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河南周口柴油發(fā)電機(jī)的工作原理
工作原理
一、河南周口柴油發(fā)電機(jī)組生成機(jī)理：
河南周口柴油發(fā)電機(jī)組中常用的發(fā)電機(jī)為同步交流發(fā)電機(jī)，是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種。
在柴油機(jī)汽缸內(nèi)，經(jīng)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(dá)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(jīng)過連桿變成了推動曲軸轉(zhuǎn)動的力量，從而帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。
將無刷同步交流發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)曲軸同軸安裝，就可以利用柴油機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，利用‘電磁感應(yīng)’原理，發(fā)電機(jī)就會輸出感應(yīng)電動勢，經(jīng)閉合的負(fù)載回路就能產(chǎn)生電流。
河南周口柴油發(fā)電機(jī)組工作結(jié)構(gòu)圖
二、交流發(fā)電機(jī)生成機(jī)理
以旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)為例介紹柴油機(jī)組中發(fā)電機(jī)的工作原理。
旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電動勢的原理與旋轉(zhuǎn)電樞式相同，都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。而主要區(qū)別有兩點：
（1）產(chǎn)生感應(yīng)電流的方式：旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)通過電樞的旋轉(zhuǎn)使閉合線圈的磁通量變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流；旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)則通過磁極的旋轉(zhuǎn)使定子線圈切割磁力線，從而在定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。
（2）電力輸出方式：旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)通過電刷和集電環(huán)向外接電路供電；而旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)則直接將電力送往外接電路，因此相對于旋轉(zhuǎn)電樞式、旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)可提供電高的電壓，適用于大型發(fā)電機(jī)。
1、電動勢的產(chǎn)生
● 當(dāng)導(dǎo)體切割磁場的磁力線時，會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
● 線圈abcd代表整個電傴繞組、其兩端分別固定在同一轉(zhuǎn)軸上的滑環(huán)1和2上，兩者同軸旋轉(zhuǎn)，且相對位置和連接關(guān)系不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。電刷A和B通過刷架固定在發(fā)電機(jī)的端蓋上、且與滑環(huán)1、2的滑動接觸關(guān)系不變。
● 當(dāng)電樞沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，ab邊處于N極下時、山邊的感應(yīng)電動勢方向為由c至d，并設(shè)此時電動勢方向為正方向;當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180。后、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(fù)值。
由上述過程可知，對于一對磁極的單向同步交流發(fā)電機(jī)、其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，在電樞繞組中產(chǎn)生一個周波的交流電動勢。若磁通密度B按正弦規(guī)律分布，則可產(chǎn)生正弦交流電動勢。而對于三相同步交流發(fā)電機(jī)、其各項繞組產(chǎn)生交流電動勢的原理與單項同步交流發(fā)電機(jī)完全相同。
2、電動勢的大小
根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當(dāng)導(dǎo)體與磁場發(fā)生相對運動時、導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢e可由式求得:
E=BLV
● B——磁通密度；
● L——導(dǎo)體在磁場中的有效長度；
● V——導(dǎo)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(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；
● K——發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。
同步交流發(fā)電機(jī)制成后，其結(jié)構(gòu)常數(shù)K已成定值。因此，可通過改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n或每極磁通來調(diào)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(zhuǎn)速n成正比，所以發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是不能隨便調(diào)整的。因此，主要通過調(diào)節(jié)同步交流發(fā)電機(jī)磁通量的大小，達(dá)到調(diào)整其輸出電壓的目的。
3、電動勢的頻率
