柴油發(fā)電機(jī)帶超前負(fù)載能力和LAM模塊技術(shù)
發(fā)布時(shí)間：2024-06-08 點(diǎn)擊：106
柴油發(fā)電機(jī)帶超前負(fù)載能力和lam模塊技術(shù)
針對(duì)idc數(shù)據(jù)中心動(dòng)輒幾萬(wàn)kw的功率要求，傳統(tǒng)的低壓發(fā)電機(jī)并機(jī)輸出的額定電流之和已經(jīng)突破了匯流銅排和斷路器的額定電流極限（一般為6400a），在400～690v的低壓系統(tǒng)無(wú)法滿足要求的情況下，現(xiàn)代idc數(shù)據(jù)中心對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的要求往高壓、大容量和多機(jī)并機(jī)的方向發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)更高可靠性，往往在傳統(tǒng)控制技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)展出了發(fā)電機(jī)組的冗余控制，甚至發(fā)電機(jī)的avr自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器需要具備主備兩套avr，自動(dòng)互為備用或者采用多通道智能數(shù)字化dvr配置運(yùn)行，當(dāng)發(fā)電機(jī)組控制器、avr故障或dvr其中一個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到備用發(fā)電機(jī)組控制器、avr或dvr另一個(gè)通道運(yùn)行，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
另外，針對(duì)idc數(shù)據(jù)中心大容量空調(diào)壓縮主機(jī)電動(dòng)機(jī)首次單步突加負(fù)載的要求以及美國(guó)nfpa110等消防法規(guī)對(duì)首次單步突加負(fù)載能力（負(fù)載接受能力）的要求，發(fā)電機(jī)廠家都有針對(duì)性地推出了解決方案，像pmg和輔助繞組等傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合快速發(fā)展的數(shù)字技術(shù)，發(fā)展出了利萊森瑪?shù)呢?fù)載接收模塊（load acceptance module，lam）技術(shù)、康明斯發(fā)電機(jī)技術(shù)、cgt和巴斯勒basler的dwell技術(shù)，以下以利萊森瑪?shù)膌am技術(shù)舉例說(shuō)明：
一、柴油發(fā)電機(jī)組帶載能力的定義
柴油發(fā)電機(jī)組最大帶載能力是指機(jī)組的額定功率，也就是所有能帶的負(fù)載的總功率，在這個(gè)功率下無(wú)過(guò)載能力，每年運(yùn)行時(shí)間不能超過(guò)200小時(shí)。
帶負(fù)載能力，就是代表器件的輸出電流的大小。 帶負(fù)載能力是指，外接器件后，輸出的電壓或電流大小不受影響的能力。 內(nèi)阻越小，能夠輸出大功率的潛力就越大. 這還要看負(fù)載配不配合。要求負(fù)載電阻大，能夠輸出電壓大，這并不能說(shuō)明它的帶載能力就強(qiáng)，相反，在負(fù)載電阻很小的情況下，它也能輸出很大的電壓，這才是帶載能力強(qiáng)。
柴油發(fā)電機(jī)組功率足夠的前提下，發(fā)電機(jī)在超負(fù)荷的情況下也會(huì)保證足夠的轉(zhuǎn)速，這時(shí)候發(fā)電機(jī)的繞組電流超過(guò)了額定值，會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重，直至燒毀！
二、發(fā)電機(jī)的負(fù)載接收模塊（lam）技術(shù)
由于現(xiàn)代柴油機(jī)均采用渦輪增壓技術(shù)，升功率越來(lái)越大，氣缸的平均有效壓力（bmep）也越來(lái)越大，突然加大負(fù)載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)瞬間大幅度降低，每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)的渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速會(huì)降低更多，依靠渦輪增壓器進(jìn)行壓氣的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量會(huì)降低較多，即使調(diào)速系統(tǒng)快速反應(yīng)，加大噴油量，但由于進(jìn)氣量不能及時(shí)跟上，噴入氣缸的燃油不能完全燃燒，大部分燃油變成黑煙排放浪費(fèi)了，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率增加有限，因而需要固有的恢復(fù)時(shí)間。