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　　這兩種機器安裝在同一底座上,二者結合在一起共同工作的關鍵是兩機之間的連接。發動機的曲軸與發電機的轉子軸是它們唯一的連接部分,這也是安裝技術的難點。為了盡量減少由于連接成一體而增加的摩擦損耗,提高能量的傳輸效率。現代柴油發電機組普遍是把同步發電機的轉子軸通過法蘭、端蓋,與柴油發動機曲軸端頭的飛輪上的罩殼定位止口直接相連，以保證兩軸的同心度。同時，這兩個部件之間還采用圓柱型的彈性聯軸器傳動機械能，帶動發電機轉子軸旋轉。

　　為使組合在同一底盤上的這兩臺工作原理和性能截然不同的機器,協調一致地高效率工作,必須有一個指揮中心。這就是柴油發電機組的控制柜(屏)。它通過電纜將二者聯系起來形成一個信息統一體。不僅控制它們的工作狀態,而且實時監測它們的工作參數,給出各種指揮它們工作的指令。同時,還可與外界的相關設備、負荷,甚至管理人員建立起交互界面。控制柜就是這樣成為柴油發電機組的指揮中心。

　　1 控制裝置的特點

　　柴油發電機組隨著其輸出功率的由小到大,控制柜也由簡單到復雜。隨著電子技術的發展,為控制柜不斷地采用新技術改進其性能和品質提供了有利的條件。現代柴油發電機組的控制柜,除功率很小的機組外,基本上都是以微處理器或可編程控制器(PLC)為核心構成的智能化控制設備。因此也就實現了對柴油發電機組各種運行數據的智能化、數字化處理。這就比從前的柴油發電機組靠模擬量指示儀表和繼電器控制方式,要自動、快捷、精確得多。其更為突出的特點是:以脈沖編碼為基礎的數字化信息流,要比連續的模擬量有更強的抗干擾能力。再加之利用軟件進一步提升信息流的純正性。從而使控制柜即使安裝在發電機和柴油發動機的附近,也能經受電磁場和高溫的干擾而穩定可靠地工作。

　　以16位或32位微處理器為核心的控制柜,可實現柴油發電機組的全自動運行,并實時顯示各種運行參數。還可上互聯網遠程監控或進行無線遙控。人機交互也是它的一個特點;用戶可根據需要設置一些指令,讓柴油發電機組的運行更符合自己的愿望。控制柜內采用的CAN總線數據傳輸系統,符合ISO(國際標準化組織)標準,它是一組有較高安全性的有效支持實時分配命令的通訊協議。其優點在于高速度的網絡應用、高可靠性的信息傳遞和低成本的接線。柴油發電機組通過它,將許多部位的傳感器送來的各種運行數據送入微處理器。再將其分析、處理結果,以指令形式送達相應的調節部件進行調控。使柴油發電機組處于最佳的工作狀態之中。

　　2 控制柜的功能

　　雖然各廠家出品的柴油發電機組控制柜(屏)形式各不相同,但其功能都大同小異;一般20kVA以下的機組因其輸出功率小、結構簡單。控制柜的功能也相應簡單實用,多以指示儀表和手動按鈕為主,發電機的輸出控制開關也在柜上。30kVA以上的機組普遍采用的是以數字化、智能化為核心的控制柜。

　　2.1 普通控制柜

　　這種控制柜用于不并聯運行的柴油發電機組, 常安裝在30～2500kVA各種容量的柴油發電機機組上,控制面板(屏)一般的樣式如圖1所示。

　　(1)控制面板(屏)介紹

　　面板可分為左、中、右三部分:

　　①左上角是控制柜的開啟鍵ON。其下面15個鍵作為編程用:其中0～9這10個鍵可輸入數字。 M鍵選擇模式,ESC鍵用于換碼,←→兩個鍵是瀏覽主頁或根據選擇的模式左右移動鍵入的數字,V鍵做確認。

