Что такое дизель-генератор и как он работает?

Дизель-генераторы - это очень полезные и нужные машины, поставляющие нам электроэнергию при отсутствии централизованного сетевого электроснабжения или во время отключения электропитания, предотвращая нарушение повседневной деятельности и деловой активности. Дизель-генераторы выпускаются в самых разных конфигурациях для использования во множестве различных ситуаций. В следующих разделах мы рассмотрим функции дизель-генератора, его основных компонентов, а также работу дизель-генератора в качестве вторичного источника электроэнергии в жилых и промышленных помещениях.

Как работает генератор? 

Электрический генератор представляет собой устройство, преобразующим механическую энергию, полученную от внешнего источника, в электрическую энергию на выходе.

Важно понимать, что сам генератор на самом деле не "создаёт" электрическую энергию. Вместо этого, он использует механическую энергию, подаваемую в него от дизельного (или любого другого) двигателя, чтобы заставить электрические заряды в проводах его обмотки двигаться через внешнюю электрическую цепь. Этот поток электрических зарядов и представляет собой выходной электрический ток, поступающий от генератора. Этот механизм можно понять, сравнив генератор с водяным насосом, который выдаёт поток воды, но на самом деле не "создаёт" воду, протекающую через него.

Современный генератор работает на принципе электромагнитной индукции, открытой Майклом Фарадеем в 1831-32 годах. Фарадей обнаружил, что указанный выше поток электрических зарядов может быть вызван перемещением электрического проводника, который содержит электрические заряды, в магнитном поле. Это движение создает разность потенциалов между двумя концами провода или электрического проводника, которая, в свою очередь, заставляет электрические заряды течь, таким образом, генерируя электрический ток. 

Основные компоненты генератора.

Основные компоненты автономного электрического генератора можно определить следующим образом (см. рисунок ниже):
(1) Двигатель 
(2) Генератор 
(3) Топливная система
(4) Регулятор напряжения 
(5) Система охлаждения
(6) Система смазки 
(7) Зарядное устройство 
(8) Панель управления 
(9) Несущая рама
(10) Система выпуска и глушения

Описание основных компонентов дизель-генератора.

(1) Двигатель 


Двигатель является источником входной механической энергии для генератора. Размер и мощность дизельного двигателя прямо пропорциональны максимальной выходной мощности генератора. Есть несколько факторов, которые нужно иметь в виду, при оценке двигателя вашего генератора. Производитель двигателя обычно публикует всю информацию для правильной и безопасной эксплуатации своего изделия, а также полный перечень и графики его технического обслуживания. 

(А) Тип используемого топлива.
Двигатели внутреннего сгорания для генераторов могут работать на разных видах топлива, таких как дизельное топливо, бензин, пропан (в сжиженном или газообразном виде), или природный газ. Небольшие и маломощные двигатели обычно работают на бензине, а более крупные - на дизельном топливе, жидком пропане или природном газе. Некоторые двигатели могут работать на двух видах топлива: на дизельном топливе и на природном газе. 

(B) Чаще всего, двигатели внутреннего сгорания бывают с верхним расположением клапанов (OHV). Они отличаются от других двигателей тем, что впускные и выпускные клапаны двигателя расположены сверху, в головке цилиндра двигателя, а не на блоке двигателя. Двигатели OHV имеют ряд преимуществ по сравнению с другими системами:

  • компактный дизайн 
  • простой механизм работы 
  • прочность 
  • удобство в обслуживании 
  • низкий уровень шума во время работы 
  • низкий уровень выбросов

Тем не менее, OHV-двигатели на сегодняшний день всё же являются более дорогими, чем двигатели других типов. 

(C) Использование чугунных втулок (СНГ) в цилиндрах двигателя. Это уменьшает износ и обеспечивает долговечность двигателя. Большинство современных OHV-двигателей оснащены СНГ. Наличие чугунных втулок не сильно удорожает общую стоимость двигателя, но при этом играет важную роль в долговечности двигателя, особенно если вы должны использовать свой генератор часто или в течение длительного времени.

(2) Генератор переменного тока. 


Генератор переменного тока, также известный как "alternator", является важной частью всей системы и служит для преобразования механической энергии, подаваемой от двигателя, в электрическую энергию. Генератор содержит набор стационарных и подвижных частей, заключенный в общий корпус. Все компоненты работают совместно, чтобы обеспечить относительное перемещение проводников между магнитными и электрическими полями, которые, в свою очередь, генерируют электричество. 

(А) Статор - это неподвижная часть генератора. Он содержит набор электрических проводников, уложенных особым образом на железном сердечнике. 

(B) Ротор / Якорь - это подвижная часть электрогенератора, которая производит вращающееся магнитное поле в любым из следующих трех способов:

  • по индукции - они известны как бесщёточные генераторы и, как правило, используются в больших генераторов.
  • постоянными магнитами - этот способ реализован в небольшом количестве разработок. 
  • при использовании возбудителя - небольшого источника постоянного тока (DC), который возбуждает ротор через узел контактных колец и щеток.