與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油機(jī)恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速需要更長(zhǎng)的時(shí)間，如果在發(fā)電機(jī)的調(diào)壓系統(tǒng)不考慮柴油機(jī)的這一特性，不考慮柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的反應(yīng)時(shí)間存在較大差異這一因素，不考慮從優(yōu)化發(fā)電機(jī)組整體電氣指標(biāo)，只片面追求發(fā)電機(jī)自身的電氣指標(biāo)，那么應(yīng)通過(guò)瞬時(shí)增加勵(lì)磁電流將輸出電壓快速恢復(fù)到額定值。如前所述，由于現(xiàn)代大功率柴油機(jī)普遍采用渦輪增壓技術(shù)而存在的固有滯后效應(yīng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是無(wú)法像發(fā)電機(jī)那樣快速恢復(fù)到額定值的，而柴油機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速是成比例的，瞬間就增加了勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)，輸出電壓也瞬間達(dá)到甚至超過(guò)額定值，實(shí)時(shí)功率需求基本等于甚至大于額定功率了，被拖慢的柴油機(jī)的輸出功率肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定功率，在存在比較大的瞬間功率缺口的情況下，柴油機(jī)的瞬間轉(zhuǎn)速會(huì)進(jìn)一步拖低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)纤馈⑼C(jī)，發(fā)電機(jī)輸出電壓會(huì)再次跌落，形成幾次反復(fù)，從而輸出不穩(wěn)定的電壓，相對(duì)于快速穩(wěn)定電壓的初衷，可謂欲速則不達(dá)，lam正是解決了柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)協(xié)同工作，應(yīng)對(duì)突加負(fù)載的一項(xiàng)技術(shù)。
當(dāng)lam檢測(cè)到頻率下降超過(guò)額定電壓值的4％左右時(shí)（可設(shè)置），lam會(huì)改變傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的avr，試圖瞬間大幅增大勵(lì)磁電流，提高輸出電壓到額定電壓甚至輸出電壓過(guò)沖（超過(guò)額定輸出電壓），令增壓柴油機(jī)的負(fù)載不減反升，導(dǎo)致柴油機(jī)不堪重負(fù)，最終死火或者轉(zhuǎn)速崩潰，對(duì)此應(yīng)針對(duì)增壓型柴油機(jī)因高速增壓器的轉(zhuǎn)速下降較多，增壓器進(jìn)氣量短時(shí)間嚴(yán)重不足，即使油門(mén)開(kāi)到最大，柴油機(jī)輸出功率也無(wú)法快速增加，導(dǎo)致提速較慢的機(jī)械特點(diǎn)，采取先逐步提高勵(lì)磁電流，使電壓保持在一個(gè)既對(duì)柴油機(jī)起到減載緩沖的效果，同時(shí)又不會(huì)影響負(fù)載正常工作的較低輸出電壓值。由于發(fā)電機(jī)輸出功率（p＝（uxu）/r），因此發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載（即發(fā)電機(jī)的輸出）相應(yīng)成二次方地降低，從而幫助發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在較低的負(fù)載水平下迅速恢復(fù)轉(zhuǎn)速，增壓器的轉(zhuǎn)速恢復(fù)到正常額定轉(zhuǎn)速之后，柴油機(jī)的進(jìn)氣量才能達(dá)到額定的設(shè)計(jì)水平，此時(shí)柴油機(jī)才有可能輸出額定功率，等增壓型柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速慢慢恢復(fù)到額定值之后，再次逐步增大勵(lì)磁電流，從而恢復(fù)輸出電壓至額定值，從輸出電壓波形圖中可以明顯看到，有l(wèi)am功能的發(fā)電機(jī)的輸出電壓不會(huì)像沒(méi)有l(wèi)am功能的發(fā)電機(jī)的輸出電壓那樣，即電壓有效值波形幅值在上下振蕩多次之后慢慢收斂，而是在瞬間跌落之后，等轉(zhuǎn)速接近或達(dá)到額定值之后，逐步恢復(fù)到額定電壓值。
