[发明专利]变速柴油发电机

说明书

【技术领域】

本发明涉及柴油发电机，特别是涉及一种可控制柴油机在低转速大转矩的经济状态稳定工作，从而保证系统输出的电源的电压和频率符合负载的要求的变速柴油发电机。

【背景技术】

柴油发电机组属自备交流电站设备的一种类型，是一种中小型独立发电设备。由于它具有机动灵活，投资较少，随时可启动等特点，因而广泛应用于采矿采油钻井平台，筑路，野外施工，国防工程和移动供电设备如内燃机车，港口轮胎式龙门集装箱吊车乃至工厂企业、大的机关单位等。

由柴油发电机组供电的大多数用电负荷都是在不断变化的，在不同的时间段负荷也不一样，且经常在轻负荷下工作。尤其在钻井平台，港口起重设备等以电动机为主要负载的系统中，多台电动机一般不会同时运行，发电机组负荷变化很大。另外在位能负载设备，如起重设备中，电动机启动电流很大，往往达到电机额定电流的1.5～2倍，为了能快速启动，提高工作效率，柴油发电机组的容量需加大，否则会因过载而造成严重冒黑烟甚至到柴油发电机组堵转停车，造成重大事故。

柴油发电机组的动力源是柴油机，它的一个重要特性是低速运转时的耗油率比高速时要低。耗油率与转速的关系由图1示出，图1是一种典型柴油机(4100QB型，额定功率为60KW)的万有特性曲线。如图示，柴油机如果工作在3000转/分左右，其耗油率g_e为每千瓦小时320g，每小时耗油量G_T为6400g。当负载为1/3左右，也就是发电机输出20KW功率时，如果把速度降到1400r/min，同样输出20KW功率，这时的耗油率g_e为每千瓦小时230g，每小时油耗量为G_T＝230×20＝4600g，比工作在3000r/min时，节油率约为30％。如果负荷率更低的话，节油效果还要高。这是因为随着转速的增加，充气系数降低，燃烧不完全，致使有效热效率下降，耗油率g_e随之上升。当负载增加到90％后，再增加负载，供油量大幅增加，燃烧条件极度恶化到柴油机开始冒黑烟，造成环境污染，且容易使活塞及燃烧室积炭。由于补燃增加，也易使发动机过热而引起故障。为降低油耗，现代柴油机都设置了全程调速器，通过人为地控制其转速从怠速到全速之间连续调节，以便能在轻载时以尽可能低的转速运行，从而最有效地获得最佳的经济性。

然而，对现有柴油发电机来说，其柴油机必须固定在最高转速下运行，这是因为各国的用电设备所需的交流电源电压和频率都是固定不变的。我国绝大多数用电设备的电源标准都是3相380V/50Hz或者单相220V/50Hz，所以要求柴油发电机输出的电压标准也是3相380V，50Hz或者单相220V、50Hz，否则用电设备就无法使用。这也就要求柴油机工作速度要稳定在一个转速，其波动范围有严格标准。根据柴油机发电机组的国家标准：当负载在0-100％范围内渐变或突变时，I-III类柴油发电机组的电压波动不得大于±1～±3％，机组输出频率波动不得大于0.5～3％，IV类机组的输出电压和频率波动不得超过±5％，而发电机输出的电压和频率直接取决于其转速，所以柴油机的转速必须稳定在这个指标以内，或者说其工作转速必须严格地稳定在与工频相关联的一个转速，如两极电机是3000转/分，四极电机是1500转/分，六极电机是1000转/分等等。为保证柴油机的最大负荷能力，这一工作转速必须是该柴油机正常工作的最高转速，此时的耗油率很高，经济性很差。而现有机组都是采用柴油机和同步发电机的同轴连接，且发电机所发的电的电压和频率未经处理直接输出到用电器，所以柴油机也只能工作在最高转速附近。如图1所示，当柴油机工作在高速区时，即处于大负荷运行时，柴油机工作在经济工作区域。当柴油机工作在小负荷区域时，其工作则极不经济，尤其是柴油机功率越大，其能耗越高，这是由于大功率柴油机在小负荷工作时，其机械效率和热效率都急剧下降。只有将柴油发电机组控制在小转速大转矩的工作状态下，柴油机才能工作在小负荷高效率的经济工作状态。但这种工作状态对于传统的柴油发电机组来说是致命的和不允许的，因为柴油机在低速工作时，同步发电机产生的电动势即电压太低，频率也太低，用电设备根本无法使用。

【发明内容】

本发明旨在解决上述问题，而提供一种可使柴油机在低转速大转矩的经济状态稳定工作，从而保证系统输出的电源的电压和频率符合负载的要求，并降低燃油消耗，减少废气排放的变速柴油发电机。