新聞主題	柴油機與發電機的工況特性曲線

 

摘要：對發電機組而言，柴油機作為發電機組心臟，其輸出特性直接影響發電機組的運行特性，而發電機的特性會影響其輸出電壓和電流的穩定性。因此了解和掌握柴油機的性能，對有效利用動力源，以及提高整機性能具有重要的意義。因柴油機的輸出特性主要通過其動力性指標、經濟性指標及排放性能指標等隨發動機使用工況的變化特性來描述。所以，研究柴油機特性的主要目的在于正確評價柴油機和發電機的特性，為發電機組正確選用動力源和電氣系統提供依據。同時，通過對柴油機和發電機特性的評價與分析，為進一步改進柴油機的性能使之與整機性能良好匹配提供有效途徑。

 

一、柴油機特性

 

      對于柴油機特性，主要通過柴油機各項性能指標隨工況的變化特性來研究，包括柴油機的負荷特性、速度特性及萬有特性等。所以，要研究柴油機特性，首先需要了解或具備以下幾個概念，即柴油機的工況、柴油機的試驗臺架、柴油機的試驗方法及柴油機特性的分析方法等。

 1、柴油機工況

      柴油機的工況，是指柴油機運行的狀態，常用柴油機轉速n和負荷表示。其中轉速表示柴油機的工作頻率，而負荷則表示柴油機對外做功的能力，主要用輸出轉矩T_tq或平均有效壓力P_me。表示，其中T_tq∝P_me。柴油機輸出的有效功率為

P_e∝T_tqn∝P_men ............................(公式1)

      根據柴油機的工作原理和結構特點，其工況是限定在最低穩定轉速n_min、最高轉速n_max及在各工作轉速下所能輸出的最大功率（外特性功率曲線）所包圍的范圍內。最低穩定轉速又稱為怠速轉速，此時向氣缸供給的混合氣量最少，只供克服柴油機內部摩擦損失和驅動附件等用所必要的燃料，而對外輸出功等于零。所以，若柴油機轉速低于此轉速時，由于飛輪等運動件的儲存能量小，導致柴油機轉速波動過大，不能正常穩定運行。而柴油機的最高轉速主要受到來自充氣效率、機械損失和曲柄連桿機構慣性力的影響。高轉速時由于流動損失增加，充氣效率迅速下降，同時活塞組的往復慣性力和曲軸的旋轉慣性力增加，摩擦損失增加，直接危及柴油機的工作可靠性。因此，每一臺柴油機都限定其允許的最高使用轉速，即額定轉速nn。所以，柴油機的實際工作范圍就限定在最低轉速和額定轉速范圍內的小于或等于外特性功率曲線的區域內。根據不同工作機械上柴油機的使用條件不同，將柴油機的工況分為三大類。

（1）恒速工況

      恒速工況是指柴油機的轉速保持不變，而功率隨負載而變化的工況（圖1中曲線1）。例如發電用柴油機的工況，為了保證發電機工作頻率穩定，要求柴油機轉速穩定不變，而功率隨發電機負荷（用電量）的大小而變化。恒速工況的特例是柴油機運轉過程中轉速和負荷均保持不變，這種工況稱為點工況（圖公式1中的A點）。如柴油機帶動排灌用水泵工作時，除起動和過渡工況以外，一般都按點工況運行。

（2）線工況

      線工況主要指柴油機輸出功率與轉速成一定函數關系的工況（圖1中曲線2）。比較典型的就是船用柴油機的螺旋槳工況。此時柴油機的輸出功率主要克服來自流體的阻力，即船舶穩定運行時，柴油機輸出的功率必須與螺旋槳消耗的功率相等。在螺旋槳節距一定的條件下，柴油機功率與轉速的三次方成正比，即Pe＝Kn3。

（3）面工況

      前兩種工況的共同特點是，柴油機輸出功率和轉速有一定的約束關系。而面工況（圖1中陰影區域）的特點是柴油機輸出功率和轉速之間沒有特定的約束關系。在柴油機整個工作區域內，功率P。和轉速n都相對獨立變化，因此柴油機可能運行的范圍就是其實際工況變化的范圍，稱之為面工況。如發電用柴油機的工況，或其他陸地運輸和作業的工作機械用柴油機的工況，就屬于這種工況。在陸地運行時，柴油機的轉速取決于發電機組等陸地作業的工作機械的運行速度，而柴油機的輸出功率則取決于發電機組的運行阻力。發電機組運行阻力不僅與其運行速度有關，而且還取決于道路情況，或拖拉機耕地時的土壤條件、推土時的推土載荷量等。

