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柴油發電機的工作原理
工作原理
一、湖北黃石當地柴油發電機組生成機理:
柴油發電機組中常用的發電機為同步交流發電機,是以電磁感應為基礎的旋轉式機械。根據其結構特點可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種。
在柴油機汽缸內,經過空氣濾清器過濾后的潔凈空氣與噴油嘴噴射出的高壓霧化柴油 充分混合,在活塞上行的擠壓下,體積縮小,溫度迅速升高,達到柴油的燃點。柴油被點燃,混合氣體劇烈燃燒,體積迅速膨脹,推動活塞下行,稱為‘作功’。各汽缸按一定順序依次作功,作用在活塞上的推力經過連桿變成了推動曲軸轉動的力量,從而帶動曲軸旋轉。
將無刷同步交流發電機與柴油機曲軸同軸安裝,就可以利用柴油機的旋轉帶動發電機的轉子,利用‘電磁感應’原理,發電機就會輸出感應電動勢,經閉合的負載回路就能產生電流。
柴油發電機組工作結構圖
二、湖北黃石當地交流發電機生成機理
以旋轉電樞式同步發電機為例介紹柴油機組中發電機的工作原理。
旋轉磁極式發電機產生電動勢的原理與旋轉電樞式相同,都是電磁感應現象。而主要區別有兩點:
(1)產生感應電流的方式:旋轉電樞式發電機通過電樞的旋轉使閉合線圈的磁通量變化,從而產生感應電流;旋轉磁極式發電機則通過磁極的旋轉使定子線圈切割磁力線,從而在定子線圈中產生感應電流。
(2)電力輸出方式:旋轉電樞式發電機通過電刷和集電環向外接電路供電;而旋轉磁極式發電機則直接將電力送往外接電路,因此相對于旋轉電樞式、湖北黃石當地旋轉磁極式發電機可提供電高的電壓,適用于大型發電機。
1、湖北黃石當地電動勢的產生
● 當導體切割磁場的磁力線時,會在導體中產生感應電動勢。
● 線圈abcd代表整個電傴繞組、湖北黃石當地其兩端分別固定在同一轉軸上的滑環1和2上,兩者同軸旋轉,且相對位置和連接關系不隨轉子位置的變化而變化。電刷A和B通過刷架固定在發電機的端蓋上、湖北黃石當地且與滑環1、湖北黃石當地2的滑動接觸關系不變。
● 當電樞沿順時針方向旋轉,ab邊處于N極下時、湖北黃石當地山邊的感應電動勢方向為由c至d,并設此時電動勢方向為正方向;當電樞旋轉180。后、湖北黃石當地ab邊處于S極下,cd邊處于N極下,此時ab和cd邊中的電動勢均改變方向,顯然此時電動勢為負值。
由上述過程可知,對于一對磁極的單向同步交流發電機、湖北黃石當地其轉子旋轉一周,在電樞繞組中產生一個周波的交流電動勢。若磁通密度B按正弦規律分布,則可產生正弦交流電動勢。而對于三相同步交流發電機、湖北黃石當地其各項繞組產生交流電動勢的原理與單項同步交流發電機完全相同。
2、湖北黃石當地電動勢的大小
根據電磁感應定律,當導體與磁場發生相對運動時、湖北黃石當地導體中的感應電動勢e可由式求得:
E=BLV
● B——磁通密度;
● L——導體在磁場中的有效長度;
● V——導體垂直于磁場方向的運動速度。
而正弦交流電動勢的有效值E計算:
E=Kn
● 式中n——發電機轉速;
● K——發電機的結構常數。
同步交流發電機制成后,其結構常數K已成定值。因此,可通過改變發電機的轉速n或每極磁通來調整其輸出電壓的高傲。但是,通常情況下要求電動勢的頻率f恒定,而頻率f與轉速n成正比,所以發電機的轉速是不能隨便調整的。因此,主要通過調節同步交流發電機磁通量的大小,達到調整其輸出電壓的目的。
3、湖北黃石當地電動勢的頻率
