新聞主題	康明斯柴油發電機組的電氣性能指標

 

摘要：對于采購柴油發電機組的人員來說，必須熟悉機組的主要電氣性能指標，因為該指標意味著設備質量與性能表現數據。柴油發電機組的主要電氣性能指標包括穩態指標和動態指標兩類，柴油發電機組在一定負載下穩定運行時的電氣性能指標稱作穩態指標。柴油發電機組的主要動態指標包括電壓和頻率穩定時間、瞬態電壓凋整率和瞬態頻率調整率、直接啟動空載異步電動機的能力、發電機組并車性能以及無線電干擾允許值等數據。

 

柴油發電機組三維布局圖

 

 一、柴發主要電氣性能指標

 

1、頻率降δfst

      δf在整定頻率確定的條件下，額定空載頻率fir與標稱功率時的額定頻率fr之間的頻率差用額定頻率fr的某一百分數表示，稱為頻率降，用fstd表示它等同于我國標準中的穩態頻率調整率（fd）。

2．穩態頻率帶βf和頻率波動率δfB

（1）穩態頻率帶βf是指在恒定功率時發電機組頻率圍繞某一平均值波動的包絡線寬度，用額定頻率的某一百分數表示之值。

（2）頻率波動率δfB是指在恒定功率時發電機組頻率波動的比值。

3、相對的頻率容差帶αf

      由于穩態頻率容差帶Df是人為規定的，所以αf也屬約定值，而βf是實際值。規定αf（?f）的目的是為了計算頻率恢復時間tf,in（tf,de）。

4、相對的頻率整定下降范圍δfs,do

      用額定頻率的某一百分數表示，可反映頻率整定下降范圍。

5、相對的頻率整定上升范圍δfs,up

      用額定頻率的某一百分數表示，可反映頻率整定上升范圍。

6、頻率整定變化速率γf

      頻率整定變化速率γf是指在遠距離控制條件下，用每秒相對的頻率整定范圍的某一百分數表示的頻率整定變化速率。

7、對初始頻率的瞬態頻率偏差δfd

      δfd是指在某一突變負載出現調速的過程中，其下沖（或上沖）頻率與初始頻率之間的頻率差，用相對于額定頻率的某一百分數表示。

8、對額定頻率的瞬態頻率偏差δfdyn

      δfdyn是指在某一突變負載出現的調速過程中，其下沖（或上沖）頻率與額定頻率之間的頻率差，用相對于額定頻率的某一百分數表示。

9、瞬態頻率調整率δfs

      瞬態頻率調整率是指發電機組在突加或突減負載時，瞬間變化頻率與負載變化前頻率的差值與額定頻率的比值。

10、頻率恢復時間和頻率穩定時間tf

（1）頻率恢復時間是指在規定的負載突變后，從頻率離開穩態頻率帶至其永遠地重新進入規定的穩態頻率容差帶的時間。

（2）頻率穩定時間指從頻率突變時起至開始穩定在頻率波動范圍內所需的時間。

11、穩態電壓偏差δUst和穩態電壓調整率δU

（1）穩態電壓偏差δUst是指對空載與額定輸出之間的所有功率和在規定的功率因數下，在額定功率時考慮溫升影響的穩態條件下偏離整定電壓的最大偏差。穩態電壓偏差δUst用額定電壓的某一百分數表示。