lam電位器一般有兩檔設(shè)置，即8％和15％。當(dāng)設(shè)置8％時(shí)，若瞬間突加大負(fù)載，柴油機(jī)承受的負(fù)載減少值大約是額定值的（100％-8％）的二次方，即84.64％，相當(dāng)于實(shí)際加載到柴油機(jī)的負(fù)載減少值相當(dāng)于負(fù)載銘牌容量的15％；若設(shè)置15％，若瞬間突加大負(fù)載，柴油機(jī)承受的負(fù)載減少值大約是額定值的（100％-15％）的二次方，即72.25％，相當(dāng)于實(shí)際加載到柴油機(jī)的負(fù)載減少值為負(fù)載銘牌容量的28％，通過(guò)發(fā)電機(jī)的lam值的優(yōu)化設(shè)定，找到發(fā)電機(jī)電壓快速恢復(fù)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速恢復(fù)的最佳平衡點(diǎn)，柴油機(jī)的性能和發(fā)電機(jī)的性能才能完全匹配，達(dá)到發(fā)電機(jī)組的最佳輸出性能。
l公司的lam的專利技術(shù)，能幫助發(fā)動(dòng)機(jī)在突加負(fù)載時(shí)快速恢復(fù)轉(zhuǎn)速，從而滿足電壓降和頻率降幅值和恢復(fù)時(shí)間的要求，輕松應(yīng)對(duì)gb2820標(biāo)準(zhǔn)中g(shù)3性能等級(jí)要求。
三．發(fā)電機(jī)帶超前負(fù)載能力
針對(duì)數(shù)據(jù)中心的容性負(fù)載，通過(guò)采用較大的定子繞組線圈的截面積，以成型繞組代替散嵌繞組等技術(shù)工藝，降低發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電抗，降低發(fā)電機(jī)的pq運(yùn)行特性曲線的粗實(shí)線拐點(diǎn)的功率因數(shù)，即提高發(fā)電機(jī)能夠承擔(dān)的最高容性負(fù)載比例，例如通過(guò)采用各種工藝，使發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電抗由2.5p．u．降低到2.0p．u．，發(fā)電機(jī)的pq運(yùn)行特性曲線粗實(shí)線拐點(diǎn)的功率因數(shù)由超前0.97降低到超前0.92。
柴油發(fā)電機(jī)的典型帶載特性曲線（發(fā)電機(jī)的pq運(yùn)行特性曲線）如圖1所示。
發(fā)電機(jī)的pq運(yùn)行特性曲線
通常柴油發(fā)電機(jī)組帶容性負(fù)載能力較弱，而且呈快速衰減回縮。在輕載模式下，要盡量減少發(fā)電機(jī)組的帶容性負(fù)載，當(dāng)容性負(fù)載小于20％時(shí)，上升速率較為平穩(wěn)，在發(fā)電機(jī)的處理能力之內(nèi)。如果大于30％，則面臨較大的過(guò)電壓的風(fēng)險(xiǎn)。
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另外，針對(duì)idc數(shù)據(jù)中心大容量空調(diào)壓縮主機(jī)電動(dòng)機(jī)首次單步突加負(fù)載的要求以及美國(guó)nfpa110等消防法規(guī)對(duì)首次單步突加負(fù)載能力（負(fù)載接受能力）的要求，發(fā)電機(jī)廠家都有針對(duì)性地推出了解決方案，像pmg和輔助繞組等傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合快速發(fā)展的數(shù)字技術(shù)，發(fā)展出了利萊森瑪?shù)呢?fù)載接收模塊（load acceptance module，lam）技術(shù)、康明斯發(fā)電機(jī)技術(shù)、cgt和巴斯勒basler的dwell技術(shù)，以下以利萊森瑪?shù)膌am技術(shù)舉例說(shuō)明：
一、柴油發(fā)電機(jī)組帶載能力的定義
柴油發(fā)電機(jī)組最大帶載能力是指機(jī)組的額定功率，也就是所有能帶的負(fù)載的總功率，在這個(gè)功率下無(wú)過(guò)載能力，每年運(yùn)行時(shí)間不能超過(guò)200小時(shí)。
帶負(fù)載能力，就是代表器件的輸出電流的大小。 帶負(fù)載能力是指，外接器件后，輸出的電壓或電流大小不受影響的能力。 內(nèi)阻越小，能夠輸出大功率的潛力就越大. 這還要看負(fù)載配不配合。要求負(fù)載電阻大，能夠輸出電壓大，這并不能說(shuō)明它的帶載能力就強(qiáng)，相反，在負(fù)載電阻很小的情況下，它也能輸出很大的電壓，這才是帶載能力強(qiáng)。
