康明斯发电机组的构成与特征

康明斯发电机组详细由柴油发电机、同步发电机、油箱、控制装置四个部分结构，利用柴油为燃料，柴油内燃机组控制柴油在气缸内有序燃烧，产生过热、高压的燃气，当燃气膨胀时推动活塞使主轴旋转，产生机械能，通过传动系统带动同步交流发电机旋转，将机械能切换为电能输出，给各用电负荷提供电源。例如康明斯柴油发电机以其坚固耐用性、稳定性、性能强劲、经济性而被众多企业所选定，成为其主要的电力来源。卓越的燃油效率是柴油发电机的详细优势，因为其出色的设计和压缩空气允许的效率，它们可以比相同容量的柴油、天然气等其他分类发电机运行更长的时间，供应更多的电力。

      康明斯发电机组是一种能源转换装置（外形如图1所示），它是将热能（燃油通过燃烧）转化为机械能（发电机旋转），再将机械能切换为电能的装备，燃油是其原料，电能是其产品。1897年全世界第一台柴油发电机诞生于德国的奥格斯堡（Augsburg），是由MAN公司的创始人 Rudolf Diesel 发明的。目前，柴油发电机的英文名字即为创始人的姓名 Diesel。

      从1897年第一台柴油发电机组诞生到现在的一百多年时间里，康明斯发电机组的技术发展一直与柴油发电机的技术发展及控制技术的发展密切相关。前50年技术进步相对缓慢。后50年来随着柴油发电机技术水平的快速发展和机组控制技术的不断更新换代，柴油发电机组从20世纪60年代使用的手启动、机房固定装配的普通机组，到70年代研制成功了自启动机组，80年代研制成功了微型计算机控制的自动化无人值守机组，到90年代开始研制低噪声排放的机组，2000年后注重噪声和尾气排放环境保护。较近几年，随着云计算技术的发展，康明斯发电机组智能控制也朝云监控方向发展。从而使柴油发电机组的技术设备水平不断提高，现代柴油发电机组具有灵活、方便、自动化程度高、噪声小和排放低等特征。随着科学技术的不断发展，一些新技术、新成果的应用使得现代康明斯发电机组具有更高的实用性、可靠性、安全性以及良好的环保特性，将不断满足现代社会对柴油发电机组的更高要求。

      作为一台发电机组，较重要就是柴油发电机动力部分（外形如图2所示）。柴油发电机则与柴油发电机不同，详细有两个因由。

（1）空气被单独压缩——这个程序不需要燃料，这允许更高水平的空气压缩，从而出现更高的燃料效率和更低的燃料成本。

（2）更多的压缩空气等于更热的空气。事实上，它产生了更热的空气，当添加柴油燃料时，点火是自动出现的。这意味着不需要单独的火花塞，并且减少了保养要求与次数，可以节省大量后期可能需要的维护费用。

现在，很多企业都倾向于配置柴油发电机，因为柴油发电机更可靠。事实上，自从鲁道夫·迪塞尔于1878年发明了柴油发电机，由于柴油发电机的效率极高，且柴油发电机比柴油、天然气发电机使用相同的体积的燃料，却能发生更高的效率与动力。时至今日，柴油发电机仍被认为是较有效、较具成本效益的选型，柴油发电机旨在在更长的时间里供应大量电力，而无需频繁停机。

      康明斯发电机组是一种机电一体化设备，它由柴油发电机、交流发电机和机组控制装置三大部件组成，包括前端的供油系统和后端的输配电装置，组成一个完整的电站装置。其技术涉及机械动力学、电学、自动化控制等各个领域。康明斯发电机组通常有如下构成的组件：

      以康明斯发电机规格QSL8.9系列为例，柴油发电机的基础构成包括曲柄连杆机构、配气装置、传动装置、燃油供给装置、润滑系统、冷却系统、起动系统，俗称三大装置四大装置。这些系统和系统的良好配合，是柴油发电机能够产生动力并对外输出动力的关键。

（2）主运动部件：曲轴、连杆、活塞、活塞环、飞轮、皮带轮等。 配气装置：配气定期齿轮、凸轮轴、随动臂、推杆、摇臂、摇臂轴、进气门、排气门、气门弹簧、气门导套、气门锁销、空气滤清器、涡轮增压器、消音器、中冷器等。

