專利名稱：一種柴油發(fā)電機(jī)組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及柴油發(fā)電機(jī)組的可再生發(fā)電類負(fù)載應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柴油發(fā)電機(jī)組，柴油發(fā)電機(jī)組可以利用負(fù)載側(cè)通過直流母線反饋的能量為同步發(fā)電機(jī)提供驅(qū)動扭矩，進(jìn)而減少柴油發(fā)動機(jī)的耗油量實現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。
背景技術(shù)：
作為交流供電常用、備用和應(yīng)急發(fā)電用的柴油發(fā)電機(jī)組被廣泛的應(yīng)用于港口、船舶、通訊等眾多領(lǐng)域。在實際應(yīng)用中，很大一部分柴油發(fā)電機(jī)組是作為移動設(shè)備的工作電源，用以拖動可再生發(fā)電類負(fù)載。對于此類柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)可再生發(fā)電類負(fù)載釋放其動能與勢能的時候大量能量被反饋到驅(qū)動用雙向可逆整流裝置的直流母線側(cè)，對于這部分能量的應(yīng)用是此類設(shè)備節(jié)能的重要因素之一?，F(xiàn)階段對于這部分能量一般有以下兩種處理方式方案1，其一為通過大容量的儲能環(huán)節(jié)儲存該能量，如圖2所示，在下一次作功周期內(nèi)釋放，為了充分利用該部分能量，這種方式會導(dǎo)致所需要的中間儲能環(huán)節(jié)(一般為超級電容或電池組)容量很大。配置很大容量的儲能環(huán)節(jié)會導(dǎo)致其成本大大增加，同時必須為儲能環(huán)節(jié)在移動設(shè)備有限的空間內(nèi)分配位置，增加了柴油發(fā)電機(jī)組的復(fù)雜性。方案2，另一種方式為小容量儲能環(huán)節(jié)與熱能量消耗單元配合使用，小容量儲能環(huán)節(jié)為柴油發(fā)電機(jī)組提供驅(qū)動重載時的緩沖能量，同時能夠吸收小部分反饋能量；熱能量消耗單元則用于消耗掉多余的能量，如圖3所示，以防止可能引起的過壓故障。這種方式在實際應(yīng)用中一般通過設(shè)置制動單元和制動電阻實現(xiàn)，由此會產(chǎn)生能量不能全部回收利用，部分或者大部分通過熱能方式耗散，降低了柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于，為了解決上述問題，提供一種柴油發(fā)電機(jī)組，利用反饋能量驅(qū)動實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組，該實用新型涉及的柴油發(fā)電機(jī)組可以進(jìn)一步的應(yīng)用反饋回來的能量，將該部分能量用于推動柴油發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到節(jié)能目的。為了達(dá)到上述目的，本實用新型的技術(shù)方案提出了一種柴油發(fā)電機(jī)組，該柴油發(fā)電機(jī)組包括可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)動機(jī)、與柴油發(fā)動機(jī)通過機(jī)械傳動系統(tǒng)連接進(jìn)而實現(xiàn)同步運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)、與同步發(fā)電機(jī)電氣連接的雙向可逆整流裝置、以及用于監(jiān)測與控制整個系統(tǒng)的中央控制器，所述的柴油發(fā)動機(jī)和雙向可逆整流裝置通過各自的通訊總線與中央控制器聯(lián)接，其特征在于，還包括設(shè)置在直流母線上的電壓傳感器，用于實時監(jiān)測直流母線側(cè)的電壓值；所述的中央控制器還包括一比較模塊，用于比較直流母線側(cè)的電壓值和直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓；當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值大于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓”時，中央控制器通過通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發(fā)出指令，控制扭矩控制器施加在同步發(fā)電機(jī)上扭矩的方向與大小，驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動機(jī)輸出的扭矩方向相同，實現(xiàn)直流母線側(cè)到柴油發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。上述技術(shù)方案中，所述的雙向可逆整流裝置為三相可逆橋式PWM整流電路，所述的三相可逆橋式PWM整流電路包括絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)和其并聯(lián)的續(xù)流二極管，其中還包括分別設(shè)置在三相交流電側(cè)的三路電流傳感器與電壓傳感器，所述的扭矩控制器通過電流傳感器與電壓傳感器實時監(jiān)測三相交流電側(cè)的電壓與電流，并根據(jù)中央控制器通過通訊總線給出的扭矩大小與方向的指令確定IGBT開關(guān)的通斷時機(jī)和調(diào)節(jié)占空比， 以達(dá)到調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓與電流的目的。上述技術(shù)方案中，所述的同步發(fā)電機(jī)上還設(shè)置有速度編碼器，該速度編碼器為增量編碼器類型并與中央控制器聯(lián)接，用于測量同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度，并由中央控制器確保柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行于反拖時同步發(fā)電機(jī)輸出的扭矩不會使柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于其空載時的怠速轉(zhuǎn)速，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)輸出的扭矩過高，則中央控制器強(qiáng)制指令同步發(fā)電機(jī)的輸出扭矩為“零”，實現(xiàn)矢量控制以保證轉(zhuǎn)速安全?？紤]集裝箱港口輪胎式龍門起重機(jī)提升與下放集裝箱的實際情況，對比現(xiàn)有技術(shù)的反饋能量處理方案1，如圖2所示，如果采用電容組吸收所有下放能量，則對于具有典型性的負(fù)載需要的電容量計算過程如下設(shè)下放距離為13米，當(dāng)下放40噸箱時，不考慮能量損失，其下放過程產(chǎn)生的勢能可計算如下E = mgh = 40000 X 9. 8 X 13 = 5. 096 X IO6J將該勢能全部吸收到儲能電容組，且電容組工作電壓范圍(受限于逆變器工作電壓范圍)設(shè)為600V 800V，則電容量需求為
