1 發(fā)電機組的技術(shù)及構(gòu)造特點

柴油發(fā)電機組(簡稱發(fā)電機組)是由柴油發(fā)動機(簡稱發(fā)動機,因為比汽油發(fā)動機勁大,中、大型發(fā)電機組都用柴油發(fā)動機)的曲軸(主軸)剛性連接著同步發(fā)電機(簡稱發(fā)電機)的轉(zhuǎn)軸(轉(zhuǎn)子軸)同速、同步轉(zhuǎn)動發(fā)電的機器。為了有足夠大的力量帶動發(fā)電機發(fā)電,發(fā)動機的輸出功率比發(fā)電機的輸出功率大1.6～2倍。這稱為匹配比。

根據(jù)技術(shù)及構(gòu)造的需要,專用于發(fā)電機組的發(fā)動機若無特殊要求,其主軸的轉(zhuǎn)速都是1500r/min(25r/s)。這是因為發(fā)電機定子三相繞組和中間的轉(zhuǎn)子勵磁繞組的構(gòu)造特點,當(dāng)發(fā)動機帶著轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動時,轉(zhuǎn)子上勵磁繞組的電磁場掃過三相繞組,繞組所產(chǎn)生的電壓頻率正好是50Hz。符合國家電力標(biāo)準(zhǔn)。

這就是說,發(fā)電機的輸出頻率是由發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定的。要想發(fā)電機組在額定輸出功率范圍內(nèi),無論負(fù)載如何變化都能保持輸出頻率穩(wěn)定,那就必須用穩(wěn)頻裝置實時調(diào)控發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

2 頻率波動的成因與影響

與市電相比,再大輸出功率的發(fā)電機組都是微不足道的。由于其輸出功率容量有限,所以它對負(fù)載的輸入功率、輸入電流高次諧波分量、輸入功率因數(shù)等都有適應(yīng)性要求。否則就會使用電設(shè)備和發(fā)電機組都處于不良的工作狀態(tài)之中。

(1)電壓和頻率波動的成因

發(fā)動機帶著發(fā)電機發(fā)電時,其定子內(nèi)的三相繞組以120°電角度順序向負(fù)載輸出電壓和電流。一般情況下,輸入功率相當(dāng)于發(fā)電機組輸出功率60%左右的用電設(shè)備接入發(fā)電機組輸出端時,就會引起頻率和電壓明顯甚至強烈的波動。這是因為負(fù)載此刻要輸入很大的電流,從而導(dǎo)致三相繞組內(nèi)電流猛增,此電流產(chǎn)生的強大電磁力吸引發(fā)電機轉(zhuǎn)子,使其轉(zhuǎn)速隨之變慢,頻率和電壓瞬間低落。可見用電設(shè)備接入時需要輸入多大的電流,是它和發(fā)電機組能否處于正常工作狀態(tài)的關(guān)鍵因素。

(2)測試曲線分析

在某國外知名品牌柴油發(fā)電機組上做過接入重負(fù)載試驗,測試曲線如圖1所示。

圖中虛線曲線表示不加入負(fù)載調(diào)節(jié)模塊時發(fā)電機組輸出頻率、電壓和轉(zhuǎn)子軸功率在重負(fù)載接入時的波動曲線。

圖1下面的P(power)功率曲線在0～0.5s時升至最高值,表明發(fā)動機因重負(fù)載的接入而立即增加功率給發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸,盡力維持電壓、電流和頻率的不變。0～0.2s之間曲線的小波折是由于負(fù)載中的電抗成分瞬時反應(yīng)造成的。圖1上面的U(voltage)電壓曲線,變化規(guī)律與P曲線一致。在0～0.2s時電壓突然低至額定值的0.8,說明負(fù)載中容抗成分起主要作用。到0.5s時充電到最大值。

中間的F(frequency)頻率曲線在0～0.5s時間段已下降到額定值的0.95左右,表明重負(fù)載的接入引起頻率迅速下降。

0.5s以后,過度過程加劇。定子繞組感抗成分和負(fù)載的容抗成分之間充放電電流劇增,無功功率在1.5s左右達(dá)到峰值,致使發(fā)電機轉(zhuǎn)子再次被定子繞組的電磁場吸滯而轉(zhuǎn)速變慢,發(fā)電機組輸出頻率低至額定值的0.83(F曲線)。

1.5～3s之間是重負(fù)載接入引起的電路過渡過程減弱并結(jié)束的時間,電壓(U曲線)、頻率(F曲線)和轉(zhuǎn)子軸功率(P曲線)都迅速達(dá)到正常值。從重負(fù)載接入時頻率在3s內(nèi)的變化狀況(F曲線)可以看出,頻率波動與負(fù)載的大小和性質(zhì)有很大關(guān)系。

(3)頻率波動的影響及應(yīng)對

頻率的波動不僅對用電設(shè)備產(chǎn)生影響,也對發(fā)電機組自身的工作狀態(tài)造成*。數(shù)據(jù)中心的發(fā)電機組被ATS切入,對UPS供電時刻,或大或小的頻率波動隨之產(chǎn)生。這對于依靠輸入電壓頻率和相位調(diào)控電路輸出量值(整流器電路)或改變電路工作狀態(tài)(旁路系統(tǒng))的UPS必然造成*。有的會使整機處于不良工作狀態(tài),嚴(yán)重的會導(dǎo)致整機不能工作。

