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柴油發電機模型的建立

文章出處:未知人氣:發表時間:2018-08-17 16:25【
2.1柴油發電機的組成  
作為內燃發電機的一種,柴油發電機是一種中小型獨立發電機設備,應用廣泛。根據不同的應用場合,柴油發電機的組成會略有不同,但柴油發電機均包括柴油機、三相同步發電機、電能輸出設備和控制器這四個主要部分。機組還包括聯軸器、公共底座、燃油箱等部分。某些特殊應用的柴油發電機還需裝配密封箱體、消聲器、散熱水箱、照明設備和機體加熱器等設備。

柴油發電機中最重要的是柴油機與三相同步發電機兩個部分。柴油機主要由六部分組成,它們分別是燃料供給與調節系統、曲軸連桿系統、配氣系統,輔助系統和機體組件。三相同步發電機主要由三相同步發電機本體和勵磁裝置兩部分構成[11]。

2.2柴油機無差特性模型的建立

由于柴油機本身結構復雜,影響因數眾多,就目前的實驗條件與技術水平不可能對柴油機進行精確的建模。柴油發電機用的柴油機對轉速要求嚴格,與一般柴油機在建模過程中略有不同。這種柴油機以轉速為輸出量,在發生擾動時以盡快恢復轉速為目的。建立的柴油機模型應能夠滿足與實際柴油機具有相同的動靜態特性,并滿足調速需求。故可以在以下4個假設的基礎上建立柴油機的模型:

(1)忽略柴油機進氣量對柴油機燃燒的影響,即認定柴油機氣缸內柴油燃燒充分。

(2)柴油機各個氣缸的燃燒效率完全相同。

(3)柴油機輸出的轉速、轉矩在柴油機不同沖程中輸出是完全相同的,不受柴油機曲軸運動的非線性過程影響。

(4)柴油機是以轉速為輸出量,輸出轉矩、功率隨負載的變化而變化。通過控制油門的大小可以控制柴油機轉速。在柴油機受到擾動后,通過控制油門的大小可以使柴油轉速恢復。


在建模過程中可以將柴油機分為四個部分進行建模:柴油機轉速傳感器,油門執行器驅動機構及其執行器,燃燒和熱力環節,柴油機本體。柴油機與調速裝置結合構成完整的柴油機調速系統,如圖 2-1 所示。
 
2.2.1柴油機轉速傳感器模型的建立

柴油機轉速傳感器按工作原理的不同主要分為磁感應式、光電式、磁阻效應式、霍爾效應式等幾種類型。其中磁阻效應式與霍爾效應式轉速傳感器在柴油機轉速測量中應用的最多。這兩種轉速傳感器具有轉速測量精度高,輸出信號可以直接被電子調速器捕獲,安裝簡單,性能可靠等優點。本章基于磁阻效應式轉速傳感器的工作原理建立轉速傳感器的模型。

磁阻效應式轉速傳感器的工作原理如圖2-2所示。傳感器主要由信號齒輪、極靴、線圈和永磁鐵等幾個部分組成。信號齒輪安裝在柴油發電機的曲軸上,傳感器固定在支架上并使極靴對準信號齒輪,使極靴與信號齒輪齒頂在齒輪徑向上保持一定的間隙。當柴油機曲軸旋轉運行時,極靴交替經過信號齒輪的齒頂與齒根,極靴與信號齒輪的間隙發生周期性的變化,引起極靴與信號齒輪間磁阻的周期性變化。當極靴與齒頂重合時,極靴與信號齒輪之間的磁阻最小;當極靴與齒根重合時,極靴與信號齒輪之間的磁阻最大。從而引起線圈內部磁感應強度的周期性變化,于是在線圈兩端產生上下對稱、周期性變化的信號,即輸出的電動勢。


 
2.4同步發電機和勵磁模型的建立

在MATLAB中已經有詳細同步發電機模型,只需將參數輸入即可。本節主要建立柴油發電機的勵磁模型。

2.4.1柴油發電機勵磁系統分類柴油發電機上配備的勵磁系統種類較多,基本上同步發電機的勵磁系統都可以用做柴油發電機的勵磁系統。由于柴油發電機與一般大型同步發電機應用場合不同,柴油發電機勵磁裝置仍有其自身特點。


除滿足一般勵磁裝置的基本要求外,柴油發電機勵磁裝置還應具備以下特點:

(1)為了便于柴油發電機的安裝和使用,勵磁裝置應盡可能少地占用空間。

(2)柴油發電機組容量相對較小,當受到負荷干擾時,機組的電壓波動要比電網的波動大很多。柴油發電機勵磁裝置能夠對擾動快速響應,恢復電壓的能力必須比一般的勵磁裝置強。

(3)柴油發電機經常作為備用電源或電網力所不及地方的動力電源,沒有其它電源可供柴油發電機勵磁裝置使用,故其勵磁裝置應選用自勵方式。現代柴油發電機常用的勵磁方式有:自帶同軸直流勵磁機勵磁,相復勵勵磁,無刷勵磁,三次諧波勵磁,其中最常用的為相復勵勵磁方式。

2.4.2相復勵勵磁系統模型的建立

目前柴油發電機上所用的相復勵勵磁裝置大多為無刷相復勵勵磁,無刷相復勵勵磁系統由同步發電機、勵磁機、整流器和控制器組成,如圖2-6所示[18]
   
柴油發電機調速器是保證柴油發電機穩定運行的最重環節。柴油機速度直接影響同步發電機的頻率,頻率的波動會導致柴油發電機端電壓、有功功率、無功功率的變化,影響整個系統的穩定性。

3.1柴油機發電機調速器分類

柴油發電機調速器可以按調速器的形式和控制器輸入/輸出量的數量進行分類。

一、柴油機發電機調速器按調速器的形式可以分為以下三類[22]:

(1)機械式調速器。機械式調速器及直接作用式調速器,它主要利用轉速傳感器與油門間的機械杠桿進行調速。這種調速器精度和靈敏度較低,但結構簡單,易于維修。

(2)液壓式調速器。液壓式調速器及間接作用式調速器,它先將轉速信號轉換后傳輸給驅動機構,控制液壓放大機構,再通過放大機構控制油門大小。與機械式調速器相比,調速性能和驅動性能有較大提高。

(3)電子式調速器。顧名思義,電子調速器就是將轉速信號傳輸給電子調速設備,利用電子調速設備內部的算法和硬件電路,實現對油門大小的控制。這種調速器調速精度和靈敏度都很高,現代柴油發電機調速系統多采用這種調速器。

二、柴油機發電機調速器按控制器輸入量的數量可以分為以下兩類:

(1)單輸入系統。單輸入系統以轉速為唯一考慮因素,建立轉速的單回路控制系統。這種控制系統將柴油的轉速系統與發電機的電氣系統割裂開來考慮,系統調速性能相對較低。

(2)多輸入系統。多輸入系統以轉速、發電機電壓、電流等參數為輸入量,將柴油的轉速系統與發電機電壓、電流等參數的耦合關系也作為考慮量,能夠更好地根據負載的變化做出相應調節,調速性能相對較高。

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