,, 2E 2x5.096xl06C = -- =---— = 36 At
U21 -U22 8002 -6002單體電容選用常用的48V，80F電容，為滿足電壓需求，每一分組需串聯(lián)電容為 800V/48V約為17個，此時每一回路電容量為80F/17 = 4. 71F。為了實現(xiàn)需要的電容量，需要并聯(lián)36. 4F/4. 71F約8組電容組，所需電容單體數(shù)量為17X8 = 136個。如采用方案2,如圖3所示,不需要吸收全部下放能量,部分能量通過制動電阻耗散，如使用17個電容單體串聯(lián)實現(xiàn)，其電容量為4. 71F，可以吸收的能量為E = ^Ciu1l -M22) = 1x4.71 X(8002 — 6002) = 6.594xIO5J則通過電阻耗散的能量約占反饋總能量的87%，其效率較為低下。本實用新型的優(yōu)點在于，本實用新型的柴油發(fā)電機(jī)組，使得位勢負(fù)載下方過程中產(chǎn)生的部分能量能夠通過驅(qū)動柴油發(fā)電機(jī)組消耗，從而能夠有效地利用回饋能量。如圖4 所示，該實用新型涉及的發(fā)電機(jī)組應(yīng)用反饋回來的能量，將該部分能量用于推動柴油發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到節(jié)能目的。

圖I為本實用新型的柴油發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中典型的能量全部由超級電容儲存的能量傳遞狀況示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中典型的儲存一部分能量，其余由限壓電阻消耗的能量傳遞狀況示意圖;[0024]圖意圖；[0025]圖[0026]圖[0027]圖
圖4為本實用新型的大部分反饋能量驅(qū)動柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的能量傳遞狀況示
具體實施方式
為了更好地理解本實用新型的技術(shù)方案，
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。如圖I所示，是本實用新型的柴油發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)示意圖，雙向可逆整流裝置，柴油發(fā)電機(jī)組的主要組成部分包括工作轉(zhuǎn)速可從怠速到全速之間連續(xù)全程調(diào)速的柴油發(fā)動機(jī)，柴油發(fā)動機(jī)內(nèi)部自帶轉(zhuǎn)速穩(wěn)定環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定環(huán)節(jié)可以接受中央控制器的發(fā)送的轉(zhuǎn)速信號，將柴油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在響應(yīng)的數(shù)值上。與柴油發(fā)動機(jī)通過機(jī)械傳動系統(tǒng)連接進(jìn)而實現(xiàn)同步運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，以及與同步發(fā)電機(jī)電氣連接的可將同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電整流為直流電，同時又可將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姷碾p向可逆整流裝置以及對整個柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制的中央控制器。雙向可逆整流裝置同中央控制器配合，實現(xiàn)對于同步發(fā)電機(jī)的矢量控制，控制過程中同步發(fā)電機(jī)扭矩可以作為單獨的分量給與控制，使得雙向可逆整流裝置工作于扭矩控制模式下。如圖5所示，該雙向可逆整流裝置為基于通用同步電機(jī)雙向可逆整流裝置的扭矩控制器，其核心為三相可逆橋式PWM整流電路，包括由絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)和其并聯(lián)的續(xù)流二極管構(gòu)成，通過控制IGBT開關(guān)的通斷時機(jī)和調(diào)節(jié)占空比可以實現(xiàn)控制直流側(cè)電壓和電流的目的。扭矩控制器通過電壓傳感器實時監(jiān)測三相交流電的電壓與電流情況，雙向可逆整流裝置通過通訊總線給出的扭矩大小與方向的指令確定IGBT開關(guān)的通斷時機(jī)和占空比， 以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓與電流的目的。本例中，中央控制器利用基于可編程邏輯控制器或其他智能控制設(shè)備實現(xiàn)節(jié)能控制系統(tǒng)的直流母線電壓、雙向可逆整流裝置的扭矩控制器、柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的監(jiān)視與控制，其核心在于控制同步發(fā)電機(jī)輸出扭矩的方向與大小。當(dāng)能量向直流母線側(cè)流動時，確保同步發(fā)電機(jī)輸出的扭矩不會大于柴油發(fā)動機(jī)在對應(yīng)轉(zhuǎn)速下所能承受的扭矩，防止柴油發(fā)動機(jī)由于反向負(fù)載過大而滅火停車和發(fā)生機(jī)組反轉(zhuǎn)的惡劣情況；當(dāng)能量向柴油發(fā)電機(jī)組側(cè)流動時，中央控制器將控制雙向可逆整流裝置驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的扭矩，確保柴油發(fā)動機(jī)在被驅(qū)動過程中不會超過其額定轉(zhuǎn)速，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過高損害柴油發(fā)動機(jī)的情況發(fā)生。