　　②中間部分上面的LCD顯示屏,可顯示8行21個字符。它可實時指示柴油發電機組運行中的許多參數。

　　以下是各種操作鍵:AUTO是機組自動運行鍵,當控制柜與市電/發電機組自動切換柜(ATS)連接以后,柴油發電機組即根據ATS的指令動作:市電正常,機組不工作;市電中斷，機組即刻起動。STOP停機鍵，可手動停機。TEST試驗、測試鍵,按動它以后，就可以用MANU手動鍵起動柴油發電機組，對其運行狀況進行測試。RESET是機組排除故障以后的復位鍵。它的右邊就是面板上的所有LED小指示燈的測試鍵。按一下它，所有的小燈會依次亮一下，以此測試指示燈是否工作正常。

　　③面板右邊部分的上面,是實時運行參數的測量功能區:它的U/V鍵,用作查看同步發電機的輸出電壓。按動它,LCD顯示屏即刻指示線電壓U及相電壓V的實時測量值。觸動I鍵,則顯示同步發電機A、B、C三相各自輸出的相電流。F鍵是選擇在LCD屏上查看輸出頻率的。它旁邊的柴油發電機組運行狀態測量鍵,可看到柴油發動機的轉速、運行時間和機組起動用蓄電池組的電壓。這四個測量按鍵下面的8個小指示燈,從它們各自右邊的示意圖就得知是一些運行/安全指示燈。按照縱向排列的順序,從上到下,先左排后右排,它們的功能分別是:A.油壓(機油)異常;B.水溫(冷卻液)異常;C.不能起動(柴油發電機組);D.超速(機組轉速);E.加載準備(可接入負荷);F.充電失效(對啟動用蓄電池);G.一般報警;H.一般故障。在柴油發電機組運行過程中,只要出現這8種情況則相應的指示燈就會亮起或閃爍。這8個運行/安全指示燈下面的兩個鍵，是控制同步發電機輸出端的空氣斷路器用的，按I鍵使空氣斷路器閉合，O鍵使其分開。

　　(2)控制柜的功能

　　控制面板(屏)是個人機交互界面:界面上的這些功能,其實是由控制柜內安裝的以16位微處理器或可編程控制器為核心的控制板所提供的。信息分析、處理迅速精確的控制板,其功能除了面板上的這些按鍵和指示燈已經提供的以外,還有:

　　①控制功能

　　·機組手動或自動起動不成功控制;機組第一次起動不成功,可隔30s左右再起動一次,若仍不成還可以第三次起動。三次起動均失敗,控制電路禁止再起動柴油機機組。

　　·機組起動成功,發電機正常發電,控制主開關合閘向負載送電。市電恢復后,控制主開關分閘脫離負載。

　　②保護功能

　　·過流保護:當負載電路出現過流現象時,主開關分閘。

　　·短路保護:出現短路時,主開關即刻分閘,切斷回路。

　　·過壓/欠壓保護:發電機輸出電壓高于或低于標準值范圍時,主開關自動分閘;電壓恢復正常后,主開關自動合閘。

　　·當柴油機出現低油壓、高水溫、超速等異常時自動停機。

　　·當啟動用蓄電池電壓達到最低值時，自動停機。

　　③其它功能

　　·按日期存儲機組運行狀態記錄。

　　·與柴油發動機電子調速器和同步發電機的AVR的CAN總線連接。

　　·RS232或RS485通訊接口。

　　2.2 并聯機組用控制柜

　　普通控制柜具有多項測控功能,完全滿足柴油發電機組單機運行的需要。這歸功于作為核心的16位微處理器。

　　對于需要兩臺或多臺同時并聯運行的柴油發電機組，則是以32位微處理器為核心構成的控制柜。它除了包含普通控制柜的全部功能外，還增加了更為完備的測控內容。突出特點是：它以最快的速度在并聯運行的各機組之間精確地傳遞著相關參數和指令。以確保最多8臺機組并聯運行或與市電并網。并聯機組用的一種控制柜面板如圖2所示。