Ротор генерирует магнитное поле, движущееся вокруг статора, которое вызывает разность потенциалов между обмотками статора. Это приводит к появлению переменного тока (AC) на выходе генератора.

Ниже приведены факторы, которые необходимо иметь в виду при оценке генератора:

(А) Металлический или пластиковый корпус - полностью металлический дизайн обеспечивает прочность генератора. Пластиковые корпуса деформируются со временем и вызывают движение некоторых частей генератора, которые должны быть неподвижными. Это увеличивает износ и, что более важно, является опасным при эксплуатации. 

(B) шарикоподшипники против игольчатых подшипников: шариковые подшипники являются более предпочтительными и долговечными. 

(C) Бесщеточный дизайн - генератор, который не использует в своей конструкции щётки, требует меньше обслуживания, а также производит более "чистое" и стабильное электричество.

(3) Топливная система


Топливный бак обычно имеет достаточную ёмкость, чтобы обеспечить дизель-генератор в среднем на 6-8 часов работы. В маленьких генераторах топливный бак является частью рамы генератора или смонтирован на верхней части корпуса. Для коммерческих применений часто бывает необходимо установить внешний топливный бак большой ёмкости для обеспечения более длительной непрерывной работы без дозаправки. В общем случае топливная система включает в себя следующее: 

(А) Трубопроводы из топливного бака к двигателю - линия подачи направляет топливо из бака в двигатель и обратной линии, направляющая топливо от двигателя обратно в бак. 

(B) Вентиляционная труба для топливного бака - топливный бак имеет вентиляционную трубу, чтобы предотвратить наращивание давления или вакуума во время заправки и дренажа бака. 

(C) Трубопровод перелива из топливного бака к дренажной трубе - Это необходимо, чтобы любое переполнение во время заправки бака не вызвало утечку топлива на генераторную установку. 

(D) Топливный насос - перекачивает топливо из основного бака к двигателю. Топливный насос, как правило, имеет электрический привод. 

(Е) Топливный водоотделитель / Топливный фильтр - служит для отделения воды и посторонних веществ от жидкого топлива, чтобы защитить другие компоненты генератора от коррозии и загрязнения. 

(F) Топливные форсунки - служат для мелкодисперсного распыления жидкого топлива в необходимом количестве в камеру сгорания двигателя.

(4) Регулятор напряжения 

Как следует из названия, этот компонент регулирует выходное напряжение генератора. Механизм его работы описан ниже по каждому компоненту, играющему важную роль в циклическом процессе регулирования напряжения.

(А) Регулятор напряжения осуществляет преобразование переменного тока в постоянный: регулятор напряжения отбирает небольшую часть с выхода генератора переменного тока и преобразует его в напряжение постоянного тока. После этого регулятор напряжения передает этот постоянный ток к набору вторичных обмоток в статоре, известных как обмотки возбуждения. 

(В) Обмотки возбуждения: преобразование постоянного тока в переменный ток. Обмотки возбуждения  функционируют аналогично первичным обмоткам статора и вырабатывают небольшое количество переменного тока. Обмотки возбуждения соединены с устройствами, которые называются вращающиеся выпрямители. 

(С) Вращающиеся выпрямители служат для преобразования переменного тока, порожденного обмотками возбуждения, обратно в постоянный ток. Этот постоянный ток подаётся в ротор, чтобы создать электромагнитное поле, в дополнение к вращающемуся магнитному полю ротора.

(D) Ротор предназначен для преобразования постоянного тока в переменный ток: ротор на этом этапе начинает производить большее напряжение через обмотки статора, чем то, которое в настоящее время производит генератор.

Этот цикл продолжается до момента, когда генератор начнёт вырабатывать выходное напряжение, эквивалентное напряжению при его полной производственной нагрузке. В то время, когда напряжение на выходе генератора увеличивается, регулятор напряжения начинает производить меньше постоянного тока. После того, как генератор достигает полной мощности, регулятор напряжения достигает состояния равновесия и теперь производит просто достаточное количество постоянного тока для поддержания выхода генератора на полном рабочем уровне.

Когда нагрузка на генератор возрастает, его выходное напряжение немного понижается. Это заставляет регулятор напряжения действовать и снова начинать описанный выше цикл. Цикл продолжается снова до выхода генератора на свою полную рабочую мощность.

(5) Система охлаждения 


Непрерывное использование дизель-генератора вызывает нагревание различных его компонентов из-за тепла, выделяемого при сгорании топлива. Важно иметь систему охлаждения и вентиляции для полного отвода тепла, выделяемого в процессе работы.

Пресная вода довольно часто используется в качестве хладагента для генераторов, но её использование в основном сводятся к конкретным ситуациям, таким как в небольших генераторах в городских условиях или, наоборот, очень больших установок мощностью 2250 кВт и выше. Иногда в качестве хладагента для обмоток статора крупных генераторных агрегатов используется водород, так как он более эффективно поглощает тепло по сравнению с другими охлаждающими жидкостями. Водород отводит тепло от генератора и передает его через теплообменник во вторичный контур охлаждения, который содержит дистиллированную воду в качестве охлаждающей жидкости. Вот почему очень большие генераторы часто имеют большие градирни рядом с ними. Для большинства других распространенных приложений, как жилых так и промышленных, в качестве основной системы охлаждения, как правило, работает стандартный радиатор и воздушный вентилятор, установленный на дизель-генератор.