● 當(dāng)發(fā)電機(jī)磁極對數(shù)一定時(如P=1)，其轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，電樞繞組可產(chǎn)生一個周波的交流電動勢。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)兩周，產(chǎn)生兩個周波的交流電動勢，苦轉(zhuǎn)子每秒旋轉(zhuǎn)n/60周，則產(chǎn)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(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n成正比。
● 當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(如n=1周/s)，磁極對數(shù)P=1，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個周波的交流電動勢。磁極對數(shù)P=2，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生兩個周波的交流電動勢。若為P對磁極，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)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(shù)P成正比。
綜上所述，同步交流發(fā)電機(jī)電動勢的頻率f與其轉(zhuǎn)速n 和磁極對數(shù)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(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n或磁極對數(shù)P,均可改變其頻率f。但是，發(fā)電機(jī)制成后，其磁極對數(shù)P是不能改變的因此,只能通過改變轉(zhuǎn)速n來調(diào)整頻率f。一旦頻率f達(dá)到額定值后，就不能再隨便改變轉(zhuǎn)速n。
4、改善電動勢波形的措施
根據(jù)要求，同步交流發(fā)電機(jī)輸出電壓應(yīng)為正弦波。但是，由于發(fā)電機(jī)定子鐵芯結(jié)構(gòu)、磁極結(jié)構(gòu)、電樞繞組結(jié)構(gòu)、三相發(fā)電機(jī)電樞繞組的連接形式等因素的影響，電動勢的波形會產(chǎn)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(yán)重影響發(fā)電機(jī)的性能和工況，還影響用電設(shè)備的正常工作。因此，在設(shè)計、生產(chǎn)同步交流發(fā)電機(jī)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、采用斜槽定子、改善定子繞組結(jié)構(gòu)和三相發(fā)電機(jī)采用星形接法。
（1）改善磁極形狀：磁極的分布規(guī)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(guī)律分布，進(jìn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)：同步交流發(fā)電機(jī)通常采用短距分布式繞組結(jié)構(gòu)，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(fā)電機(jī)采用星形接法：三相同步發(fā)電機(jī)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(shù)次諧波分量·改善線電壓的波形。
5、同步交流發(fā)電機(jī)勵磁方式
發(fā)電機(jī)勵磁功率的產(chǎn)生方式，稱為其勵磁方式。同步交流發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)稱為:他勵式發(fā)電機(jī)。根據(jù)獲得勵磁功率形式的不同，他勵式交流發(fā)電機(jī)又有采用血流勵磁機(jī)勵磁和采用無刷交流勵磁機(jī)勵磁之分。其中、采用直流勵磁機(jī)勵磁是靠同軸轉(zhuǎn)動的并勵直流發(fā)電機(jī)供給勵磁功率的；采用無刷交流勵磁機(jī)勵磁是由同軸轉(zhuǎn)動的交流勵磁發(fā)電機(jī)供給勵磁功率的。
（2）自勵式：勵磁功率由本身供給的發(fā)電機(jī)稱為自勵式發(fā)電機(jī)。其勵磁功率一般由以下三種方法獲得：直接從同步交流發(fā)電機(jī)輸出端取得，由安裝在同步交流發(fā)電機(jī)的定子槽中的副繞組供給；發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)，還是自勵式同步交流發(fā)電機(jī)，改變勵磁電流的大小，均可調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出電壓。
發(fā)電機(jī)管理中的3個有用細(xì)節(jié)
故障背景：2017年5月20日該輪靠泊印度洋留尼旺島，鍋爐發(fā)生點火故障，于是發(fā)電機(jī)換用輕柴油。換油后不久，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)上的燃油管有滴漏，當(dāng)時忙于處理鍋爐問題，為減少柴油損失，當(dāng)即關(guān)閉了停車狀態(tài)的一號和三號發(fā)電機(jī)燃油進(jìn)出管路的相關(guān)閥門。
故障現(xiàn)象：第二天船舶離港時，當(dāng)班輪機(jī)員凌晨4點打給我，說一號發(fā)電機(jī)不能并車，三號發(fā)電機(jī)能并車但只能承擔(dān)150 KW，再加負(fù)荷就加不上去。我立即下機(jī)艙，檢查發(fā)電機(jī)相關(guān)情況，滑油、冷卻水各項參數(shù)未見明顯異常。我嘗試向三號發(fā)電機(jī)手動轉(zhuǎn)移負(fù)載，多次手動調(diào)節(jié)調(diào)速器以增加燃油供油量，但負(fù)荷沒有變化。嘗試一號發(fā)電機(jī)并車，自動與手動并車都未成功，一號發(fā)電機(jī)顯示頻率過高。
打開三號發(fā)電機(jī)保護(hù)蓋檢查高壓油泵，油泵齒條拉桿均能自由活動，油尺刻度指示在較大值，排除了油泵的問題，再檢查相關(guān)管路，發(fā)現(xiàn)有個進(jìn)油閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)即慢慢全開燃油閥，三號發(fā)電機(jī)立即加載到500KW，負(fù)荷轉(zhuǎn)移正常。
注意力再轉(zhuǎn)向一號發(fā)電機(jī)，發(fā)現(xiàn)一號發(fā)電機(jī)類似的進(jìn)油閥也未打開，當(dāng)即打開進(jìn)油閥，并再次嘗試并車，但還是并車失敗。到港時一號發(fā)電機(jī)是正常使用的，頻率、轉(zhuǎn)速，負(fù)荷的轉(zhuǎn)移各項指標(biāo)都正常，怎么突然就轉(zhuǎn)速過高了呢?