其實頻率波動對UPS和發(fā)電機組的影響也是相對的,恰當(dāng)?shù)剡x擇兩者的功率比是有效地應(yīng)對措施。實際工作中得到的經(jīng)驗是:對于輸入功率因數(shù)接近于1,輸入電流高次諧波分量小于10%的高頻UPS,其輸入功率在發(fā)電機組額定輸出功率80%以下時,頻率的波動不會影響正常工作。而工頻UPS只能選擇55%以下。

3 相關(guān)的規(guī)范

有關(guān)頻率的參數(shù)也是發(fā)電機組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要條目。定義了穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率df和頻率穩(wěn)定時間t。前者表示負(fù)載變化后頻率的最大或最小值f1與額定負(fù)載時的頻率f2之差,同額定頻率f之比的百分?jǐn)?shù),即

常用的發(fā)電機組df值不大于3%,據(jù)此算出頻率波動值為1.5Hz?？梢妼τ糜诎l(fā)電機組的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定能力要求很高。對于頻率穩(wěn)定時間t,標(biāo)準(zhǔn)要求在2～5s。即負(fù)載變化引起的過渡過程越短越好。

4 發(fā)電機組的穩(wěn)頻裝置

能實時調(diào)控發(fā)動機的轉(zhuǎn)速,以確保發(fā)電機在額定輸出功率范圍內(nèi),負(fù)載無論如何變化均能確保頻率穩(wěn)定,是對專用于發(fā)電機組的發(fā)動機的主要技術(shù)要求。為此,新技術(shù)的穩(wěn)頻裝置不斷出現(xiàn)。

(1)電子調(diào)速器

電子調(diào)速器的工作原理框圖如圖2所示。電子調(diào)速器是一種自動調(diào)節(jié)裝置,它根據(jù)發(fā)電機組負(fù)載的變化,自動增減噴油泵的供油量和最佳噴油時刻,使發(fā)電機組能夠以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速運行。

電子調(diào)速器的特點是,它將發(fā)動機的各功能部件的工作狀態(tài)智能地聯(lián)系并協(xié)同成一個整體,綜合研判它們的實時參數(shù)并求得最佳值,以此作為指令將燃油按照最適宜的時刻和油量由電磁閥(油門)噴入汽缸爆燃,驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動,使發(fā)動機在額定的輸出功率范圍內(nèi),無論被驅(qū)動負(fù)載怎樣變化,都能以迅速、精確的調(diào)控確保轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在25r/s。它的工作程序是:位于主軸和凸輪軸的兩個轉(zhuǎn)速傳感器將信號送至轉(zhuǎn)速計數(shù)器,得出實時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速,并在轉(zhuǎn)速分析模塊與來自數(shù)據(jù)庫的最佳算法及預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速一起解析求出轉(zhuǎn)速差值。噴油量及噴油時刻確立模塊把轉(zhuǎn)速差值、數(shù)據(jù)庫來的典型值和從發(fā)動機采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析,確立出最佳的噴油量及噴油時刻并指令噴油驅(qū)動器打開噴油電磁閥,使發(fā)動機既可將燃油充分地爆燃轉(zhuǎn)為驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動的機械能,又可減少污染物的排放。

(2)自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)

AVR安裝在發(fā)電機內(nèi),其功能是將因負(fù)載接入造成的輸出電壓跌落值負(fù)反饋地調(diào)控成轉(zhuǎn)子磁場的增強,從而促使輸出電壓返回正常值。在此功能上加入負(fù)載調(diào)節(jié)模塊,當(dāng)重負(fù)載使發(fā)動機主軸轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時,模塊自動調(diào)節(jié)電壓下降一定量,等同于負(fù)載量減少相應(yīng)值,促使發(fā)動機能較快地達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。從而顯著地削弱了由于重負(fù)載接入引起的頻率和電壓波動。如圖1中的實線曲線所示。這就有效地減少了對用電設(shè)備的*。

(3)并聯(lián)運行機組監(jiān)控卡

發(fā)電機組并聯(lián)運行,常用于提高電力供應(yīng)可靠性的冗余供電或?qū)σ延袡C組的增容。并聯(lián)運行中的各發(fā)電機組不僅要求輸出電壓的相序相同,輸出電壓的幅度、頻率和相位也要相等,而且共同承擔(dān)的負(fù)載的有功功率和無功功率,應(yīng)在每臺發(fā)電機組之間均分。裝在每臺發(fā)電機組中的并聯(lián)運行機組監(jiān)控卡實時采集以上六項數(shù)據(jù),依照最佳并聯(lián)運行數(shù)據(jù)模型和算法,計算、推演這些數(shù)據(jù)并得到最宜的調(diào)節(jié)量調(diào)控本機組,保證其處于良好的并聯(lián)運行狀態(tài)。同時還將這些數(shù)據(jù)傳送給其它發(fā)電機組與其同步。

