康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	未来发电机新技术应用

 

在过去的三十年间，大型旋转电机的监测系统从无到有，形成了现在的复杂系统，而系统数据并不总是带来最有价值的信息。从R&D(研究与开发)的观点看，这种做法是有意义的。另一方面，为了满足客户的需求，我们必须注意现实中的日常运行约束条件。本文通过一个案例分析，阐明大多数新技术所不能检测出的主要问题，可通过相对简单的监控来避免它的出现。事实上，在操作像发电机这类的机械时，我们需要区分这类设备的保护和维护。用于保护的仪器应能够找出设备出现的预兆，而健康分析应提供对设备的诊断发电机的新技术和应用包括新型的发电机、励磁系统、控制技术及应用技术。

 

 

 

一、现代发电机的智能化

 

发电机技术的升级换代，传统的有刷励磁技术已经被无刷励磁技术取代，AVR（AnalogueVoltage Regulator，模拟式自动电压调节器）也有逐渐被DVR（Digital Automatic Voltage Regula-tor，数字式自动电压调节器）取代的趋势，像有些厂家已经全系列采用数字式DVR，甚至出现了发电机的数字式自动电压调节器（DVR）集成了基本的发电机组控制管理功能，形象地说，即发电机的数字式自动电压调节器（DVR）相当于一个简单的智能发电机组控制器功能（Control-ler）加上固有的电压调节器功能（Regulator）。发电机的核心控制技术向柴油机的EMS（Elec-tronic Management System，电子管理技术）合并，越来越智能，它带来的好处是显而易见的，就是发电机组成套厂家GOEM在发电机组成套时，就好像连接柴油机的EMS与智能发电机组控制器样，只需要简单地连接少量的通信线，无需再安装繁杂的电流互感器CT，电压互感器PT及温度检测RTD等信号，无需安装发电机故障等报警信号，也无需再安装电压微调和电压下垂等控制线，所有的发电机监测控制参数均可共享发电机本身的电压、电流和温度采集硬件设备，通过通信线与智能发电机组控制器进行数据交换，由智能发电机组控制器采集显示，实现人机交互HMI功能，甚至在控制要求不高的通用应用场合，完全可以起到智能发电机组控制器的功能，只需将柴油机的控制及信号线接入数字式自动电压调节器CONTREG，即可实现发电机组参数监控的目的，为发电机组成套厂家GOEM节省大量成本，另外由于元器件更少，整个系统更加简洁，故障率也大幅下降，可靠性大大提高。

 

无刷发电机内部结构图

 

 

二、云端大数据的分析和新产品开发中的客户交互

 

发电机的数字式自动电压调节器（DVR）已经普及采用，其本身已经具备RS485 或者J1939智能通信接口，借助于现代化的GPS对时、云监控计算技术和大数据分析技术，既可实现发电机实时的云监控功能，也能够实现客户实际运行参数的精确采集，为售后服务提供有力工具。另外，通过后台进行云端数据的采集和分析，现代IDC数据中心急需的电源、UPS和空调等设备的协同工作问题就解决了。同时，借助云端大数据分析，客户的使用和个性化需求都能够在设计阶段考虑到，真正做到为各个细分市场客户量身定制。

1．效率越来越高

发电机作为能量转换装置，本身不产生任何能量，因此能量的转换效率显得至关重要。在年运行时间200h以下的备用电站应用场合，效率的提升可能不是考虑的首要条件，但在7x24h长行电站应用场合，效率提升即意味着相较于低效率发电机产生同样的电力时，高效率发电机可以节省大量燃油，即节省较多的发电运营成本，高效率发电机多出来的一次性采购成本很快能够回本，后期节省的燃油成本就变成了实实在在的利润。

设计也是从各种方面提高效率：

1）在20kW以下的小功率发电机应用中，一般采用无刷无轴承的外转子盘式中频永磁发电机，由于没有电刷和轴承的机械摩擦的损耗，也不存在非永磁发电机那样的励磁能量损耗，因此效率能够从传统的80％以下提高到90％以上，另外，由于磁极数从传统的不超过6个增加到了16个磁极以上，但是中频输出电源不能直接接入工频交流负载或直流负载，需要配合现代PWM 高频开关整流等电能变换技术，将发电机中频输出电源转换为工频交流输出或直流输出，像最近比较流行的智能数码发电机、直流发电机所采用的中频发电机，在发电机和负载之间均采用了此技术。

