柴油发电机组构造解析-施工机械

柴油发电机组是由柴油机、三相交流同步发电机、励磁调节系统及控制屏等部分组成。柴油机是发电机的动力部分，通过柴油机飞轮壳和发电机前端盖轴向采用凸肩定位直接连接构成一体，并采用圆柱形的弹性联轴器由飞轮直接驱动发电机旋转，并保证柴油机的曲轴和发电机转子的同心度在规定的范围内。有关柴油机的类型、构造、使用和维护见第1章相关内容。

1.交流同步发电机的构造原理

如图7-27所示，三相同步发电机的定子是电枢，转子是磁极，当转子励磁绕组通入直流电流后，即建立恒定的磁场。转子转动时，定子导体由于和此磁场有相对运动而感应交流电势，此电势频率f（Hz）为：

图7-27　同步发电机构造原理图

1—定子铁芯；2—定子绕组的导体；3—磁极；4—集电环

可见，当电机的极对数（P）、转速（n）一定时，发电机的交流电势的频率f是一定的。因此，同步发电机具有转子转速和交流电频率之间保持严格不变的关系的特点。

在恒定频率下，转子转速恒定和负载大小无关。这是同步电机和异步电机的基本区别之一。

2.交流同步发电机的基本结构

按结构特点，同步电动机有旋转电枢式（简称转枢式）和旋转磁极式（简称磁极式）2种。旋转电枢式如图7-28所示，发电机的电枢是转动的，磁极是固定的，电枢电动势通过集电环和电刷与外电路连接，这种结构只适用于小容量的同步发电机。旋转磁极式如图7-29所示，其磁极是旋转的，电枢绕组是固定的。电枢绕组的感应电动势不经过集电环和电刷而直接送往外电路，所以绝缘能力和机械强度好，且安全可靠，因而广泛应用于大、中容量的同步发电机。

图7-28　旋转电枢式同步发电机

图7-29　旋转磁极式同步发电机

（a）凸极式；（b）隐极式

在旋转磁极式同步发电机中，按磁极的形状又可分为凸极式和隐极式2种。凸极式转子的磁极是突出的。励磁绕组采用集中绕组套在磁极上，这种转子构造简单，制作方便。隐极式转子做成圆柱形，励磁绕组分布在转子表面的铁芯槽中，现代柴油发动机大多采用这种结构型式。现以常用的旋转磁极式同步发电机为例说明同步发电机的基本结构。

磁极式同步发电机主要由定子、转子、端盖及轴承、集电环等组成。

（1）定子部分。定子由定子铁芯、电枢绕组、机座等3部分组成，通常又称为电枢。

1）定子铁芯。它是用硅钢片叠成内空圆柱体，在其内圆周上冲有放置定子绕组的槽。为了将绕组嵌入槽中并减小气隙磁组，中小型发电机都采用半开口槽。

2）机座。它是用来固定定子铁芯，并和发电机两端盖形成通风道但不作为磁路，因此要求它有足够的强度和刚度，以承受运行中各种力的作用。两端的端盖可支撑转子并保护电枢绕组的端部。一般发电机的机座和端盖由铸铁制成。

3）电枢绕组。它是由线圈组成，线圈的导线都采用高强度漆包线，线圈按一定规律连接而成，嵌入定子铁芯槽中。绕组的结构芯式一般采用三相双层短距叠绕组。

（2）转子部分。转子主要由磁铁、电机轴、转子磁轭、集电环等组成。

1）电机轴。它是用来传递转矩并承受转动部分的重量。一般是用中碳钢制成。

2）转子磁轭。它主要用来组成磁路，并固定磁极。(www.xing528.com)

3）磁铁。磁极铁芯是由薄硅钢板冲片叠压而成，用螺杆固定在磁轭上。励磁绕组套在磁极铁芯上，各个磁极的励磁绕组一般串联起来，2个出线头通过螺钉和转轴上的两个互相绝缘的集电环相接。

4）集电环。它是用黄铜环和塑料（如环氧玻璃）加热压制而成一个坚固整体，然后压紧在转轴上。整个转子由装在前后端盖上的轴承支撑。励磁电流通过电刷和集电环引入励磁绕组。电刷装置一般装在端盖上。