Очень важно проверять уровни охлаждающей жидкости генератора ежедневно. Система охлаждения и водяная помпа требуют регулярной  промывки во время проведения регламентного техобслуживания: в рекомендациях производителей указывается соответствующее количество мото-часов. Дизель-генератор должен быть установлен в хорошо проветриваемом помещении, имеющем подачу свежего воздуха.  

(6) Система смазки 


Поскольку дизель-генератор содержит множество подвижных деталей в двигателе, он требует смазки, чтобы обеспечить бесперебойную работу в течение длительного периода времени. Двигатель генератора смазывается маслом, находящимся в картере двигателя и в масляных фильтрах. Требуются регулярные проверки уровня смазочного масла через каждые 8 ​​часов работы дизель-генератора.Также необходимо проверить установку на наличие любых утечек и проводить замену смазочного масла при наработке мото-часов, указанных производителем двигателя.

(7) Зарядное устройство


Запуск дизель-генератора чаще всего происходит от батарейного питания. Зарядное устройство позволяет сохранить аккумуляторные батареи полностью заряженными с помощью "плавающего" напряжения. Если это напряжение будет низким, батарея будет оставаться разряженной. Если зарядное напряжение очень высоко, то это сокращает срок службы аккумуляторной батареи. Зарядные устройства, как правило, изготовлены из нержавеющей стали, чтобы предотвратить коррозию. Они также полностью автоматические и не требует каких-либо корректировок или настройки должны. Выходное напряжение зарядного устройства обычно устанавливается на уровне 2,33 В на элемент для свинцово-кислотных аккумуляторов. Зарядное устройство имеет изолированный выход напряжения постоянного тока для предотвращения влияния на нормальное функционирование генератора.

(8) Панель управления 


Панель управления - это пользовательский интерфейс дизель-генератора. Панели от разных производителей имеют различные возможности и функции. Некоторые из этих возможностей перечислены ниже. 

(A) Электрический запуск и выключение - панели управления с автоматическим запуском позволяют автоматически без участия оператора запустить дизель-генератор во время аварийного отключения основного электропитания, контролировать параметры генератора во время его работы и автоматически заглушить установку, когда она больше не требуется. 

(B) Датчики двигателя - различные датчики показывают оператору такие важные параметры, как давление масла, температура охлаждающей жидкости, напряжение батареи, скорость вращения двигателя и продолжительность работы. Постоянное измерение и мониторинг этих параметров позволяют иметь встроенную функцию отключения дизель-генератора, когда любой из параметров выйдет за пределы соответствующих пороговых уровней. 

(C) Датчики генератора - панель управления также имеет индикаторы и счетчики для измерения выходного тока, напряжения, рабочей частоты и других параметров выработки электричества. 

(D) Другие виды контроля - селектор переключения фаз, переключатель частоты и переключатель управления двигателем (ручной режим, автоматический режим) и многие другие.

(9) Несущая  рама

Все генераторы, переносные или стационарные, имеют специально приспособленные корпуса, рамы или кожухи, которые обеспечивают структурную базу. Рама также позволяет заземлять всю установку для обеспечения безопасности. Рама обеспечивает необходимую конструктивную жесткость всей конструкции и предназначена для закрепления отдельных агрегатов, механизмов и систем. К ней также могут прикрепляться шумозащитные экраны, кожухи для защиты от атмосферных осадков и другие элементы. Довольно часто в качестве кожухов для мощных дизель-генераторов используются специально доработанные морские контейнеры.

(10) Выхлопная система и глушитель


Выхлопные газы выпускаемые дизель-генератором, так же, как и выхлопные газы от любого другого дизельного или бензинового двигателя содержат высокотоксичные химические вещества, которые должны быть надлежащим образом отведены от установки. Следовательно, важно установить соответствующую выхлопную систему. Эта важная система не может быть переоценена, потому, что отравление угарным газом остается одним из самых распространенных причин для смерти людей в районах пострадавших от стихийных бедствий, где работает большое количество дизель-генераторов, потому что люди, как правило, даже не думают об этом, пока не станет слишком поздно.

Выхлопные трубы обычно изготавливаются из чугуна, кованого железа или стали. Они должны быть расположены отдельно от дизель-генератора и не должны быть жестко связаны с двигателем генератора. Выхлопные трубы, как правило, связываются с двигателем при помощи гибких соединителей чтобы свести к минимуму вибрации и предотвратить повреждения выхлопной системы дизель-генератора. Выхлопная труба заканчивается на открытом воздухе и должна быть удалена от дверей, окон и других проемов в доме или здании. Необходимо убедиться, что к выхлопной системе вашего дизель-генератора не подключена к какая-либо другая техника.
Кроме отвода выхлопных газов, эта система выполняет ещё одну очень важную функцию - понижение уровня шума дизельного двигателя. В её состав всегда включается один или несколько глушителей, чтобы довести громкость до регламентированных законодательством и различными нормативами величин.