　　(1) 面板的各項功能

　　①左邊的F1～F6六個帶有LED小指示燈的按鍵,可根據用戶的需要編程后設定其功能。例如F1、F2分別設定為發動機每分鐘的轉數上升、下降。F6設定為強制試機。為了方便操作,每個鍵的功能標簽置于它的旁邊。需要時按下鍵,機組即可響應。

　　②面板的右邊是12個LED小指示燈,同樣可根據需要,對每個燈閃亮所代表的現象進行定義和編程。例如:最上面的第1個燈定義為并聯機組之間協議停機。最下面的第12個燈定義為控制柜接通電源。為了清楚，每個燈的右邊用標簽表明其指示的現象。機組出現了情況，則相應的小燈就會亮起來。

　　③面板中間部分:上面是LCD顯示屏,可查看幾臺柴油發電機組并聯運行狀態下,本機的實時工作參數。通過四向鍵可選擇所關注的數據。除此而外,還可用數字鍵、字母鍵對F1～F6按鍵和12個LED指示燈的功能進行編程和定義。

　　(2)并機控制柜的特點

　　①CAN1總線連接數字輸入和模擬/數字(A/D)輸入模塊。以取得電壓(U為線電壓,V為相電壓)、電流(I為相電流,In為零線電流)、頻率(F)、溫度(機油、冷卻液溫度)、發動機轉速等同步發電機和柴油發動機的實時工作參數。這些在LCD顯示屏上也都可以看到。這些參數經32位微處理器分析、運算后，以數字指令形式通過數字輸出模塊調控相應機構，使機組保持在預設定的工作狀態中。

　　CAN2總線專門用于與柴油發動機的電子調速器進行信息交換。因為在并聯運行機組中,實時調控發動機的轉速有著重要的作用。

　　R485串行通訊口用在與其并聯的機組之間通信,使每臺柴油發電機組都運行在預置好的各項參數之中。

　　②無論幾臺柴油發電機組構成并聯運行體制,前提條件是它們各自的輸出電壓瞬時值、頻率和瞬時相位都必須相同,并與控制柜預置好的相應數據一致。

　　并聯工作的柴油發電機組無論是作為冗余還是增容應用,在其額定的負荷范圍內,允許帶動電阻性、電容性、電感性或兼而有之被稱作電抗性的負荷。但是,負荷必須平均分配到每一臺機組上,這是并聯工作體系能否成功運行的關鍵。

　　純電阻性負荷消耗了發電機輸出的電流,將其轉化為熱能,所以稱為有功功率(P)。在這里電壓和電流是同相的,相角φ=0。而純電容性或純電感性的負荷,發電機輸出的電能在這種負荷上并不消耗,而是隨著輸出電壓變化一周的同時,上半周轉換成電場或磁場能量,下半周再以電流的形式向電路釋放,所以稱這時發電機輸出的是無功功率。這類負荷上的電流和電壓并不同相,而是超前(電容)或滯后(電感)90°。

　　在大多數情況下,并聯運行的柴油發電機組帶的都是電抗性負荷。這就要求并聯中的每臺機組不僅要均分有功功率,也必須均分無功功率。

　　并機控制柜,將采集到的瞬時電壓、電流、頻率等信號,經過32位微處理器的分析和運算,求出功率因數cosφ、有功功率P、無功功率Q(這些都可以在LCD屏上看到)。進而判斷P和Q在各機組之間是否均分;哪一臺P得不到均分,則控制柜就對發動機的電子調速器發出指令,調節其轉速,改變發電機的輸出頻率,以達到P的均分。若某臺機組Q得不到均分,那么控制柜發出指令,變化同步發電機勵磁系統的電壓調節器的輸出電流,使發電機輸出電壓的幅值變化,以獲得對Q的均分。這就是所謂的“有功調頻,無功調幅”。當然,這種調節和并聯機組中各機的瞬時電壓、頻率和相位實時保持一致,是相輔相成的。