● 當發電機磁極對數一定時(如P=1),其轉子每旋轉一周,電樞繞組可產生一個周波的交流電動勢。轉子旋轉兩周,產生兩個周波的交流電動勢,苦轉子每秒旋轉n/60周,則產生n/60周/s的交流電動勢。由此可知,交流電動勢的頻率f與發電機轉速n成正比。
● 當發電機的轉速一定時(如n=1周/s),磁極對數P=1,轉子每旋轉一周產生一個周波的交流電動勢。磁極對數P=2,轉子每旋轉一周產生兩個周波的交流電動勢。若為P對磁極,轉子每旋轉一周產生P個周波的交流電動勢。由此可知,交流電動勢的頻率f還與磁極對數P成正比。
綜上所述,同步交流發電機電動勢的頻率f與其轉速n 和磁極對數P成正比,因此f的計算公式為:
F=P*n/60 (周/s)
改變同步交流發電機的轉速n或磁極對數P,均可改變其頻率f。但是,發電機制成后,其磁極對數P是不能改變的因此,只能通過改變轉速n來調整頻率f。一旦頻率f達到額定值后,就不能再隨便改變轉速n。
4、湖北黃石當地改善電動勢波形的措施
根據要求,同步交流發電機輸出電壓應為正弦波。但是,由于發電機定子鐵芯結構、湖北黃石當地磁極結構、湖北黃石當地電樞繞組結構、湖北黃石當地三相發電機電樞繞組的連接形式等因素的影響,電動勢的波形會產生畸變,形成非正弦交流電動勢。
非正弦交流電動勢中除含有基波分量外,還含有頻率不同的許多高次諧波分量。不僅嚴重影響發電機的性能和工況,還影響用電設備的正常工作。因此,在設計、湖北黃石當地生產同步交流發電機時,采取了諸多方法,改善電動勢波形,使其成為正弦波。其具體方法有:改善磁極形狀、湖北黃石當地采用斜槽定子、湖北黃石當地改善定子繞組結構和三相發電機采用星形接法。
(1)改善磁極形狀:磁極的分布規律由磁極的形狀決定,將磁極尖削尖或采用扭斜磁極,使磁通密度B近似按正弦規律分布,進而使電動勢成為正弦波;
(2)采用斜槽定子:將定子鐵芯扭斜一個槽距的位置,使其成為斜糟定子,無論轉子旋轉至何種位置,磁極端畫所覆蓋的鐵芯齒面積始終保持不變,這樣可齒諧波的影響;
(3)改善定子繞組結構:同步交流發電機通常采用短距分布式繞組結構,可或削弱許多高次諧波分量,使電動勢接近于正弦波;
(4)三相發電機采用星形接法:三相同步發電機的三相電樞繞組采用星形接法,其線電壓中將不再含有三次及三的整倍數次諧波分量·改善線電壓的波形。
5、湖北黃石當地同步交流發電機勵磁方式
發電機勵磁功率的產生方式,稱為其勵磁方式。同步交流發電機的勵磁方式有他勵式和自勵式兩種。
(1)他勵式:勵磁功率由本身以外的其他電源供給,這種發電機稱為:他勵式發電機。根據獲得勵磁功率形式的不同,他勵式交流發電機又有采用血流勵磁機勵磁和采用無刷交流勵磁機勵磁之分。其中、湖北黃石當地采用直流勵磁機勵磁是靠同軸轉動的并勵直流發電機供給勵磁功率的;采用無刷交流勵磁機勵磁是由同軸轉動的交流勵磁發電機供給勵磁功率的。
(2)自勵式:勵磁功率由本身供給的發電機稱為自勵式發電機。其勵磁功率一般由以下三種方法獲得:直接從同步交流發電機輸出端取得,由安裝在同步交流發電機的定子槽中的副繞組供給;發電機電樞繞組為帶抽頭式的,由抽頭處引出部分電樞繞組供給。
綜上所述,無論是他勵式同步交流發電機,還是自勵式同步交流發電機,改變勵磁電流的大小,均可調整發電機的輸出電壓。


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無刷充電機的工作原理
發動機起動期間,發電機電壓小于蓄電池電壓時,整流二極管截止,發電機不能對外輸出,由蓄電池供給磁場電流。路徑為:蓄電池正極→點火開關SW(或點火繼電器觸點)→磁場燒組調節器→搭鐵→蓄電池負極。
