CN100486101C - 变速柴油发电机 - Google Patents
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Abstract
一种变速柴油发电机，该柴油发电机包括设有工作转速可从怠速到全速之间连续调速的全程调速器的柴油机及与之同轴连接的同步发电机，其特征在于，该变速柴油发电机还设有一个将发电机产生的从低频低压到额定频率额定电压的交流电能转变成可利用的直流电能及通过对负载所需的实际功率的检测，来控制发电机的发电功率的能量转换控制器，该能量转换控制器包括直流电源转换器、中间直流储能和缓冲单元、交流电源转换器及智能能源管理及控制单元。该能量转换控制器分别与柴油机及同步发电机相连接。本发明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***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。
Description
【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***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***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ge为每千瓦小时320g，每小时耗油量GT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ge为每千瓦小时230g，每小时油耗量为GT＝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ge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***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。
为实现上述目的，本发明提供一种变速柴油发电机，该柴油发电机包括设有工作转速可从怠速到全速之间连续调速的全程调速器的柴油机及与之同轴连接的同步发电机，其特征在于，该变速柴油发电机还设有一个将发电机产生的从低频低压到额定频率额定电压的交流电能转变成可利用的直流电能及通过对负载所需的实际功率的检测，来控制发电机的发电功率的能量转换控制器，该能量转换控制器分别与柴油机及同步发电机相连接。
能量转换控制器包括把发电机产生的从低频低压到额定频率额定电压的交流电源转变成可利用的直流电源的直流电源转换器、用于向负载短时间超载补充能量的中间直流储能和缓冲单元、把中间直流电源转变成可供任何用电设备使用的电源的交流电源转换器及智能能源管理及控制单元，其中，直流电源转换器分别与同步发电机、交流电源转换器及智能能源管理及控制单元连接，中间直流储能和缓冲单元与直流电源转换器相连接，交流电源转换器分别与直流电源转换器及交流母线相连。
能量转换控制器的直流电源转换器包括三相桥式电路及转矩矢量控制电路，其中，三相桥式电路是由三相桥式连接的高频开关K1～K6及与之反并联的续流二极管D1～D6构成，各高频开关的控制极与转矩矢量控制电路连接，并与输入线路中的发电机的电感L相连接，续流二极管D1～D6与高频开关K1～K6相并接；所述转矩矢量控制电路是把交流电动机的定子电流分成励磁电流及转距电流进行控制以达到与直流电动机同等控制性能的电路。也只有采用了矢量控制方法才能实现电机的转矩控制，从而控制发电功率。
中间直流储能和缓冲单元为储能缓冲电容C1，它与直流电源转换器的桥式电路的输出侧相连接。
所述交流电源转换器包括电源逆变电路、电压检测电路、自动电压调节电路及脉冲发生电路，其中，电源逆变电路由按照三相逆变桥方式连接的多个高频开关K7～K12和续流二极管D7～D12组成，电压检测电路并接于自动电压调节电路与交流母线L2之间，脉冲发生电路与电源逆变电路连接，电源逆变电路输入端连接直流母线L1，输出端与交流母线L2相连接。
智能能源管理及控制单元包括功率传感模块及智能控制模块，其中，功率传感模块与直流母线L1相连接，采集直流电压和电流信号，做为功率控制的依据；智能控制模块储存有该柴油机的特性数据的数学模型，分别与直流电源转换器的转矩矢量控制电路、功率传感模块、柴油机及同步发电机连接，根据检测到的负载实际功率按照最优的控制方法，控制柴油机的转速、直流能源转换器的转距，从而控制了发电机的发电功率。
本发明的贡献在于，它有效解决了传统柴油发电机只能工作在最高转速附近而导致能耗高，效率低等问题，因而具有如下显著特点：
一、本发明的能量转换控制器可使柴油机能根据其工作特性和负载的情况，始终运行在最经济的工况，彻底消除了现有柴油机在中低负荷时也运行在高油耗低效率的高转速的弊病，因此可大大降低燃油消耗，对间歇性负载，或者负荷变化比较大的负载及位能负载，最多可节省超过50％的燃料消耗，且通过超级电容作为能量缓冲调节，节能可能达到70％。
二、由于避免了在低效率的高速下运行，因而大大减少了烟气排放，明显降低了噪音污染。
三、由于避免了长期在高速下运行，使得柴油机各部分工作强度降低，磨损及故障率大为减小，因此大大延长了柴油机的使用寿命并减少了维修的工作量。