（2）穩態電壓調整率（δu）是指同步發電機在從空載到額定負載的所有負載條件下穩態電壓的變化率，通常為≤±0.5%。

12、電壓不平衡度δU2,0

      電壓不平衡度δU2,0是指空載下的負序或零序電壓分量對正序電壓分量的比值，用額定電壓的某一百分數表示。

U0=UA+UB+UC

式中，U1=（UA+αUB+α2UC）；

U2=（UA+α2UB+αUC）；

其中，α是模等于1而幅角等于2p/3的一個復數，以α乘以某量就等于將某向量逆時針旋轉120°。

13、相對的電壓整定范圍δUs

      用額定電壓的某一百分數表示的電壓整定范圍。

（1）電壓整定下降范圍：D?Us,do=Ur−Us,do

（2）電壓整定上升范圍：D?Us,up=Us,up−Ur

（3）相對的電壓整定范圍：

14、電壓整定變化速率γu

     與頻率整定變化速率的情形類似，不再重復。

15、瞬態電壓偏差δUdyn

（1）按負載增加的瞬態電壓偏差是指當發電機在正常勵磁控制下被驅動在額定頻率和額定電壓時，接通額定負載，用額定電壓的某一百分數表示的電壓降。

（2）按負載減少的瞬態電壓偏差是指當發電機在正常勵磁控制下被驅動在額定頻率和額定電壓時，突然切除額定負載，用額定電壓的某一百分數表示的電壓升。

16、電壓恢復時間與穩態電壓容差帶

      電壓恢復時間tu（tu,in，tu,de）：從某一負載變化瞬時（t1）開始至當電壓恢復并保持在規定的穩態電壓容差帶內瞬時（t2）止的時間。

17、相對的穩態電壓容差帶αu

      該指標與αf一樣同屬約定值。

18.電壓調制

      在某一穩態電壓下，在低于基本的發電頻率的有代表性的頻率下，用在額定頻率和恒定轉速時平均峰值電壓的某一百分數表示的準周期電壓變化（峰對峰），稱為電壓調制。

19、周期不均勻度

      此概念與電壓調制的概念是一致的。電壓調制和周期不均勻度這兩個概念與電壓波動率的概念是類似的。電壓調制與電壓波動既有聯系又有區別。一般對中頻（400Hz）發電機組用電壓調制考核。電壓調制對用電設備的影響除了電壓幅值變化外，還要考慮調制的頻率。同時，各自試驗儀器也不同。測量電壓調制必須要示波器；測量波動率則用指針式儀表即可。

20、負載電壓整定范圍Uz

      發電機組的空載電壓整定范圍為額定電壓的95%～105%，這是由于發電機組與用電設備之間有一定的電纜電壓降，發電機組應保證在一定的負載下，輸出電纜末端應具有正常的工作電壓的規定值。

21、熱態電壓變化

      熱態電壓變化是發電機組在標定工況下從冷態到熱態的電壓變化。對于采用可控勵磁裝置的發電機組，應不超過±2%標定電壓；對于采用不可控勵磁裝置的發電機組，應不超過±5%標定電壓。

22、電壓正弦波形畸變率

      發電機組要求發電機的理想波形是正弦波，但實際上發電機的感應電勢中含有三次及三次以上的高次諧波，勵磁發電機的三次諧波尤為嚴重，使發電機的電壓的正弦波形產生畸變。電壓的正弦波形畸變率過大，會使發動機發熱嚴重，當濕度升高時發動機的絕緣受到影響，同時也會對用電設備的正常工作有影響。發電機組在空載標定電壓時，線電壓的正弦波形畸變率應不大于10%。

23、冷熱態電壓變化

      這是指發電機組在額定工況下從冷態到熱態的電壓變化。對于采用可控勵磁裝置發電機的發電機組，應不超過±2%額定電壓；對于采用不可控勵磁裝置發電機的發電機組，應不超過±5%額定電壓。

24、畸變率

      發電機組在空載額定電壓時，線電壓的正弦波形畸變率應不大于下列規定值：單相發電機組和額定功率小于3kW的三相發電機組為15%；

（1）額定功率為3～250kW的三相發電機組為10%；

（2）額定功率大于250kW的三相發電機組為5%。

25、不對稱負載要求

      對于額定功率不大于250kW的三相發電機組，在一定的三相對稱負載下，在其中任一相（對可控硅勵磁的則指接可控硅的一相）上再加25%額定相功率的電阻性負載，當該相的總負載電流不超過額定值時應能正常工作，線電壓的最大（或最小）值與三相電壓平均值之差應不超過三相電壓平均值的±5%。

 

二、影響柴發動態性能的因素

 

      動態性能是指柴油發電機組運行時各輸入量和輸出量之間的動態關系。為了保證柴油發電機組起動、運行的安全性和可靠性，本文中主要講述了影響柴油發電機組動態響應機制幾個主要因素，警示用戶在設備選型之前針對這些問題作出正確的采購計劃。 

1、結構型式

      除了選擇自然吸氣式柴油發電機還是渦輪增壓柴油發電機；同時還取決于渦輪增壓器、調速器和噴油泵的具體結構。對于自然吸氣式柴油發電機，易于獲得高的動態性能指標；對渦輪增壓柴油發電機，則由于增壓過程無法瞬間完成過渡，載荷變化時需要的加速（或減速）時間要長得多，動態性能較差。某些品牌的柴油機增壓器葉輪采用了輕質、耐高溫的材料制造，運轉慣性大大減小，其動態性能會有所改善。就調速器而言，電子調速器要優于機械式調速器，例如，采用Barber-Colman 電子調速器，這一動態指標可比機械調速器提高一個等級。