　　3 柴油發電機組的電氣裝置

　　柴油發電機組除了控制柜外,還安裝有一些附屬電氣裝置,對保障機組的隨時起動、安全運行起著重要的作用。

　　3.1 空氣斷路器

　　柴油發電機組的同步發電機輸出的電能,需要有一個控制裝置,來管理它是否向負荷送電。除此而外,該裝置還能對負荷電路上出現的過載(負荷電流超過發電機的額定電流)、短路和欠壓(負荷引起輸出電壓低過額定電壓)等現象執行自動切斷電路,以保護發電機組。

　　這個裝置就是比僅有對電路接通(開)和關斷作用的普通電氣開關多出了對電源自動保護功能的空氣斷路器。這種斷路器用于低壓電路。它的接通和斷開電路的兩個觸頭(動觸頭與靜觸頭),就是在空氣中接觸或分開動作的,動作中產生的電弧由滅弧柵消除。而不像用于高壓電路的斷路器要用油、惰性氣體或真空來滅弧,所以叫做空氣(中工作的)斷路器俗稱“空開”。

　　它們的結構形式和對電路過流、欠壓的響應范圍,因要適應各種場合中電路的需要,而種類繁多。但其工作原理都大同小異。在柴油發電機組這個領域,常用塑殼式(也稱裝置式)和框架式(也稱萬能式)空氣斷路器作為同步發電機電能輸出的開關。一般550kVA以下的機組采用塑殼式空氣斷路器,這種斷路器每種規格的產品對欠壓、過載和短路電流的響應值是固定的,它們通常安裝在柴油發電機組的控制柜下面。而650kVA以上的機組則常用框架式空氣斷路器,它們是由幾個功能模塊在框架內裝配而成的,每個模塊對過載、短路和欠壓的響應范圍不同,這樣就可以根據對電路保護的需要,靈活組合模塊,使用方便。因為它們控制的電路電流都在630A以上,所以體積和重量都較大,當然其性能也更為優越,為此,被安裝在一個單獨的柜子里,稱為電力控制柜。

　　空氣斷路器主要由可以儲能的開關和與其有牽連的脫扣器構成。所謂儲能開關,就是它的接通和分斷電路的動觸頭,是由與脫扣器有連帶關系的可以儲能(即彈簧的壓縮或拉伸)的彈簧機構驅動的。靠彈簧的彈性能量動作的觸頭動作迅速,接觸可靠。脫扣器則是可以立即改變彈簧的壓縮或拉伸狀態,使其帶動觸頭動作的機構。其核心是電磁線圈及銜鐵連桿。負荷電路中的過載、短路和欠壓都會使電路的電流發生突變,其結果必然是電磁線圈及銜鐵連桿強力動作,牽動開關的彈簧機構使觸頭跳閘,起到保護柴油發電機組的作用。這個工作過程可用圖3的示意圖表示。

　　發電機工作后,電磁線圈A得電,吸住銜鐵并將彈簧壓縮儲能。合閘時,電動或手動使線圈A斷電,彈簧即刻彈起,帶著動觸頭壓住靜觸頭。電磁線圈B取電于負荷電路,過載、短路和欠壓都會使線圈B通過超大的電流并產生強大的電磁力吸住銜鐵。從而使彈簧再次被壓縮,動觸頭與靜觸頭分離,保護柴油發電機組。

　　3.2 電起動裝置

　　柴油發電機組通常采用由蓄電池供電的直流電動機起動。工作原理如圖4所示。

　　起動時,用鑰匙將3、2兩點接通。蓄電池組(一般200kVA以下的機組,用兩塊12V、100Ah或150Ah串聯成一組。也有的進口機組用的是12V起動電機,只用一塊電池。200kVA以上機組,則常用一組12V、200Ah電池或兩組12V、150Ah電池并聯)正極經過按鈕開關和電磁鐵線圈接向起動電機(一般是24V、5～10kW串激直流電機),負極則直接連到電機的負極。按下按鈕開關,電磁鐵得電吸合銜鐵,推出起動電機齒輪與柴油發動機飛輪齒圈相嚙合,帶動飛輪旋轉,使柴油發電機組起動。然后將鑰匙回位,3、1兩點接通。電磁鐵失電放開銜鐵,起動電機齒輪隨之脫開飛輪齒圈。