2、柴油機輸出功率

      柴油機的輸出功率，是表征柴油機工況特征的重要綜合指標。但是由式（公式1）可知，輸出功率相同，不等于工況相同。由于工況不同，柴油機工作狀態，即燃燒放熱過程不同。因此，在相同功率下，柴油機的經濟性和排放特性不一樣。所以，正確認識柴油機的工況，或在發電機組運行過程中柴油機輸出功率相同的條件下，如何正確選擇其工況，對改善整機性能具有重要意義。

      柴油機功率、轉速和扭矩之間的計算公式如下：

Ｎｅ＝（Ｍe×ω）／（102ｘ9.8）

＝（Ｍe×2πｎ／60）／999.6

＝（Ｍe×ｎ）／9545.45

  或：

  Me=（Neｘ9545.45）/n............................（公式2）

式中，Ｎe——柴油機的輸出功率，kw；

Ｍe——柴油機的輸出扭矩，N.m；

ω——曲軸角速度，弧度／秒，ω＝2πｎ／60（弧度/秒）；

π＝3.1416(圓周率)；　   

ｎ——柴油機轉速，轉／分。

圖1  柴油發動機工況分類

圖2  柴油機總輸出均扭矩變化曲線

 

 

二、發電機特性

 

      發電機的工作特性指的是交流發電機的電壓、電流和轉速之間的關系。它包括輸出特性、空載特性和外部特性。

1、輸出特性

       當發電機轉子以同步速度旋轉時，輸出電壓和頻率與電網相同。這意味著同步發電機必須在電網頻率內運行，并且在負載變化時必須按需調節輸出電壓和頻率。輸出特性也就是指交流發電機輸出電流與頻率（轉速）之間的關系，即U=常數時，I=f(n)的函數關系，如圖3所示。

2、空載特性

      發電機不接負載時，電樞電流為零，稱為空載運行。此時電機定子的三相繞組只有勵磁電流感生出的空載電動勢（三相對稱），其大小隨的增大而增加。但是，由于電機磁路鐵心有飽和現象，所以兩者不成正比。反映空載電動勢與勵磁電流關系的曲線稱為同步發電機的空載特性。

3、外特性

      外特性研究的是當發電機轉速一定時，其端電壓與輸出電流的關系，即n=常數時，U=f(I)的曲線。如圖4所示從外特性曲線可以看出發電機電壓受負載影響的程度：如果發電機在高速運轉時，突然失去負載，發電機電壓會突然升高，致使發電機及調節器等內部電子元件有被擊穿的危險。

（1）電壓外特性

      同步發電機的電壓外特性是指同步發電機輸出電壓隨負載電流變化而發生的變化規律。通常情況下，當負載電流增大時，同步發電機的輸出電壓也會隨之增大，但當電流超出一定范圍時，輸出電壓反而會下降。

（2）電流外特性

      同步發電機的電流外特性是指同步發電機輸出電流隨負載電流變化而發生的變化規律。通常情況下，同步發電機的輸出電流隨著負載電流的增加而增加，但當電流超出一定范圍時，輸出電流反而會下降。

（3）功率外特性

      同步發電機的功率外特性是指同步發電機輸出功率隨負載電流變化而發生的變化規律。當負載電流增加時，同步發電機的輸出功率也會隨之增加，但當電流超出一定范圍時，輸出功率反而會下降。

（4）功率因數外特性

      同步發電機的功率因數外特性是指同步發電機的功率因數隨負載電流變化而發生的變化規律。當負載電流增加時，同步發電機的功率因數會逐漸降低，但當電流超出一定范圍時，功率因數反而會上升。

      總之，同步發電機的運行特性對電力系統的穩定運行和電能質量有著重要的影響。因此，在選用和使用同步發電機時，需要充分考慮其運行特性，以確保其安全、可靠地運行。

 

圖3  交流同步發電機輸出特性曲線圖

圖4  交流同步發電機外特性曲線圖

 

 

總結：

      本文章主要討論發電用柴油機的特性。由于發電機組使用條件比較復雜，柴油機運行工況不斷發生變化。所以對發電用柴油機的性能評價，只考慮額定工況點的性能指標是不夠的，還需要研究不同工況下柴油機性能指標的變化特性。柴油機的性能指標有動力性指標（Pe、T1g、Pme）、經濟性指標（燃油消耗率b。等）及排放性指標（如NO，、CO、HC、PM等排放量），這些指標隨柴油機工況的變化規律稱為柴油機的使用特性，而這些性能指標隨工況的變化曲線稱為特性曲線。繪制柴油機的特性曲線，可以直觀地評價與分析柴油機的性能及其影響因素，是柴油機性能分析的重要手段。

 

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