流入勵磁繞組的電流,在勵磁鐵心中建立一個帶狀的磁通量。這個帶狀磁通量沿著各個導磁元件環行,在整個磁回路中,這個磁通量將在勵磁繞組周圍找到一個 磁阻的通道:勵磁電流產生的磁力線通過勵磁鐵心(磁軛托架)→輔助氣隙g1→轉子N極→主氣隙g→定子鐵心→主氣隙g→轉子S極→輔助氣隙g2→勵磁鐵心形成一個閉合的磁路系統。這種結構除轉子爪極外徑與定子內表面之間的氣隙(稱為主氣隙)外,在閉合的磁路系統中,增加了兩個有相對運動的徑向附加氣隙,使閉合回路的磁阻增大。所以必須通過增加磁場繞組的激磁安匝來補有效磁通量所減小的部分,才能保證無刷交流發電機的輸出。
隨著轉子的旋轉,使通過定子鐵心的磁通量發生變化,定子繞組切割磁力線而產生感應電動勢,定子繞組發出三相交流電壓,通過三相橋式整流電路整流成直流。當轉速達到1000r/min左右時,發電機應能正常發電并對外輸出,經濾波電容C后輸出28V直流電壓,發電機電壓大于蓄電池電壓,發電機自勵,并對蓄電池充電,或對其他負載供電。N端通過VD4、湖北黃石附近VD5、湖北黃石附近VD6中的一個硅管整流,與對地端形成半波整流電壓,被稱為中性點電壓,其輸出信號為14V直流脈動電壓( 負載不能超過2A),N端可用于接轉速表。中性點電壓除了直流成分外,還含有交流成分,且幅值隨發電機的轉速而變,與中性點相連的二極管(VD10、湖北黃石附近VD11)就稱為中性點二極管。當中性點二極管的正極管(VD11)電位 或負極管(VD11)電位 時,中性二極管亦處于正向導通,可對外輸出,能有效利用中性點電壓來增加發電機的輸出功率。實踐證明,在交流發電機上安裝中性二極管后,輸出功率可增加10%~15%。
定子繞組的三相交流電壓經三相全橋整流后,經調節器向勵磁繞組供電。調節器以通/斷方式調節勵磁電流,使充電機的輸出電壓保持在(28±0.3)V范圍內波動,給蓄電池浮充電。發電機調節器電路如圖8-14中調節器部分所示,主要由3個電阻R1、湖北黃石附近R2、湖北黃石附近R3,2個三極管VT1、湖北黃石附近VT2和1個穩壓管VR組成。R1、湖北黃石附近R2,為分壓電阻,VT1為小功率三極管,接在大功率管的前一級,起功率放大作用,也稱前級放大。三極管VT2為大功率三極管,其集電極與發電機磁場繞組相連,磁場繞組為VT2負載,VT2導通時,磁場電流接通反之磁場電流切斷。因此,可以通過控制三極管VT2的導通與截止,改變磁場電流使發電機輸出電壓穩定。
穩壓二極管VR是感受元件,其一端接三極管VT1的基極,另一端接分壓電阻R1、湖北黃石附近R2、湖北黃石附近以組成電壓檢測電路,監測發電機電壓的變化。當發電機的輸出電壓在分壓電阻R1上的電壓達到VR的設定電壓時,VR擊穿,VT1有基極電流使VT1導通,VT2截止,這就使發電機的F點不接地面切斷了磁場繞組的電路,發電機電壓便會下降。發電機電壓下降時又使VR、湖北黃石附近VT1截止,VT2導通,發電機電壓重又升高如此反復作用,使發電機端電壓被控制在一定的范圍內。
現在集成電路電壓調節器也被廣泛使用。用集成電路開發的電壓調節器體積很小,可方便地安裝在發電機的內部與發電機組成一個整體,稱之為整體式交流發電機。集成電路調節器的基本工作原理與晶體管調節器完全一樣,都是根據發電機的電壓信號(輸入信號),利用三極管的開關特性控制發電機的磁場電流以此達到穩定發電機輸出電壓的目的。集成電路調節器有內、湖北黃石附近外搭鐵之分,以外搭鐵形式居多。



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柴油發電機組的直流電動機啟動
電動機啟動系統由操作人員通過踏板和杠桿操作啟動開關,使電動機的齒輪嚙入飛輪齒圈或者操作人員撳下啟動按鈕,電磁開關通電吸合,控制啟動機和齒輪嚙入輪齒圈帶動柴油機啟動。
