未來發(fā)電機(jī)新技術(shù)應(yīng)用
在過去的三十年間,大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)從無到有,形成了現(xiàn)在的復(fù)雜系統(tǒng),而系統(tǒng)數(shù)據(jù)并不總是帶來最有價(jià)值的信息。從r&d(研究與開發(fā))的觀點(diǎn)看,這種做法是有意義的。另一方面,為了滿足客戶的需求,我們必須注意現(xiàn)實(shí)中的日常運(yùn)行約束條件。本文通過一個(gè)案例分析,闡明大多數(shù)新技術(shù)所不能檢測出的主要問題,可通過相對簡單的監(jiān)控來避免它的出現(xiàn)。事實(shí)上,在操作像發(fā)電機(jī)這類的機(jī)械時(shí),我們需要區(qū)分這類設(shè)備的保護(hù)和維護(hù)。用于保護(hù)的儀器應(yīng)能夠找出設(shè)備出現(xiàn)的預(yù)兆,而健康分析應(yīng)提供對設(shè)備的診斷發(fā)電機(jī)的新技術(shù)和應(yīng)用包括新型的發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、控制技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)。
一、現(xiàn)代發(fā)電機(jī)的智能化
發(fā)電機(jī)技術(shù)的升級換代,傳統(tǒng)的有刷勵(lì)磁技術(shù)已經(jīng)被無刷勵(lì)磁技術(shù)取代,avr(analoguevoltage regulator,模擬式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器)也有逐漸被dvr(digital automatic voltage regula-tor,數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器)取代的趨勢,像有些廠家已經(jīng)全系列采用數(shù)字式dvr,甚至出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)的數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(dvr)集成了基本的發(fā)電機(jī)組控制管理功能,形象地說,即發(fā)電機(jī)的數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(dvr)相當(dāng)于一個(gè)簡單的智能發(fā)電機(jī)組控制器功能(control-ler)加上固有的電壓調(diào)節(jié)器功能(regulator)。發(fā)電機(jī)的核心控制技術(shù)向柴油機(jī)的ems(elec-tronic management system,電子管理技術(shù))合并,越來越智能,它帶來的好處是顯而易見的,就是發(fā)電機(jī)組成套廠家goem在發(fā)電機(jī)組成套時(shí),就好像連接柴油機(jī)的ems與智能發(fā)電機(jī)組控制器樣,只需要簡單地連接少量的通信線,無需再安裝繁雜的電流互感器ct,電壓互感器pt及溫度檢測rtd等信號(hào),無需安裝發(fā)電機(jī)故障等報(bào)警信號(hào),也無需再安裝電壓微調(diào)和電壓下垂等控制線,所有的發(fā)電機(jī)監(jiān)測控制參數(shù)均可共享發(fā)電機(jī)本身的電壓、電流和溫度采集硬件設(shè)備,通過通信線與智能發(fā)電機(jī)組控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,由智能發(fā)電機(jī)組控制器采集顯示,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互hmi功能,甚至在控制要求不高的通用應(yīng)用場合,完全可以起到智能發(fā)電機(jī)組控制器的功能,只需將柴油機(jī)的控制及信號(hào)線接入數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器contreg,即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組參數(shù)監(jiān)控的目的,為發(fā)電機(jī)組成套廠家goem節(jié)省大量成本,另外由于元器件更少,整個(gè)系統(tǒng)更加簡潔,故障率也大幅下降,可靠性大大提高。
無刷發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
二、云端大數(shù)據(jù)的分析和新產(chǎn)品開發(fā)中的客戶交互