故障措施：三號發(fā)電機(jī)正常之后，我全部精力集中在一號發(fā)電機(jī)不能并車的問題上，之前發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速感應(yīng)器出現(xiàn)過速度顯示的問題，所以首先還是考慮轉(zhuǎn)速感應(yīng)器故障，懷疑有可能是感應(yīng)器臟了或者跟飛輪的間隙超標(biāo)。該發(fā)電機(jī)有兩個pick-up(轉(zhuǎn)速感應(yīng)器)，一個用于機(jī)旁控制屏顯示，一個用于發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)。當(dāng)即取出兩個感應(yīng)器，其中一個確實臟了，擦拭干凈后，檢查了速度感應(yīng)器的阻值，確認(rèn)正常，重新裝回，調(diào)整好間隙，重新啟動發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速還是過高--950RPM。
排除了轉(zhuǎn)速感應(yīng)器的問題，那么故障就應(yīng)該在機(jī)械部分。檢查高壓油泵，調(diào)節(jié)拉桿活動正常；檢查調(diào)速器，該調(diào)速器品牌是Regulateurs Europa，型號1102V-4G-25R。發(fā)現(xiàn)調(diào)速器上的手動速度調(diào)節(jié)旋鈕卡住了，很難轉(zhuǎn)動，聯(lián)想到二管輪的交接班記錄，提示該調(diào)速器的同步馬達(dá)(下圖中的021)不是原裝備件，當(dāng)時由于缺少原裝備件，用的是上個管理公司遺留下來的其他制造商備件。拆下同步馬達(dá)，與近期在新加坡剛接收到的原裝備件對比，發(fā)現(xiàn)兩個同步馬達(dá)參數(shù)不一致：非原裝備件，制造商Woodward，電壓24V，轉(zhuǎn)速2000 RPM，功率5瓦；原裝備件，制造商Groschopp，電壓24V ,轉(zhuǎn)速2700RPM，功率2瓦,電流0.25A。進(jìn)一步拆開非原裝同步馬達(dá)，發(fā)現(xiàn)馬達(dá)的塑料齒輪磨損，不能轉(zhuǎn)動。
換上新的同步馬達(dá)，啟動發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)手動轉(zhuǎn)速旋鈕，使轉(zhuǎn)速達(dá)到916RPM, 待發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后嘗試并車，發(fā)電機(jī)可以成功并車。但是又出現(xiàn)個新問題，并車后一號發(fā)電機(jī)功率并未提高，相反地，出現(xiàn)逆功率跳閘的現(xiàn)象，幾次嘗試都是如此。我決定讓三管輪在并車屏上嘗試并車，我與電機(jī)員在發(fā)電機(jī)旁觀察，雙方用對講機(jī)聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)電機(jī)并車成功后，調(diào)速器速度控制旋鈕被同步馬達(dá)向逆時針方向旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致柴油機(jī)減速，這與并車后調(diào)速器的正確動作恰恰相反，正常情況下，調(diào)速器速度控制旋鈕應(yīng)該順時針方向旋轉(zhuǎn)使柴油機(jī)加速從而增加本機(jī)承載負(fù)荷能力，維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。查找到問題癥結(jié)后，我們再對比同步發(fā)電機(jī)馬達(dá)的電壓與電流情況、查找相關(guān)發(fā)電機(jī)電線接線圖紙，發(fā)現(xiàn)一號發(fā)電機(jī)相關(guān)接線控制板亦與原廠圖紙一致，這說明接線未曾改動過。于是我們改變同步馬達(dá)背后的接線，將其對調(diào)，再次啟動發(fā)電機(jī)，并車成功，負(fù)荷轉(zhuǎn)移順暢，問題解決。
經(jīng)過該事件，發(fā)現(xiàn)以下幾點在未來的輪機(jī)管理工作中值得引起注意：
啟動發(fā)電機(jī)之前，一定要檢查相關(guān)管路系統(tǒng)，之前做出過狀態(tài)改變的相關(guān)閥門，一定要及時設(shè)置好。交接班工作一定要交接清楚，不能有遺漏；
該事件的起因在于啟動發(fā)電機(jī)之前沒有將關(guān)閉的燃油閥打開，該輪經(jīng)過幾任管理公司管理，燃油管路的閥門老化，在全關(guān)時仍然存在些許燃油泄漏，造成一號發(fā)電機(jī)啟動時，能正常啟動，調(diào)速器在燃油量不足的情況下加大油門以保持額定轉(zhuǎn)速，但同步馬達(dá)因為調(diào)速器不正常動作導(dǎo)致里面的齒輪損壞，造成了同步馬達(dá)卡死，以至于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到950RPM 后不能減速。這一點在發(fā)電機(jī)的管理工作中一定要考慮到；
不同管理公司的備件采購?fù)緩讲灰粯?，存在大量第三方生產(chǎn)的備件，與原廠備件相比，有些參數(shù)都不一致，有些即使銘牌上參數(shù)一致，但物理尺寸卻不一致。這給輪機(jī)員維護(hù)保養(yǎng)時帶來了諸多不便。主管輪機(jī)員在接受備件時一定要仔細(xì)核對，避免到使用時陷入被動；即使是原裝件，電器要考慮正負(fù)極性，機(jī)械要考慮左旋右旋。
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