各發(fā)電機組輸出頻率的穩(wěn)定和同步是并聯(lián)運行的重要條件之一。造成頻率變化的原因是并聯(lián)運行各機組共用的輸出母排所連接的負(fù)載在接入、撤出中引起的有功功率變化。因為有功功率是負(fù)載中的電阻消耗發(fā)電機的輸出電流而形成的,電流的變化引起發(fā)電機定子電磁場對轉(zhuǎn)子吸引力的變化,即發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化,也就是輸出頻率或相位的變化。實際工作中部分負(fù)載的接入、撤出是常有的事,所以頻率變化也就隨之出現(xiàn)并且造成各機組之間有功功率分配的不平均。此時監(jiān)控卡從采集的數(shù)據(jù)中解析出調(diào)控頻率的量值,控制發(fā)動機電子調(diào)速器改變發(fā)動機主軸的轉(zhuǎn)速,即改變發(fā)電機的輸出頻率,使并聯(lián)機組恢復(fù)到良好的運行狀態(tài)。圖3示出了頻率調(diào)節(jié)量的求解過程。

部分負(fù)載接入或撤出并聯(lián)機組母排的時刻,必然引起有功功率、無功功率在并聯(lián)的各機組之間重新平分,以致出現(xiàn)機組環(huán)流和各機組頻率的波動。此刻,并機卡將本機的有功功率、頻率和相位與并機母排上的相對應(yīng)的這三個參量分別進(jìn)行求解,得到有功功率變量δP、頻率變量δf和相位變量δΦ。數(shù)據(jù)處理器依照最佳并聯(lián)運行數(shù)學(xué)模型及經(jīng)典數(shù)據(jù)對它們計算、推演,求解出調(diào)節(jié)頻率最佳數(shù)值δf/δt作用于頻率(轉(zhuǎn)速)調(diào)節(jié)器和電子調(diào)速器,改變發(fā)動機主軸、發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,使本機組頻率及有功功率的均分達(dá)到并聯(lián)機組良好運行的條件。

5 使用及維護經(jīng)驗

不僅要搭配好UPS和其他用電設(shè)備與發(fā)電機組的關(guān)系,使這個系統(tǒng)平穩(wěn)運行,而且更要重視日常的使用和維護工作。

①一個月內(nèi)至少應(yīng)該做一次模擬市電中斷,讓發(fā)電機組根據(jù)ATS指令起動,然后按預(yù)定的時間接入UPS及其它用電設(shè)備,運行15min。以檢驗系統(tǒng)的可靠性。

②發(fā)電機組上安裝的鉛酸蓄電池,是市電中斷后機組起動和電子調(diào)速器工作的唯一電源,很重要。要每兩個月對其浮充電壓和內(nèi)阻檢測一次,察看有無漏液、接線端子松動等現(xiàn)象。

③發(fā)電機組工作時自身的振動很大。每兩個月仔細(xì)檢查一次電子調(diào)速器和機組上各傳感器的信號電纜、插頭是否可靠。

④轉(zhuǎn)速信號傳感器通常安裝在主軸飛輪外齒圈和凸輪邊上,這些地方易受到油污。當(dāng)發(fā)電機組出現(xiàn)輸出頻率不穩(wěn)或周期性擺動時,要首先考慮可能是嚴(yán)重的油污使電磁傳感器信號變?nèi)跎踔敛糠窒隆?/p>

⑤汽缸上的噴油電磁閥(油門)故障或外部接線松動、斷開,會造成汽缸停止工作。這時發(fā)動機工作節(jié)奏會出現(xiàn)異常,驅(qū)動力變?nèi)?。?yán)重時會使發(fā)電機輸出電壓和頻率變低。

⑥發(fā)動機轉(zhuǎn)速變高并且不可調(diào)控。這多數(shù)是由于低壓電源問題導(dǎo)致的電子調(diào)速器失電而無法工作造成的。

⑦發(fā)動機工作正常但發(fā)電機輸出電壓振蕩?？赡艿脑蚴亲詣与妷赫{(diào)節(jié)器AVR工作失?；蛘唠娫?、信號線斷路引起。

⑧發(fā)電機組帶載運行過程中輸出電壓突然低落還調(diào)不回來。如果發(fā)動機運行正常,很大可能是電壓調(diào)節(jié)器損壞而起不到調(diào)控、穩(wěn)定輸出電壓的作用。

⑨空載時發(fā)電機組輸出電壓正常,一接入負(fù)載電壓就跌落。這種現(xiàn)象可能是因為電壓調(diào)節(jié)器中的負(fù)載調(diào)節(jié)模塊參數(shù)設(shè)置太高。

　　6 結(jié)束語

發(fā)電機組在輸出電力的過程中,穩(wěn)頻裝置起到為負(fù)載設(shè)備和機組調(diào)節(jié)出適宜的工作條件的重要作用。了解它們的工作機理、參考其維護經(jīng)驗,可以使數(shù)據(jù)中心的發(fā)電機組總是處于良好的工作狀態(tài)。

作者簡介

張振毅,航天科技集團公司710所高級工程師,本刊編委。

編輯：Harris

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