸出電壓上升。可見;合成磁場是使發(fā)電機性能變化的一個重要因素。而合成磁場中起主要作用的是轉(zhuǎn)子磁場即主磁場,因此,調(diào)控轉(zhuǎn)子磁場就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的輸出電壓改善其帶負載能力,從而達到在額定負荷范圍內(nèi)穩(wěn)住發(fā)電機輸出電壓的目的。
  (1)同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁
  所謂勵磁即是向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供直流電使其產(chǎn)生直流電磁場的過程。同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子凹槽內(nèi)的線圈就是由稱做勵磁機的一個專門的設備為其供以直流電形成直流磁場的。早期的發(fā)電機是采用單獨的勵磁機給轉(zhuǎn)子線圈提供直流電的,系統(tǒng)龐大而復雜。隨著技術的進步,現(xiàn)代同步發(fā)電機都是將發(fā)電機與勵磁機組裝在一起構成一個完整的發(fā)電機。
  勵磁機其實就是個小發(fā)電機,它的工作原理與同步發(fā)電機一樣。所不同的是它的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈所起的作用與同步發(fā)電機——主發(fā)電機正好相反;固定在主發(fā)電機定子旁的勵磁機的定子線圈通以直流電形成直流磁場,而安裝在主發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸上的勵磁機的轉(zhuǎn)子線圈成為輸出電動勢的電樞。勵磁機的轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)壁之間也是保持著小而均勻的間隙。這也稱為旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構的無刷同步發(fā)電機。安裝在主發(fā)電機定子旁的勵磁機定子線圈的直流電,是由主發(fā)電機定子線圈即電樞的部分輸出電壓經(jīng)整流后而得到的。與主發(fā)電機轉(zhuǎn)子同軸安裝的勵磁機轉(zhuǎn)子線圈在其定子線圈產(chǎn)生的磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)、切割磁力線所產(chǎn)生的感應電動勢,經(jīng)同軸安裝在它旁邊的整流器也就是旋轉(zhuǎn)整流器變成直流電流,輸?shù)街靼l(fā)電機的轉(zhuǎn)子線圈使其產(chǎn)生直流轉(zhuǎn)子磁場。從而達到了對主發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈勵磁的要求。
  (2)同步發(fā)電機輸出電壓的調(diào)控
  調(diào)控的目的就是實現(xiàn)在同步發(fā)電機額定負荷范圍內(nèi)穩(wěn)住輸出電壓。調(diào)控技術的理念是實時地從主發(fā)電機電樞取得電壓和電流,經(jīng)整流和負反饋調(diào)理后供給勵磁機的定子線圈,使其產(chǎn)生變化規(guī)律與主發(fā)電機輸出電壓變化規(guī)律相反的直流電磁場,這個磁場也必然使勵磁機轉(zhuǎn)子電樞的輸出電壓及旋轉(zhuǎn)整流器供給主發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的直流電流按同樣的規(guī)律而變化。從而起到實時調(diào)節(jié)主發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場大小,使主發(fā)電機在額定負荷范圍內(nèi)保持良好輸出特性的作用。
  對發(fā)電機輸出電壓的調(diào)節(jié)過程,可以用以下的流程表示;
  由于負荷增加使主發(fā)電機電樞電壓↓(降) →經(jīng)負反饋調(diào)理后勵磁機定子電流及磁場↑→勵磁機轉(zhuǎn)子電樞輸出電壓↑→旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流↑→主發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場↑→使主發(fā)電機電樞電壓↑
  若主發(fā)電機電壓升高,則其反饋調(diào)控使以上各環(huán)節(jié)作用降低,導致電壓回到額定值。
  可見通過勵磁機實時調(diào)控主發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場的大小,就可以穩(wěn)住輸出電壓。這其中起重要作用的是負反饋調(diào)節(jié)單元,通常稱其為恒壓勵磁裝置和自動電壓調(diào)節(jié)器。
  (3)自動電壓調(diào)節(jié)器
  現(xiàn)代交流同步發(fā)電機常用自動電壓調(diào)節(jié)器AVR這種電子部件調(diào)節(jié)勵磁機定子磁場的強弱。雖然AVR的種類很多,但性能大同小異;都是實時采樣主發(fā)電機的輸出電壓值與預先設定的值相比較,用比較的結(jié)果去調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制器PWM;輸出電壓值高則調(diào)制器輸出脈沖寬度窄,反之則寬。然后再用這些脈沖去調(diào)控大功率開關器件即三極管或場效應管控制送入勵磁機定子線圈的電流的時間。從而使它的磁場強弱隨著主發(fā)電機輸出電壓的變化而相反變化;即輸出電壓升高則勵磁機定子磁場減小,輸出電壓降低勵磁機定子磁場增強。從而達到負反饋調(diào)控的目的