柴油发电机组低速保护措施

　　1、概述

　　柴油发电机组目前已被广泛地应用于国防建设、科研、勘探、采矿、船泊、化工等工农业生产的各个领域,特别在电力缺乏的环境下,更有其不可替代的作用。柴油发电机组一般由柴油发动机与同发电机安装在同一底盘上,由柴油发动机拖动同步发电机发电。

　　柴油发电机组的组成一般如图1所示。

　　图1　柴油发电机组的组成

　　柴油发电机转速受转速调节器控制(机械调速器或电子调速器),使发动机转速在负载变化时,运行于额定转速。发电机依靠剩磁电压自励建压,当发电机电压达到一定大小时,自动电压调节器投入运行。此时同步发电机电压受自动电压调节器控制,使柴油发电机组输出电压在负载变化时,基本保持恒定。

　　2、柴油发电机组低速运行时存在的主要问题

　　2.1、柴油发电机组的正常运行

　　柴油发电机组一般由柴油发动机与同步发电机配套组成。在柴油发电机组中发电机必须配备有励磁系统,机组才能正常运行发电。发电机的励磁系统一般分为不可控工作方式与可控工作方式。在不可控工作方式下,发电机端电压受负载影响较大,不宜用于较高要求的工作场合,一般只作为临时应急使用。目前绝大多数生产场合,都要求柴油发电机组提供高质量的电力,因此柴油发电机组一般均配备有可控励磁系统。在这种系统中发电机端电压受负载变化影响较小,能满足工农业生产的需求。

　　2.2、柴油发电机组的低速运行

　　柴油发电机组正常运行时柴油机转速一般均为额定转速(例:1500r/min),但当柴油发动机的转速较低(例:1000r/min),我们称之为低速运行,此时同步发电机也工作于低速状态。在没有采取低速励磁保护的情况下,从用户及服务反馈的信息得知,低速运行经常会产生烧毁自动电压调节器或发电机的严重后果。造成这种状况的原因一般有以下两点:一是由于用户对柴油发电机组不了解,总以为机组低速运行对柴油机有好处,可延长使用寿命;二是有些简易柴油发电机组根本就没有频率或转速显示仪表,柴油发电机组运行时声音很大,不易察觉机组已低速运行。由于低速运行时机组励磁电流很大,以至烧毁自动电压调节器或发电机。

　　同步发电机定子铁心上刻有齿和槽,槽内设置三相绕组,转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后,电机内就产生转子磁场。如用柴油发动机(原动机)拖动转子旋转,则磁场与定子绕组间有相对运动。就会在定子绕组中感应出交流电势。由电机学理论可知

　　U≈E= 4.44fWKW5m (1)

　　式中　W——绕组匝数

　　5m——主磁通

　　f——电源频率

　　KW——绕组系数

　　由式(1)可以看出:在W、KW等不变的情况下,柴油发电机组在自动电压调节器的作用下,为保证机端电压不变,则励磁磁通5m与发电机频率f(即柴油发动机转速)成反比。在转速愈低的情况下,5m愈大;当5m增大到一定程度时,将引起励磁磁路饱和,励磁电流将大大增加。在检修柴油发电机组或柴油发电机组处于怠速运行状态时,同步发电机在自动电压调节器的作用下,只有增大励磁才能保证发电机端电压不变,因此必将在发电机励磁回路中产生很大的低速励磁电流,低速励磁电流如果不加控制则会使机组工作不正常,严重时会烧毁自动电压调节器甚至发电机,造成很大的损失。因此在低速运行的情况下,应切断励磁回路或控制励磁电流的大小,以保护自动电压调节器或发电机。

　　3、柴油发电机组低速运行保护措施

　　从以上分析可以看出,要使柴油发电机组在低速运行时可靠地工作,最简便易行的办法是切断励磁系统,使励磁系统无输出,但会发生下列情况:一种是从正常运行停机后,下次起机怠速运行时忘记了切断励磁系统,造成损失;另一种是虽然低速运行时切断了励磁系统,而在正常运行时接通励磁系统的瞬间,在发电机励磁系统及输出系统中将会产生瞬间过压,对电气元件及电机绕组线圈产生不良影响。经过多年研究、实践,在自动电压调节器电路中采取了低速励磁限制的措施解决了低速运行时存在的问题。现以兰州电机有限责任公司生产的WT-2型自动电压调节器中低速保护电路为例,自动电压调节器方框图如图2所示。

　　电压调节器主要由电压反馈环节、比较环节、低速保护环节、PID调节环节、信号放大环节及电压控制环节等组成。调节器用晶闸管作为电压控制的执行元件,具体电路及工作原理不再赘述。低速励磁电流保护方框图如图3所示。

　　图2　自动电压调节器方框图

　　图3　低速励磁电流保护方框图

　　WT-2A自动电压调节器中低速励磁电流保护具体电路如图4所示。

　　图4　低速励磁电流保护电路

　　在图4中:RP4、R14和V4为低速励磁电流限制环节,调节RP4,可改变低速电流大小。RP4在出厂已调好,用户不能随意调节。RP5为低速频率转换调节,调节RP5可改变低速转换频率的大小,频率下限点一般设置在-15%额定频率处(例:对于额定转速为1500r/min的发电机,其输出电压频率为50Hz,则频率下限点设置在42.5Hz处),出厂时已调好。R23、R24、C11、C12及V7、V8、V29为频率检测环节,R17、R18、R19及C8、V5为斜波产生环节。当柴油发电机组在42.5Hz以下低速运行时,C12电容上的电压低于N3反相输入端的电压,运算放大器N3输出一个-6V的电压,它小于N2的反相输入端的正常电压,V4截止,使低速限制环节起作用。当柴油发电机组在42.5Hz以上正常运行时,C12电容上的电压高于N3反相输入端的电压,运算放大器N3输出一个+6V的电压,它大于N2的反相输入端的正常电压,V4导通,使低速限制环节失去控制作用,柴油发动机组正常运行。用户在一般情况下,不应调整RP5电位器。通过大量的实验可以看出:上述柴油发电机组低速保护电路工作原理简单、性能可靠,解决了机组低速运行时励磁电流大,损坏自动电压调节器或发电机的问题。

　　4、结束语

　　现在兰州电机有限责任公司生产的自动励磁电压调节器基本上都加装了类似的低速励磁保护电路。解决了以往自动电压调节器存在的低速励磁电流大,损坏自动电压调节器及发电机的问题,取得了良好的经济效益。将来我们设想采用数字处理方式来检测和控制低速励磁的问题,以期达到更好的控制效果。