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柴油发电机模型的建立

文章出处:未知人气:发表时间:2018-08-17 16:25【
2.1柴油发电机的组成  
作为内燃发电机的一种,柴油发电机是一种中小型独立发电机设备,应用广泛。根据不同的应用场合,柴油发电机的组成会略有不同,但柴油发电机均包括柴油机、三相同步发电机、电能输出设备和控制器这四个主要部分。机组还包括联轴器、公共底座、燃油箱等部分。某些特殊应用的柴油发电机还需装配密封箱体、消声器、散热水箱、照明设备和机体加热器等设备。

柴油发电机中最重要的是柴油机与三相同步发电机两个部分。柴油机主要由六部分组成,它们分别是燃料供给与调节系统、曲轴连杆系统、配气系统,辅助系统和机体组件。三相同步发电机主要由三相同步发电机本体和励磁装置两部分构成[11]。

2.2柴油机无差特性模型的建立

由于柴油机本身结构复杂,影响因数众多,就目前的实验条件与技术水平不可能对柴油机进行精确的建模。柴油发电机用的柴油机对转速要求严格,与一般柴油机在建模过程中略有不同。这种柴油机以转速为输出量,在发生扰动时以尽快恢复转速为目的。建立的柴油机模型应能够满足与实际柴油机具有相同的动静态特性,并满足调速需求。故可以在以下4个假设的基础上建立柴油机的模型:

(1)忽略柴油机进气量对柴油机燃烧的影响,即认定柴油机气缸内柴油燃烧充分。

(2)柴油机各个气缸的燃烧效率完全相同。

(3)柴油机输出的转速、转矩在柴油机不同冲程中输出是完全相同的,不受柴油机曲轴运动的非线性过程影响。

(4)柴油机是以转速为输出量,输出转矩、功率随负载的变化而变化。通过控制油门的大小可以控制柴油机转速。在柴油机受到扰动后,通过控制油门的大小可以使柴油转速恢复。


在建模过程中可以将柴油机分为四个部分进行建模:柴油机转速传感器,油门执行器驱动机构及其执行器,燃烧和热力环节,柴油机本体。柴油机与调速装置结合构成完整的柴油机调速系统,如图 2-1 所示。
 
2.2.1柴油机转速传感器模型的建立

柴油机转速传感器按工作原理的不同主要分为磁感应式、光电式、磁阻效应式、霍尔效应式等几种类型。其中磁阻效应式与霍尔效应式转速传感器在柴油机转速测量中应用的最多。这两种转速传感器具有转速测量精度高,输出信号可以直接被电子调速器捕获,安装简单,性能可靠等优点。本章基于磁阻效应式转速传感器的工作原理建立转速传感器的模型。

磁阻效应式转速传感器的工作原理如图2-2所示。传感器主要由信号齿轮、极靴、线圈和永磁铁等几个部分组成。信号齿轮安装在柴油发电机的曲轴上,传感器固定在支架上并使极靴对准信号齿轮,使极靴与信号齿轮齿顶在齿轮径向上保持一定的间隙。当柴油机曲轴旋转运行时,极靴交替经过信号齿轮的齿顶与齿根,极靴与信号齿轮的间隙发生周期性的变化,引起极靴与信号齿轮间磁阻的周期性变化。当极靴与齿顶重合时,极靴与信号齿轮之间的磁阻最小;当极靴与齿根重合时,极靴与信号齿轮之间的磁阻最大。从而引起线圈内部磁感应强度的周期性变化,于是在线圈两端产生上下对称、周期性变化的信号,即输出的电动势。


 
2.4同步发电机和励磁模型的建立

在MATLAB中已经有详细同步发电机模型,只需将参数输入即可。本节主要建立柴油发电机的励磁模型。

2.4.1柴油发电机励磁系统分类柴油发电机上配备的励磁系统种类较多,基本上同步发电机的励磁系统都可以用做柴油发电机的励磁系统。由于柴油发电机与一般大型同步发电机应用场合不同,柴油发电机励磁装置仍有其自身特点。


除满足一般励磁装置的基本要求外,柴油发电机励磁装置还应具备以下特点:

(1)为了便于柴油发电机的安装和使用,励磁装置应尽可能少地占用空间。

(2)柴油发电机组容量相对较小,当受到负荷干扰时,机组的电压波动要比电网的波动大很多。柴油发电机励磁装置能够对扰动快速响应,恢复电压的能力必须比一般的励磁装置强。

(3)柴油发电机经常作为备用电源或电网力所不及地方的动力电源,没有其它电源可供柴油发电机励磁装置使用,故其励磁装置应选用自励方式。现代柴油发电机常用的励磁方式有:自带同轴直流励磁机励磁,相复励励磁,无刷励磁,三次谐波励磁,其中最常用的为相复励励磁方式。

2.4.2相复励励磁系统模型的建立

目前柴油发电机上所用的相复励励磁装置大多为无刷相复励励磁,无刷相复励励磁系统由同步发电机、励磁机、整流器和控制器组成,如图2-6所示[18]
   
柴油发电机调速器是保证柴油发电机稳定运行的最重环节。柴油机速度直接影响同步发电机的频率,频率的波动会导致柴油发电机端电压、有功功率、无功功率的变化,影响整个系统的稳定性。

3.1柴油机发电机调速器分类

柴油发电机调速器可以按调速器的形式和控制器输入/输出量的数量进行分类。

一、柴油机发电机调速器按调速器的形式可以分为以下三类[22]:

(1)机械式调速器。机械式调速器及直接作用式调速器,它主要利用转速传感器与油门间的机械杠杆进行调速。这种调速器精度和灵敏度较低,但结构简单,易于维修。

(2)液压式调速器。液压式调速器及间接作用式调速器,它先将转速信号转换后传输给驱动机构,控制液压放大机构,再通过放大机构控制油门大小。与机械式调速器相比,调速性能和驱动性能有较大提高。

(3)电子式调速器。顾名思义,电子调速器就是将转速信号传输给电子调速设备,利用电子调速设备内部的算法和硬件电路,实现对油门大小的控制。这种调速器调速精度和灵敏度都很高,现代柴油发电机调速系统多采用这种调速器。

二、柴油机发电机调速器按控制器输入量的数量可以分为以下两类:

(1)单输入系统。单输入系统以转速为唯一考虑因素,建立转速的单回路控制系统。这种控制系统将柴油的转速系统与发电机的电气系统割裂开来考虑,系统调速性能相对较低。

(2)多输入系统。多输入系统以转速、发电机电压、电流等参数为输入量,将柴油的转速系统与发电机电压、电流等参数的耦合关系也作为考虑量,能够更好地根据负载的变化做出相应调节,调速性能相对较高。

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