四、由于设置了中间直流储能和缓冲单元，可有效减小柴油发电机容量，最多可减小一半，因此大幅度减少了设备投资并提高了设备负荷能力。
五、智能能源管理及控制单元确保了使用的高效性。
【附图说明】
图1是现有技术中反映耗油率和转速关系的一种柴油机的万有特性曲线。
图2是本发明的实施例1的整体结构框图。
图3是本发明的实施例1的能量转换控制器电路原理图。
图4是能量转换控制器的直流电源转换器的一相的电路原理图。
图5是能量转换控制器的直流电源转换器工作过程示意图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。
参阅图2，本发明的变速柴油发电机包括柴油机10、同步发电机20及能量转换控制器30，其中，柴油机10与同步发电机20同轴连接，且柴油机是可以商购获得的带有全程调速器的柴油机，其全程调速器可使柴油机的工作转速从怠速到全速之间连续调节。全程调速器是由电信号控制进行自动调速。同步发电机20在柴油机驱动下，能在从怠速到全速范围内稳定运行，产生不同电压、不同频率的交流电源，将其输出到能量变换控制器。例如，假设柴油机的怠速为750转/分，额定转速是1500转/分，同步发电机是4极，发电机额定电压400V，额定频率50HZ。部分负荷时，柴油机可以在750—1500转/分之间的任何转速下稳定运转且可由全程调速器连续无级调节。
本发明的要点在于，该变速柴油发电机还设有一个能量转换控制器30，该能量转换控制器可将发电机产生的从低频低压到额定频率额定电压的交流电能转变成可利用的直流电能及通过对负载所需的实际功率的检测，来控制发电机的发电功率。更具体地，如图3所示，能量转换控制器30包括直流电源转换器31、中间直流储能和缓冲单元32、交流电源转换器33及智能能源管理及控制单元34，其中，直流电源转换器31结构如图3、工作等效原理如图4所示，它包括三相桥式电路311及转矩矢量控制电路312，本例中，三相桥式电路311是由六个三相桥式连接的高频开关K1～K6及与之反并联的续流二极管D1～D6构成，本例中，高频开关采用大功率绝缘栅双极晶体管，高频开关K1～K6的控制极与转矩矢量控制电路312连接，并与输入线路中的发电机的电感L(见图6)相连接，电感L是发电机定子绕组的电感。续流二极管D1～D6与高频开关K1～K6反并接。该三相桥式电路311用于将发电机产生的从低频低压到额定频率额定电压的交流电源转变成可利用的直流电源。三相桥式电路的输入端与发电机交流电源连接，输出端与直流母线连接。所述转矩矢量控制电路312是把交流电动机的定子电流分成励磁电流及转距电流进行控制以达到与直流电动机同等控制性能的电路，它是通过矢量控制算法实现的。它用于对交流电动机的矢量控制。矢量控制是实现交流电动机的高速响应化的控制方式。这种方式把交流电动机的定子电流分成励磁电流及转距电流分别进行控制以达到与直流电动机同等控制性能的方式。这种方式适用于需要高速响应，高精度的用途，在本发明中则使用这种控制方式实现转距控制，达到控制发电功率的目的。也就是通过对高频开关K的控制深度的调节控制发电机的发电功率。其等效工作原理如图4，图4中，K代表图3中的K1～K6，D代表图3中的D1～D6。由于发电机定子绕组是电感元件，当发电机产生的电压Ui通过高频开关K动作时，开关从闭合状态突然高速断开，在电感上产生一个很高的感应电压UL，这个电压的大小为UL＝LdI/dt，这个电压通过续流电路，既续流二极管D向中间直流储能缓冲电容C充电，使电容上的电压UC上升，不管Ui的电压再低，我们都可以通过高频开关电路将其泵升为大于UC的电压，向电容充电，使缓冲电容电压升高，另外我们可以通过对高频开关K的控制深度，控制向电容充电电流的大小，也就是控制了发电机的发电功率，这就是能量变换器的工作原理。图5给出了实际电路中的工作过程其中一相的工作过程，图5中实线是高频开关K5导通时电流的路径，虚线是高频开关K5突然断开时电流的路径。图4中的C1是中间直流能源缓冲的电容，它与直流电源转换器31相连接。所述交流电源转换器33结构如图3所示，它包括电源逆变电路331及电压检测电路332，其中电源逆变电路331由自动电压调节电路3311及SPWM脉冲发生电路3312构成，所述电源逆变电路331与直流电源转换器的三相桥式电路311相同，它由按照三相逆变桥方式连接的多个高频开关K7～K12和续流二极管D7～D12组成，输入为直流电源，输出为交流电源，电源逆变电路输入端与直流母线L1连接，输出端与交流母线L2相连接。电压检测电路332并接于自动电压调节电路333与交流母线L2之间，从交流输出母线L2上采集输出电压信号并经过处理后的信号送到自动电压调节电路3311作为实际电压反馈信号，自动电压调节电路根据实际电压反馈值和给定值，经过控制运算，送到SPWM脉冲发生电路。本例中SPWM脉冲发生电路为正弦波脉宽调制电路，它与电源逆变电路的高频开关K7～K12的控制极连接。所述自动电压调节电路3311相当于UPS电源的逆变部分，它的作用是把DC450V-780V的中间直流电压，通过逆变电路转换成稳定的的交流电源，供负载使用。