發(fā)電機(jī)的數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(dvr)已經(jīng)普及采用,其本身已經(jīng)具備rs485 或者j1939智能通信接口,借助于現(xiàn)代化的gps對時(shí)、云監(jiān)控計(jì)算技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù),既可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)的云監(jiān)控功能,也能夠?qū)崿F(xiàn)客戶實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的精確采集,為售后服務(wù)提供有力工具。另外,通過后臺(tái)進(jìn)行云端數(shù)據(jù)的采集和分析,現(xiàn)代idc數(shù)據(jù)中心急需的電源、ups和空調(diào)等設(shè)備的協(xié)同工作問題就解決了。同時(shí),借助云端大數(shù)據(jù)分析,客戶的使用和個(gè)性化需求都能夠在設(shè)計(jì)階段考慮到,真正做到為各個(gè)細(xì)分市場客戶量身定制。
1.效率越來越高
發(fā)電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置,本身不產(chǎn)生任何能量,因此能量的轉(zhuǎn)換效率顯得至關(guān)重要。在年運(yùn)行時(shí)間200h以下的備用電站應(yīng)用場合,效率的提升可能不是考慮的首要條件,但在7x24h長行電站應(yīng)用場合,效率提升即意味著相較于低效率發(fā)電機(jī)產(chǎn)生同樣的電力時(shí),高效率發(fā)電機(jī)可以節(jié)省大量燃油,即節(jié)省較多的發(fā)電運(yùn)營成本,高效率發(fā)電機(jī)多出來的一次性采購成本很快能夠回本,后期節(jié)省的燃油成本就變成了實(shí)實(shí)在在的利潤。
設(shè)計(jì)也是從各種方面提高效率:
1)在20kw以下的小功率發(fā)電機(jī)應(yīng)用中,一般采用無刷無軸承的外轉(zhuǎn)子盤式中頻永磁發(fā)電機(jī),由于沒有電刷和軸承的機(jī)械摩擦的損耗,也不存在非永磁發(fā)電機(jī)那樣的勵(lì)磁能量損耗,因此效率能夠從傳統(tǒng)的80%以下提高到90%以上,另外,由于磁極數(shù)從傳統(tǒng)的不超過6個(gè)增加到了16個(gè)磁極以上,但是中頻輸出電源不能直接接入工頻交流負(fù)載或直流負(fù)載,需要配合現(xiàn)代pwm 高頻開關(guān)整流等電能變換技術(shù),將發(fā)電機(jī)中頻輸出電源轉(zhuǎn)換為工頻交流輸出或直流輸出,像最近比較流行的智能數(shù)碼發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)所采用的中頻發(fā)電機(jī),在發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間均采用了此技術(shù)。
2)在大功率發(fā)電機(jī)應(yīng)用中,由于機(jī)械極限限制,在小功率發(fā)電機(jī)上常見的外轉(zhuǎn)子、無軸承和永磁勵(lì)磁的設(shè)計(jì)均無法再采用,轉(zhuǎn)而采用優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)、磁路設(shè)計(jì)和冷卻通風(fēng)設(shè)計(jì)等方面來提升效率,例如某品牌發(fā)電機(jī)通過精確計(jì)算定子繞組全工況下所需的散熱量,利用現(xiàn)代先進(jìn)的溫度監(jiān)控技術(shù),采用隨定子繞組溫度變化,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的新穎冷卻通風(fēng)設(shè)計(jì),將大功率發(fā)電機(jī)的效率提升到98%以上,比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)效率高2%左右,節(jié)能效果顯著。
下面以k公司的超高效率(laminar cross flow lcf)層流橫流技術(shù)的高效率發(fā)電機(jī)為例說明:功率在1500kw及以上時(shí)效率可高達(dá)98%以上,是該功率段發(fā)電機(jī)世界的最高水平。
創(chuàng)新之處包括取消發(fā)電機(jī)軸帶的機(jī)械式冷卻風(fēng)扇,取而代之的是由一組電子風(fēng)扇組成的冷卻風(fēng)扇模組,能夠降低50%的發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)扇消耗功率。
k公司的lcf高效率發(fā)電機(jī)在繞組中產(chǎn)生的熱量其實(shí)和kato公司的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量差不多,但是新型的流線型的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì),改善了繞組中的冷卻空氣流體學(xué)路徑,避免了空氣擾流產(chǎn)生的額外功率損耗,保證了發(fā)電機(jī)繞組中熱量聚集區(qū)的熱量及時(shí)散熱,因此發(fā)電機(jī)繞組工作溫較低,保證了繞組的運(yùn)行壽命。