柴油發(fā)電機(jī)組功率足夠的前提下，發(fā)電機(jī)在超負(fù)荷的情況下也會(huì)保證足夠的轉(zhuǎn)速，這時(shí)候發(fā)電機(jī)的繞組電流超過(guò)了額定值，會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重，直至燒毀！
二、發(fā)電機(jī)的負(fù)載接收模塊（lam）技術(shù)
由于現(xiàn)代柴油機(jī)均采用渦輪增壓技術(shù)，升功率越來(lái)越大，氣缸的平均有效壓力（bmep）也越來(lái)越大，突然加大負(fù)載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)瞬間大幅度降低，每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)的渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速會(huì)降低更多，依靠渦輪增壓器進(jìn)行壓氣的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量會(huì)降低較多，即使調(diào)速系統(tǒng)快速反應(yīng)，加大噴油量，但由于進(jìn)氣量不能及時(shí)跟上，噴入氣缸的燃油不能完全燃燒，大部分燃油變成黑煙排放浪費(fèi)了，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率增加有限，因而需要固有的恢復(fù)時(shí)間。與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油機(jī)恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速需要更長(zhǎng)的時(shí)間，如果在發(fā)電機(jī)的調(diào)壓系統(tǒng)不考慮柴油機(jī)的這一特性，不考慮柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的反應(yīng)時(shí)間存在較大差異這一因素，不考慮從優(yōu)化發(fā)電機(jī)組整體電氣指標(biāo)，只片面追求發(fā)電機(jī)自身的電氣指標(biāo)，那么應(yīng)通過(guò)瞬時(shí)增加勵(lì)磁電流將輸出電壓快速恢復(fù)到額定值。如前所述，由于現(xiàn)代大功率柴油機(jī)普遍采用渦輪增壓技術(shù)而存在的固有滯后效應(yīng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是無(wú)法像發(fā)電機(jī)那樣快速恢復(fù)到額定值的，而柴油機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速是成比例的，瞬間就增加了勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)，輸出電壓也瞬間達(dá)到甚至超過(guò)額定值，實(shí)時(shí)功率需求基本等于甚至大于額定功率了，被拖慢的柴油機(jī)的輸出功率肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定功率，在存在比較大的瞬間功率缺口的情況下，柴油機(jī)的瞬間轉(zhuǎn)速會(huì)進(jìn)一步拖低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)纤馈⑼C(jī)，發(fā)電機(jī)輸出電壓會(huì)再次跌落，形成幾次反復(fù)，從而輸出不穩(wěn)定的電壓，相對(duì)于快速穩(wěn)定電壓的初衷，可謂欲速則不達(dá)，lam正是解決了柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)協(xié)同工作，應(yīng)對(duì)突加負(fù)載的一項(xiàng)技術(shù)。