2）在大功率发电机应用中，由于机械极限限制，在小功率发电机上常见的外转子、无轴承和永磁励磁的设计均无法再采用，转而采用优化的电路设计、磁路设计和冷却通风设计等方面来提升效率，例如某品牌发电机通过精确计算定子绕组全工况下所需的散热量，利用现代先进的温度监控技术，采用随定子绕组温度变化，实时调节冷却风扇转速的新颖冷却通风设计，将大功率发电机的效率提升到98％以上，比传统发电机效率高2％左右，节能效果显著。

下面以K公司的超高效率（Laminar Cross Flow LCF）层流横流技术的高效率发电机为例说明：功率在1500kW及以上时效率可高达98％以上，是该功率段发电机世界的最高水平。

创新之处包括取消发电机轴带的机械式冷却风扇，取而代之的是由一组电子风扇组成的冷却风扇模组，能够降低50％的发电机冷却风扇消耗功率。

K公司的LCF高效率发电机在绕组中产生的热量其实和KATO公司的传统发电机产生的热量差不多，但是新型的流线型的转子设计，改善了绕组中的冷却空气流体学路径，避免了空气扰流产生的额外功率损耗，保证了发电机绕组中热量聚集区的热量及时散热，因此发电机绕组工作温较低，保证了绕组的运行寿命。

LCF高效率发电机目前可提供1000～4000kW，1500～1800r/min。另外，高达15000kW，750r/min的低转速高效率发电机也在开发过程中。

LCF 高效率发电机特别适合燃气发电机和分布式能源等长行或连续运行工况。

2．功率体积比越来越大

随着非晶等新材料技术和多极永磁中频发电机技术的成熟应用，现代发电机在同等功率输出下，已经可以做到体积更小，重量更轻，更加适用于方舱电站、超级静音发电机组和便携等安装空间受限的应用场合。

3．与风能、太阳能、储能等绿色新能源技术和柴油机的随输出功率变化的无级变速节能等新技术的配合

风能、太阳能等绿色新能源技术的快速发展，发电机和储能的工作需要配合风能、太阳能的输出，采用先进控制策略，以实现风能、太阳能的最大综合利用，降低能耗，实现TCO（Total Cost of Operation，总运行成本）的降低。这些应用特别在偏远的无人值守基站更加具备优势，采用传统的发电机方式，一方面是巨额的燃油成本，另一方面由于劳动力成本不断上涨，运行维护成本也越来越高，通过多种能源综合利用的系统化的能量转换和控制逻辑，总体上减少发电机的运行时间，优化发电机的带载性能，能够大大降低油耗和运行维护成本。

（1）康明斯发电技术有限公司（CGT）VSIG稀土永磁发电机（后节中详述）

（2）L公司的LSAVS DC48V可变转速发电机

L公司的LSAVS DC48V 可变转速发电机的外形如图3-1所示，主要技术参数见表3-1。

DC48V可变转速发电机能够在一台发电机组上同时实现以下功能：

1）作为备用电源，直接向基站直流设备供电。

2）在混合能源供电基站，向DC48V通信用蓄电池充电，该技术比较传统的仅仅由柴油发电机组供电的应用场合，最高能够降低油耗达36％。

LSAVS DC48V可变转速发电机集成了以下两个定制元件：

1）定制的R220-VSG型AVR和AC-DC整流电路，确保发电机在低速和高速两种运行转速工况下，均可输出稳定的直流电压。

2）集成的CCM充电控制模块负责管理电池充电功能，借助于EMERSON网络能源在电池管理技术方面的丰富经验积累，CCM支持市面上主流的蓄电池型号，如OPzV、SBS EON、EXIDE、A600和Evolion等。

其性能参数见表3-2。

 

图3-1 可变转速发电机外形图

表3-1 可变速发电机主要技术参数

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