lcf高效率發(fā)電機(jī)目前可提供1000~4000kw,1500~1800r/min。另外,高達(dá)15000kw,750r/min的低轉(zhuǎn)速高效率發(fā)電機(jī)也在開發(fā)過程中。
lcf 高效率發(fā)電機(jī)特別適合燃?xì)獍l(fā)電機(jī)和分布式能源等長行或連續(xù)運(yùn)行工況。
2.功率體積比越來越大
隨著非晶等新材料技術(shù)和多極永磁中頻發(fā)電機(jī)技術(shù)的成熟應(yīng)用,現(xiàn)代發(fā)電機(jī)在同等功率輸出下,已經(jīng)可以做到體積更小,重量更輕,更加適用于方艙電站、超級靜音發(fā)電機(jī)組和便攜等安裝空間受限的應(yīng)用場合。
3.與風(fēng)能、太陽能、儲(chǔ)能等綠色新能源技術(shù)和柴油機(jī)的隨輸出功率變化的無級變速節(jié)能等新技術(shù)的配合
風(fēng)能、太陽能等綠色新能源技術(shù)的快速發(fā)展,發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能的工作需要配合風(fēng)能、太陽能的輸出,采用先進(jìn)控制策略,以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、太陽能的最大綜合利用,降低能耗,實(shí)現(xiàn)tco(total cost of operation,總運(yùn)行成本)的降低。這些應(yīng)用特別在偏遠(yuǎn)的無人值守基站更加具備優(yōu)勢,采用傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)方式,一方面是巨額的燃油成本,另一方面由于勞動(dòng)力成本不斷上漲,運(yùn)行維護(hù)成本也越來越高,通過多種能源綜合利用的系統(tǒng)化的能量轉(zhuǎn)換和控制邏輯,總體上減少發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間,優(yōu)化發(fā)電機(jī)的帶載性能,能夠大大降低油耗和運(yùn)行維護(hù)成本。
(1)康明斯發(fā)電技術(shù)有限公司(cgt)vsig稀土永磁發(fā)電機(jī)(后節(jié)中詳述)
(2)l公司的lsavs dc48v可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)
l公司的lsavs dc48v 可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的外形如圖3-1所示,主要技術(shù)參數(shù)見表3-1。
dc48v可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)能夠在一臺(tái)發(fā)電機(jī)組上同時(shí)實(shí)現(xiàn)以下功能:
1)作為備用電源,直接向基站直流設(shè)備供電。
2)在混合能源供電基站,向dc48v通信用蓄電池充電,該技術(shù)比較傳統(tǒng)的僅僅由柴油發(fā)電機(jī)組供電的應(yīng)用場合,最高能夠降低油耗達(dá)36%。
lsavs dc48v可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)集成了以下兩個(gè)定制元件:
1)定制的r220-vsg型avr和ac-dc整流電路,確保發(fā)電機(jī)在低速和高速兩種運(yùn)行轉(zhuǎn)速工況下,均可輸出穩(wěn)定的直流電壓。
2)集成的ccm充電控制模塊負(fù)責(zé)管理電池充電功能,借助于emerson網(wǎng)絡(luò)能源在電池管理技術(shù)方面的豐富經(jīng)驗(yàn)積累,ccm支持市面上主流的蓄電池型號(hào),如opzv、sbs eon、exide、a600和evolion等。
其性能參數(shù)見表3-2。
圖3-1 可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)外形圖
表3-1 可變速發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
項(xiàng)目
參數(shù)
額定功率
5.3kw~15.8kw
額定電壓
dc 48v
磁極極數(shù)
4
轉(zhuǎn)速范圍
900~2000r/min
軸中心高
160mm
最高效率
89%
勵(lì)磁方式
自勵(lì)
電壓調(diào)節(jié)器型號(hào)
r220vsg
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