當(dāng)lam檢測(cè)到頻率下降超過(guò)額定電壓值的4％左右時(shí)（可設(shè)置），lam會(huì)改變傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的avr，試圖瞬間大幅增大勵(lì)磁電流，提高輸出電壓到額定電壓甚至輸出電壓過(guò)沖（超過(guò)額定輸出電壓），令增壓柴油機(jī)的負(fù)載不減反升，導(dǎo)致柴油機(jī)不堪重負(fù)，最終死火或者轉(zhuǎn)速崩潰，對(duì)此應(yīng)針對(duì)增壓型柴油機(jī)因高速增壓器的轉(zhuǎn)速下降較多，增壓器進(jìn)氣量短時(shí)間嚴(yán)重不足，即使油門(mén)開(kāi)到最大，柴油機(jī)輸出功率也無(wú)法快速增加，導(dǎo)致提速較慢的機(jī)械特點(diǎn)，采取先逐步提高勵(lì)磁電流，使電壓保持在一個(gè)既對(duì)柴油機(jī)起到減載緩沖的效果，同時(shí)又不會(huì)影響負(fù)載正常工作的較低輸出電壓值。由于發(fā)電機(jī)輸出功率（p＝（uxu）/r），因此發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載（即發(fā)電機(jī)的輸出）相應(yīng)成二次方地降低，從而幫助發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在較低的負(fù)載水平下迅速恢復(fù)轉(zhuǎn)速，增壓器的轉(zhuǎn)速恢復(fù)到正常額定轉(zhuǎn)速之后，柴油機(jī)的進(jìn)氣量才能達(dá)到額定的設(shè)計(jì)水平，此時(shí)柴油機(jī)才有可能輸出額定功率，等增壓型柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速慢慢恢復(fù)到額定值之后，再次逐步增大勵(lì)磁電流，從而恢復(fù)輸出電壓至額定值，從輸出電壓波形圖中可以明顯看到，有l(wèi)am功能的發(fā)電機(jī)的輸出電壓不會(huì)像沒(méi)有l(wèi)am功能的發(fā)電機(jī)的輸出電壓那樣，即電壓有效值波形幅值在上下振蕩多次之后慢慢收斂，而是在瞬間跌落之后，等轉(zhuǎn)速接近或達(dá)到額定值之后，逐步恢復(fù)到額定電壓值。
lam電位器一般有兩檔設(shè)置，即8％和15％。當(dāng)設(shè)置8％時(shí)，若瞬間突加大負(fù)載，柴油機(jī)承受的負(fù)載減少值大約是額定值的（100％-8％）的二次方，即84.64％，相當(dāng)于實(shí)際加載到柴油機(jī)的負(fù)載減少值相當(dāng)于負(fù)載銘牌容量的15％；若設(shè)置15％，若瞬間突加大負(fù)載，柴油機(jī)承受的負(fù)載減少值大約是額定值的（100％-15％）的二次方，即72.25％，相當(dāng)于實(shí)際加載到柴油機(jī)的負(fù)載減少值為負(fù)載銘牌容量的28％，通過(guò)發(fā)電機(jī)的lam值的優(yōu)化設(shè)定，找到發(fā)電機(jī)電壓快速恢復(fù)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速恢復(fù)的最佳平衡點(diǎn)，柴油機(jī)的性能和發(fā)電機(jī)的性能才能完全匹配，達(dá)到發(fā)電機(jī)組的最佳輸出性能。
l公司的lam的專利技術(shù)，能幫助發(fā)動(dòng)機(jī)在突加負(fù)載時(shí)快速恢復(fù)轉(zhuǎn)速，從而滿足電壓降和頻率降幅值和恢復(fù)時(shí)間的要求，輕松應(yīng)對(duì)gb2820標(biāo)準(zhǔn)中g(shù)3性能等級(jí)要求。
三．發(fā)電機(jī)帶超前負(fù)載能力
針對(duì)數(shù)據(jù)中心的容性負(fù)載，通過(guò)采用較大的定子繞組線圈的截面積，以成型繞組代替散嵌繞組等技術(shù)工藝，降低發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電抗，降低發(fā)電機(jī)的pq運(yùn)行特性曲線的粗實(shí)線拐點(diǎn)的功率因數(shù)，即提高發(fā)電機(jī)能夠承擔(dān)的最高容性負(fù)載比例，例如通過(guò)采用各種工藝，使發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電抗由2.5p．u．降低到2.0p．u．，發(fā)電機(jī)的pq運(yùn)行特性曲線粗實(shí)線拐點(diǎn)的功率因數(shù)由超前0.97降低到超前0.92。
柴油發(fā)電機(jī)的典型帶載特性曲線（發(fā)電機(jī)的pq運(yùn)行特性曲線）如圖1所示。
發(fā)電機(jī)的pq運(yùn)行特性曲線
通常柴油發(fā)電機(jī)組帶容性負(fù)載能力較弱，而且呈快速衰減回縮。在輕載模式下，要盡量減少發(fā)電機(jī)組的帶容性負(fù)載，當(dāng)容性負(fù)載小于20％時(shí)，上升速率較為平穩(wěn)，在發(fā)電機(jī)的處理能力之內(nèi)。如果大于30％，則面臨較大的過(guò)電壓的風(fēng)險(xiǎn)。
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