对于中小容量的发电机，在前端盖装有风扇，使电枢内部通风以利于散热，降低发电机温度。

3.交流同步发电机的励磁调节系统

励磁调节系统是同步发电机的重要组成部分，它控制发电机的电压及无功功率。另外，调速系统控制柴油机及发电机的转速（频率）和有功功率。两者是发电机组的主要控制系统。

早期的励磁调节系统采用机电型或电磁型调节元件。当前已改用半导体元器件、固体组件及电子电路，称为半导体励磁调节系统。这种调节系统可综合反应包括电压偏差信号在内的多种控制信号，进行励磁调节。因此，它是励磁控制的主要部分，一般由它感受发电机电压的变化，然后对励磁功率单元施加控制作用。在励磁调节系统没有改变给出的控制命令以前，励磁功率单元是不会改变其输出的励磁电压的。

半导体励磁是把交流励磁电源经半导体整流装置改变为直流后进行励磁的。根据交流励磁电源的不同，可分为以下两大类。

（1）采用变压器作为交流励磁电源。这种励磁电源系取自发电机自身或发电机所在的电力系统，故称为自励整流器励磁系统，简称自励系统。在自励系统中，励磁变压器、整流器等都是静止器件，故又称为全静态励磁系统。

自励系统也有几种不同的励磁方式，如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称为自并励方式；如果除了并联的励磁变压器外还有和发电机定子电流回路串联的励磁交流器（或串联变压器），两者结合起来，则构成所谓自复励方式，又称相复励方式。

（2）采用和主机同轴的交流发电机作为交流励磁电源。这种励磁电源取自主机以外的其他独立电源，故称为他励整流器励磁系统（包括他励硅整流励磁系统和他励晶闸管整流器励磁系统），简称他励系统。同轴的用作励磁电源的交流发电机称为交流励磁机，又称同轴辅助发电机。

这类励磁系统按整流器是静止还是旋转，以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同又可分为下列4种励磁方式：

1）交流励磁机（磁场旋转式）带静止硅整流器。

2）交流励磁机（磁场旋转式）带静止晶闸管。

3）交流励磁机（电枢旋转式）带旋转硅整流器。

4）交流励磁机（电枢旋转式）带旋转晶闸管。

上列3）、4）2种方式，硅整流元件及交流励磁机电枢和主轴同一旋转，直接给主机转子励磁绕组提供励磁电流，不需再经过转子集电环及电刷引入，故称无刷励磁方式，或称旋转半导体励磁方式。相对于旋转半导体而言，1）、2）两种方式的半导体整流元器件是处于静止状态的，故称他励静止半导体励磁方式。

除了他励和自励两类主要的半导体励磁方式外，还有一种介于两者之间的谐波励磁系统。在主发电机定子槽中嵌有单独的附加绕组，称为谐波绕组。利用发电机综合磁场中的谐波分量，通常是利用三次谐波分量，在附加绕组中感应谐波电动势，作为励磁电源，经半导体整流后供给发电机本身的励磁。这种谐波励磁系统具有自调节特性，和发电机具有复励的作用相似。当电力系统中发生短路时，谐波绕组电动势增大，对发电机进行强磁。这种励磁方式的特点是简单、快速和可靠。

上述各种励磁方式的分类，可用表7-10说明。

表7-10　半导体励磁系统分类表

4.柴油发电机组的控制屏

柴油发电机组的控制屏分为普通机组控制屏和自动化机组控制屏两类。普通控制屏适用于普通柴油发电机组的控制，机组的起／停、供／断电、状态调整等均由手工操作。自动化控制屏适用于自动化柴油发电机组的控制，机组的起／停、供／断电、状态调整等可由手动或自动2种操作方式来完成。

按照安装方式，柴油发电机组的控制屏可分为一体式和分体式2种。分体式控制屏指机组和控制屏分开放置，控制系统及主开关均安装在控制屏内。一体式控制屏由自控屏和开关屏2部分组成，自控屏（安装控制系统）通过减振垫固定在发电机组的上方，开关屏（安装主开关）安装在发电机的侧面。

（1）普通机组控制屏。它是由断路器、电流表、电压表、频率表、水温表、油压表、油温表、转速表、计时器和电流互感器等组成，可以完成对发电机组起／停、供／断电控制等功能，并对机组的运行状态进行测量、显示和超限报警及保护。

（2）自动化机组控制屏。它是由自动控制器、自动加热器、自动充电器、自动切换装置、断路器、电流表、电压表、充电电流表、直流电压表、电压频率表、水温表、油压表、油温表、柴油机转速表、计时器、报警蜂鸣器、控制继电器、保护开关和电流互感器等组成。自动化机组控制屏可以自动完成对机组起／停、供／断电控制等功能，并对机组的运行状态进行测量、显示和超限报警及保护。