（4）燃油系统：燃油箱、输油泵、滤油器、油水分离器、喷油咀、喷油器等。 润滑装置：机油盘、油泵、油冷器、滤油器、活塞冷却喷嘴等。

（5）冷却系统：散热器、水泵、风扇、节温器等。 启动装置：电瓶、发电机、启动马达、启动开关、蓄电池继电器等。

      四大系统中，曲柄连杆机构发电机组厂家、配气系统和燃油供给装置，是柴油发电机的三个较基本的部分，它们互相配合，完成柴油发电机的工作循环，实现能量切换。 在操作步骤中，三者技术状态的好坏及相互之间配合的准确与否，对柴油发电机的性能具有决定性的影响。润滑装置和冷却系统为柴油发电机的辅助系统，是柴油发电机长期正常作业不可缺少的重要部分。如果润滑系统或冷却系统工作异样，那么柴油发电机就会出现损坏，也不能正常工作。

      发电机的主机是旋转磁场式，通过发电机的定子向外输出电能。发电机的转子往往有隐极与凸极两种组成型式。由于此类发电机的运转工况通常均和电网并联运行，从而对发电机的电压质量要求偏高。转子为隐极构成的发电机波形的畸变率小、正弦性好。主机励磁电流的由励磁机通过旋转的整流器来供应的，励磁机为旋转电枢式的三相同步发电机，励磁机的励磁是由发电机控制系统来供应的。

      为了提升材料利用率，采用较高的电磁负荷，所以需要增强发电机的散热能力。发电机采用轴向的通气构造，大部分损耗所产生的热量从定子铁芯传给机座，再通过内部风扇与外部环境所带来的冷却气体进行冷却。而其余的损耗热量详细是转子损耗与部分定子绕组端部的损耗，都是由内部风扇所带来的冷却气流进行冷却。

      发电机的冷却程序一般可分为自然冷却、强迫风循环冷却、自力通气冷却。自然冷却多用于1KW以下的发电机，强迫风循环冷却需在发电机和风机之间设置专门的风路，组成复杂、体积庞大，维保检修不便。中压发电机容量不是很大，选定自力通气冷却是较为合理的，将风扇安装在发电机的转轴上，风扇所消耗的功率由转轴的机械功率进行供给。

      发电机的绝缘构成所采用的材料，在温度用途下，其机械、电气、物理等性能都将会逐渐变坏，且当温度升高到一定程度时，绝缘材料的特征将会产生本质的变化，导致失去绝缘能力。

      为提高发电机的绝缘等级，发电机的电磁线级的聚酯亚胺/聚酰亚胺复合漆包圆铜线；槽的绝缘为耐热等级为180级的聚酯亚胺薄膜聚芳酰胺纤维纸柔软复合材料；引接线采用铜芯交联聚烯烃绝缘发电机绕组的引接线电缆、电线，连续运行导体的较发烫度为125℃;槽楔为耐热等级为180级的聚胺酰亚胺层压的玻璃布板：160无溶剂浸渍绝缘漆为连续真空压力绝缘。整体的绝缘耐热等级为H级，较高可允许的工作温度为180℃。于是，发电机的绝缘性能优良可靠，防潮能力强，机械强度好。

       中压无刷同步发电机一般采用单机励磁，励磁系统有三种办法：

① 可控相复励励磁：动态、稳态性能好；难于与高压发电机一体化，高低压导线混杂，可靠性差。

③ 副励磁机励磁：动态性能稍差，稳态性能好，增加副励磁机，使发电机轴向尺寸增大。

     第三种办法虽然动态性能稍差，但可靠性高，是较为可行的。因此通常在选用副励磁机励磁方案时，副励磁机为发电机监控系统所提供的工作电源，以及励磁机用的励磁电源：信号取样系统TA、TV是发电机控制面板所提供控制用的信号取样的输入。

      康明斯发电机组现场由一台主控制柜和若干发电机分控制柜构造。主控制柜使用PLC-触摸屏构成。每台柴油发电机组都配有一台专业控制屏，装在分控制柜中，负责对应发电机的起动、停机、参数采集、损坏检验，并且多台发电机之间或与大电之间自动同期并网。

    PLC是控制装置的核心，其输入信号来自ATS和上位机，输出信号给专业控制器，按照之前制定好的控制规则来控制机组的动作，满足供电线路在不同状况下的多样闭合要求，整合所有专业控制面板中的柴油发电机各项数据，以供上位机和现场触摸屏读取。上位机可通过TCP/IP或现场总线读取PLC中的数据，将机组的运行数据与状态直观显示，实施对整个系统的状态监测，同时还可实现对整个装置遥控。其中，现场总线技术已日趋成熟，如Profibus现场总线，传输距离远，通讯速率高，支持光线，非常适合在恶劣的工业环境中应用，实现实时监控作用