交流电源转换器33的电压和频率是三相380V(考虑线路损失，有的发电机输出400V)、50Hz，也可是单相220V、50Hz，也可以按世界各国或各种特殊设备提供所需的电压和频率的交流电源、以适应该地区用电设备的需要。所述电压检测电路332可采用常规电路，它并接于自动电压控制电路3311与交流母线L2之间。所述智能能源管理及控制单元34包括功率传感模块341及储存有该柴油机的特性数据的智能控制模块342，如图3，功率传感模块341与直流母线L1相连接，采集直流电压和电流信号，做为功率控制的依据，智能控制模块342分别与直流电源转换器的转矩矢量控制电路312、功率传感模块341及柴油机10及同步发电机20连接。该智能能源管理及控制单元34根据所述柴油机的特性数据和功率传感模块测得的实际功率的大小来调节柴油机的工作转速，调节直流能量转换器的转矩从而控制了发电机的发电功率，使其在满足输出功率要求的前提下在尽可能低的转速下工作，从而保证获得最低的耗油率和最高的经济性。具体地说，该智能能源管理及控制单元是通过对负载所需的实际功率的检测，来控制发电机的发电功率，当负载功率增大时，会引起中间直流电压下降，可通过控制能量转换控制器的发电功率的大小，使中间直流储能和缓冲单元32的缓冲储能电容上的电压保持稳定，使柴油机在该功率下，根据柴油机的特性曲线，控制柴油机的转速，使其工作在最经济的工况。由于每台柴油机的特性都不相同，要想使柴油机工作在理想的经济工作状态，需要把不同的柴油机特性转化为便于控制运算的数字信息输入到智能控制模块342中，智能能源管理及控制单元从柴油机的特性数据中计算出所需功率及耗油率最低的转速作为工作转速向柴油机发出调节指令，由全程调速器执行，实现对该变速柴油发电机最佳且最经济的控制。所以对应每一种不同的柴油机，智能能源管理控制单元都有一套对应该柴油机特性的数学模型软件以及完成控制柴油发电机组启动、停止、安全运行及保护的控制软件。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但是本发明的范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各构件可用所属技术领域人员了解的相似或等同元件来替换。
Claims (3)
1、一种变速柴油发电机，包括设有工作转速可从怠速到全速之间连续调速的全程调速器的柴油机(10)及与之同轴连接的同步发电机(20)，其特征在于，该变速柴油发电机还设有一个将发电机产生的从低频低压到额定频率额定电压的交流电能转变成可利用的直流电能及通过对负载所需的实际功率的检测，来控制发电机的发电功率的能量转换控制器(30)，该能量转换控制器分别与柴油机(10)及同步发电机(20)相连接；所述能量转换控制器(30)包括把发电机产生的从低频低压到额定频率额定电压的交流电源转变成可利用的直流电源的直流电源转换器(31)、用于向负载短时间超载补充能量的中间直流储能和缓冲单元(32)、把中间直流电源转变成可供任何用电设备使用的电源的交流电源转换器(33)及智能能源管理及控制单元(34)，其中，直流电源转换器(31)分别与同步发电机(20)、交流电源转换器(33)及智能能源管理及控制单元(34)连接，中间直流储能和缓冲单元(32)与直流电源转换器(31)相连接，交流电源转换器(33)分别与直流电源转换器(31)及交流母线相连；所述中间直流储能和缓冲单元(32)为储能缓冲电容C1，它与直流电源转换器(31)的高频开关K1～K6相连接，通过对高频开关的控制深度的调节控制发电机的发电功率；所述智能能源管理及控制单元(34)包括储存有该柴油机的特性数据的功率传感模块(341)及智能控制模块(342)，其中，功率传感模块(341)与能量转换控制器(30)的直流母线(L1)相连接，智能控制模块(342)分别与直流电源转换器的转矩矢量控制电路(312)、功率传感模块(341)及柴油机(10)及同步发电机(20)连接。
2、如权利要求1所述的变速柴油发电机，其特征在于，所述能量转换控制器的直流电源转换器(31)包括三相桥式电路(311)及转矩矢量控制电路(312)，其中，三相桥式电路(311)是由三相桥式连接的高频开关K1～K6及与之反并联的续流二极管D1～D6构成，各高频开关的控制极与转矩矢量控制电路(312)连接，并与输入线路中的发电机的电感L相连接，续流二极管D1～D6与高频开关K1～K6相并接；所述转矩矢量控制电路(312)是把交流电动机的定子电流分成励磁电流及转距电流进行控制以达到与直流电动机同等控制性能的电路。
3、如权利要求1所述的变速柴油发电机，其特征在于，所述交流电源转换器(33)包括电源逆变电路(331)、电压检测电路(332)、自动电压调节电路(333)及脉冲发生电路(334)，其中，电源逆变电路(331)由按照三相逆变桥方式连接的多个高频开关K7～K12和续流二极管D7～D12组成，电压检测电路(332)并接于自动电压调节电路(333)与交流母线(L2)之间，脉冲发生电路(334)与电源逆变电路(331)连接，电源逆变电路输入端连接直流母线(L1)，输出端与交流母线(L2)相连接。
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