2、轉動慣量

      轉動慣量(Moment of Inertia)是剛體繞軸轉動時慣性（回轉物體保持其勻速圓周運動或靜止的特性）的量度，用字母I或J表示。在經典力學中，轉動慣量（又稱質量慣性矩，簡稱慣距）通常以I或J表示，SI 單位為 kg·m²。對于一個質點，I=mr²，其中 m 是其質量，r是質點和轉軸的垂直距離。轉動慣量在旋轉動力學中的角色相當于線性動力學中的質量，可形式地理解為一個物體對于旋轉運動的慣性，用于建立角動量、角速度、力矩和角加速度等數個量之間的關系。

      整個發電機組中包括柴油機、飛輪、聯軸器、發電機轉子等旋轉質量的轉動慣量。大的轉動慣量可以降低載荷變化時轉速波動的幅值，從而減小瞬態頻率偏差。而對于恢復時間則可能有正反兩方面的影響，需要具體分析。因此調整慣量值時，必需要考慮到這兩個指標的折衷。通常可以通過選擇不同尺寸的飛輪，或不同型號的聯軸器來調節轉動慣量。

3、柴油機的功率裕度

      柴油機功率裕度指的是該機型的實際設計的最大功率與使用的最大功率的差。保證發電機組額定電功率所需的柴油機功率與該柴油機能發出的最大持續功率的比值就表示了該柴油機的功率裕度。此比值越小，表示柴油機配機的功率裕度越大，發電機組的動態性能要求就越易達到。

      比如說：柴油機該機型的設計最大功率為2000kW，而實際的船型上設計的柴油機最大功率為1800kW，就是說有200kW的功率裕度。柴油機有功率裕度對機體的壽命和長期使用上都有很大的好處。但是不宜儲備過大，功率儲備過大在性價比上就不高了。

4、對發電機組的加載比例

      對自然吸氣式柴油發電機，突加和突卸1％負荷都是可以辦到的。而對渦輪增壓柴油發電機由于增壓器的工作無法實現瞬間過渡，突加10％負荷通常無法做到。因此需要按一定比例分級加載。柴油機的平均有效壓力取決于柴油機的許多結構因素和燃燒過程的組織，柴油機的增壓程度對此有著重大影響。因此在柴油機發電機組的國際標準ISO 8528一5和老的德國標準DIN6280中都推薦了根據平均有效壓力值確定加載等級和載荷比例的做法。而在較早的IS03 6一1978 中卻規定了不同形式的加載等級一比例曲線 。這種變化主要是由于柴油機增壓技術的發展，增壓度越來越高，陳舊的經驗已經不再適用，而人們的認識也在技術發展的過程中不斷提高，根據新的經驗作出了這種改變。經驗證明，高載荷段對瞬態指標的影響要比低載荷段大得多。因此高載荷段的比例間隔要比低載荷段小得多。

      分級比例也僅是作為參考的指導值。在實際運用中還必需考慮用電設備的工作要求，然后通過對系統配置的調整確定加載等級和比例。因此無論ISO或DIN標準都特別強調了用戶和制造商進行協商的必要性。這樣可能會出現以下情況：相同配置的發電機組由于用電設施不同，加載的比例不同，達到的發電機組精度等級會不同。由此表明，發電機組的精度等級具有相對性，它對負載有很大的依從性。

 

總結：

      在計算機技術高度發達的今天，可以通過模擬計算來預測發電機組系統可能達到的性能水平，這對于正確選定柴油機，預先確定系統配套狀態是極有幫助的。美國康明斯公司在上世紀八十年代為我國提供柴油機時，為滿足發電機組的穩態、動態性能，預先對系統進行模擬計算的部分結果。計算系統采用了WOODWARD PSG液壓調速器，分兩級加載。在穩態速度降設定為4％的情況下，第一級加載得到的動態頻率偏差為8％左右；而第二級加載盡管只有37％的載荷增值，動態頻率偏差卻達到了10％。恢復時間均接近3秒。該發電機組要求動態偏差不大于7％，恢復時間不大于3秒。由于動態偏差過大，這種配置不能符合要求。后來改用BARBER—COLMAN電子調速器，才達到了要求。

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