1.啟動電動機的離合機構
啟動電動機軸上的嚙合齒輪在啟動時,才與發動機曲軸上的飛輪齒圈相嚙合,而當發動機開始運行后,啟動電動機應立即與曲軸分。否則當發動機轉速升高,使啟動電動機大大超速旋轉,產生很大的離心力,造成損壞,甚至使啟動電動機電樞飛散。因此,啟動電動機必須裝離合機構。啟動時保證啟動電動機的動力能傳遞給曲軸,啟動后能切斷啟動電動機與發動機曲軸的聯系。
常用的離合機構有以下幾種:
(1)彈簧離合機構這種機構套裝在啟動機電樞軸上,驅動齒輪的右端活套在花鍵套筒的左端的外圓上,兩個扇形塊裝入齒輪右端相應缺口中并伸人花鍵套筒左端的環檜內,這樣齒輪和花鍵套筒可一起作軸向移動,兩者可相對滑轉。離合彈簧在自由狀態下的內徑小于齒輪和套筒相應外圓面的直徑,安裝時緊在外圓面上。啟動機帶動花鍵套筒旋轉,有使離合彈簧收縮的趨勢,由于離合彈簧被箍在相應外圓面上,于是,啟動機扭矩靠彈簧與外圓面的摩擦傳給驅動齒輪,從而帶動飛輪圈轉動。當機啟動后,齒輪有比套筒轉速快的趨勢,彈簧脹開,離合齒輪在套簡上滑動,從而使齒輪與飛輪齒圈脫開。
該離合機構較簡單,所配用的ST614型啟動機,其電壓為流24V、湖北黃石本地功率為5.3kW,操作方便,因而得到廣泛應用。
(2)摩擦片式離合機構摩擦片式離合機構。這種離合結構這樣裝配的,內花鍵殼9裝在具有右旋外花鍵上,主動片8套在內花鍵殼9的導槽中,而從動片6與主動片8相間排列,旋裝在花鍵套10上的螺母2與摩擦片之間,裝有彈性3圈,壓環4和調整墊片5。驅動齒輪右端的形部分有一個導槽,從動片齒形凸緣裝入此導槽之中, 裝卡環7,以防止啟動機驅動齒輪1與從動片松脫。離合結構裝好后摩擦片之間無壓緊力。
啟動時,花鍵套10按順時針方向轉動,靠內花鍵殼9與花鍵套10之間的右旋花鍵,使內花鍵殼在花鍵套上向左移動將摩擦片壓緊,從而使離合機構處于接合狀態,啟動機的扭矩靠摩擦片之間的摩擦傳給驅動齒輪,帶動飛輪齒圈轉動。發動機啟動后,驅動齒輪相對于花鍵套轉速加快,內花鍵殼在花鍵套上右移,于是摩擦片便松開,離合機構處于分離狀態。
該離合機構摩擦力矩的調整,即調整墊片5可改變內花鍵殼端部與彈性墊圈之間的間隙,以控制彈性墊圈的變形量,從而調整離合機構所能傳遞的 摩擦力矩。
摩擦片式的離合機構由于可傳動的扭矩較大。因此,通常用于較大啟動扭矩的柴油機上。
2.啟動機電嵫操機構
為柴油機所用的ST614型啟動機的結構圖。它由串激式直流電動機作啟動機,其功率為5.3kW,電壓為24V,此外,還有電磁開關和離合機構等部件組成。
為電磁操縱機構啟動機電氣接線圖。
啟動時,打開電路鎖鑰(即電路開關),然后,撳下啟動按鈕4,電路接通,于是電流通入牽引電磁鐵兩個線圈:即牽引電磁鐵線圈和保持線圈,兩個線圈產生同一方向的磁場吸力,吸引鐵心左移,并帶動驅動杠桿8擺動,使啟動機的齒輪與飛輪齒圈進行嚙合。鐵心1繼續向左移,于是,啟動開關5觸點閉合,啟動直流電動機電路接通,直流電動機開始運轉工作,同時與啟動開關與并聯的牽引線圈被短路失去作用,牽引繼電器由保持線圈所產生磁場吸力保持鐵心位置不動。
啟動后,應及時松開啟動按鈕,使其回到斷開位置,并轉動電路鎖鑰,切斷電源,以防啟動按鈕卡住,電路切不斷,牽引繼電器繼續通電。此時,由于電路已切斷,保持線圈磁場消失,在復位彈簧的作用下,鐵心右移復原位,直流電動機斷電停轉。同時,齒輪驅動杠桿也在復位彈簧的作用下,使齒輪退出嚙合。



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