中央控制器其控制程序能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)已事先取得的柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與最大扭矩對應(yīng)曲線，如圖6所示，確定柴油發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的扭矩最大值以實現(xiàn)運(yùn)行中的扭矩安全保護(hù)，可以實現(xiàn)監(jiān)測柴油發(fā)動機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)度以實現(xiàn)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)速安全保護(hù)，同時能夠依據(jù)直流母線電壓狀況的檢測，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制和扭矩控制以完成能量雙向流動的控制。首先考慮柴油機(jī)功率，轉(zhuǎn)速和扭矩之間的關(guān)系，如公式⑴?，F(xiàn)設(shè)Pe為柴油機(jī)的輸出功率，Me為柴油機(jī)的輸出扭矩，圓周率取3. 141，n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)，《為曲軸角速度(弧度/秒)，其中有《 =2Jin/60。通過公式可以發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)的輸出功率在轉(zhuǎn)速一定的情況下和扭矩成正比。也就是說保持轉(zhuǎn)速不變，盡可能的減小柴油機(jī)輸出扭矩，將
會減小柴油機(jī)輸出功率，同時將減少柴油機(jī)油耗。
權(quán)利要求1.一種柴油發(fā)電機(jī)組，該柴油發(fā)電機(jī)組包括可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)動機(jī)、與柴油發(fā)動機(jī)通過機(jī)械傳動系統(tǒng)連接進(jìn)而實現(xiàn)同步運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)、與同步發(fā)電機(jī)電氣連接的雙向可逆整流裝置、以及用于監(jiān)測與控制整個系統(tǒng)的中央控制器，所述的柴油發(fā)動機(jī)和雙向可逆整流裝置通過各自的通訊總線與中央控制器聯(lián)接，其特征在于，還包括設(shè)置在直流母線上的電壓傳感器，用于實時監(jiān)測直流母線側(cè)的電壓值；所述的中央控制器還包括一比較模塊，用于比較直流母線側(cè)的電壓值和直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓，進(jìn)而控制扭矩控制器施加在同步發(fā)電機(jī)上扭矩的方向與大??；當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值大于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓”時，中央控制器通過通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發(fā)出指令，驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動機(jī)輸出的扭矩方向相同，實現(xiàn)直流母線側(cè)到柴油發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油發(fā)電機(jī)組，其特征在于，所述的雙向可逆整流裝置為三相可逆橋式PWM整流電路，所述的三相可逆橋式PWM整流電路包括絕緣柵極雙極型晶體管 IGBT和其并聯(lián)的續(xù)流二極管，其中還包括分別設(shè)置在三相交流電側(cè)的三路電流傳感器與電壓傳感器，所述的扭矩控制器通過電流傳感器與電壓傳感器實時監(jiān)測三相交流電側(cè)的電壓與電流，并根據(jù)中央控制器通過通訊總線給出的扭矩大小與方向的指令確定IGBT開關(guān)的通斷時機(jī)和調(diào)節(jié)占空比，以達(dá)到調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓與電流的目的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油發(fā)電機(jī)組，其特征在于，所述的同步發(fā)電機(jī)上還設(shè)置有速度編碼器，該速度編碼器采用增量式編碼器并與中央控制器聯(lián)接，用于測量同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度。
專利摘要本實用新型涉及一種柴油發(fā)電機(jī)組，該柴油發(fā)電機(jī)組還包括設(shè)置在直流母線上的電壓傳感器，用于實時監(jiān)測直流母線側(cè)的電壓值；所述的中央控制器還包括一比較模塊，用于比較直流母線側(cè)的電壓值和直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓；當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值大于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓”時，中央控制器通過通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發(fā)出指令，控制扭矩控制器施加在同步發(fā)電機(jī)上扭矩的方向與大小，驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動機(jī)輸出的扭矩方向相同，此時柴油發(fā)動機(jī)將由同步發(fā)電機(jī)拖動運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)直流母線側(cè)到柴油發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。
文檔編號F02D29/06GK202300665SQ20112033823
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者于秀娟, 劉永濤, 季英業(yè), 張鳳江, 梁克, 王永鋼, 谷盛, 陳旭 申請人:交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所