       康明斯发电机组有多种分类方法，按柴油发电机的转速可分为高速机组（1500~1800转速）、中速机组（1000转速）和低速机组（600转速以下）；按柴油发电机的冷却程序可分为水冷和风冷机组；按柴油发电机柴油调速方法可分为机械调速、电子调速、液压调速和电子喷油管理控制调速系统（简称电控或ECM）；按机组使用的连续性可分为长用机组和备载机组；康明斯发电机组一般采用三相交流同步无刷励磁发电机，按发电机的励磁步骤可分为自励式和他励式。

       柴油发电机组是集柴油发电机、发电机和自动控制等多个学科领域相交叉的技术。康明斯发电机组是以柴油发电机为动力的发电装置，它与主用的蒸汽发电机组、水轮发电机组、燃气涡轮发电机组、原子能发电机组等发电设备相比较，具有构成紧凑、占地面积小、热效率高、起动迅速、控制灵活以及燃料储存容易等特征。其外形平面和后视图分别如图5、图6所示。

      康明斯发电机组的单机容量从几KW至几万KW，目前国产机组较大单机容量为几千千瓦。用作发电机组、邮电、高层建筑、工矿企业、军事设施的主用、应急和备用发电机组的单机功率，可选择的容量范围大，具有适合于多种功率用电负荷的优势。

      采用康明斯发电机组作为应急和备用电源时，可采用一台或多台机组，装机功率根据实际需要灵活配置。

      配套设备结构紧凑、单位功率重量轻、装配地点灵活。康明斯发电机组的配套装置比较简单、辅助装备少、体积小、毛重轻。以高速柴油发电机为例，容量重量比一般在8～20kg/kW，而蒸汽动力装置比柴油发电机的这项指标大4倍以上。与柴油发电机组需建水坝、蒸汽机组需配置锅炉、燃料储备和水处理系统等比较，柴油发电机组具有占地面积小、建设转速快和投资费用低的优势。

      常载发电机组通常采用独立配置方法，通常不与外（市）大电并联运转。而备用发电机组或应急发电机组通常与变配电设备配合使用。机组占地面积小，装配地点灵活。

      柴油发电机是目前热效率较高的热力发电机，其有效热效率为30％～46％，高压蒸汽轮机约为20％～40％，燃气轮机约为20％～30％，因此柴油发电机组的燃油消耗较低。

      柴油发电机的起动一般只需几秒钟，在应急状态下可在1min内达到全负载运转；在正常工作状态下约在5～30min内达到全负荷，而蒸汽动力系统从起动到全负荷通常需要3～4h。柴油发电机的停机流程也很短，紧急状态可即时停机，正常状态的停机流程不超过3min，可以频繁起停。于是康明斯发电机组很适合作为应急发电机组或备用发电机组。

      因其使用非常容易，从而仅需一名使用人员，并且在备载期间的保养维保相对简易。

      柴油发电机组中的柴油发电机一般为四冲程、水冷大型康明斯发电机厂家、中高速内燃机。燃用不可再生的柴油或在柴油中掺烧乙醇、生物柴油、压缩天然气（CNG）和液化石油气（LPG）等可再生能源以节省能源和保护环境。柴油发电机燃烧后的排放物主要为CO、HC、PM（颗粒）污染环境，而且排烟噪音较大。尽管如此，康明斯发电机组与水力、风力发电机常见故障及处理、太阳能等可再生能源发电以及核能、火力发电等相比较，具有非常明显的特征：康明斯发电机组的建设与发电的综合成本较低。

      柴油发电机组是一种成套发电装置。柴油发电机电站可以是单台康明斯发电机组自成体系独立发电、供电，也可多台康明斯发电机组并列发电、供电。在这个装置中，只要保证燃油提供，就可不间断地输出电能。 在康明斯发电机组的各详细部件中，柴油发电机有着较为重要的地位，这不仅是因为柴油发电机的价值较高，而且也是由于柴油发电机是整个康明斯发电机组的心脏，在能源转换过程中发挥着主要的用途。康明斯公司认为只有优质的发电机、优质的发电机、优质的控制装置和优质的成套工艺才能结构较优质的发电机组。