朗沃德LW5500CY单相汽油发电机组的设计开发

2010-02-20覃文龙谭明作

装备制造技术 2010年6期

覃文龙，谭明作

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州545005）

电能是现代社会最主要的能源之一。获得电能的方式有很多，有煤炭发电、水力发电、核能发电、风力发电、太阳能发电、潮汐能发电等等，其中以煤炭发电和水力发电为主。随着全国经济的高速发展，目前的发电设备远远不能满足经济用电的需求，加上最近国家关闭多家污染严重的煤炭发电企业和水资源的匮乏，使得国内众多乡镇居民用电无法得到保证，出现了拉匣限电现象，严重影响了乡镇居民的生活。为保证乡镇居民用电需求，发电机制造企业如雨后春笋般应运而生。在竞争非常激烈的发电机市场里，如何去开发一款竞争力强的发电机组，以抢占市场份额，值得深思。

发电机组是指能将机械能或其他可再生能源转变成电能的发电设备。一般我们常见的发电机组通常由汽轮机、水轮机或内燃机（汽油机、柴油机等发动机）驱动。本文介绍的朗沃德LW5500CY是属于内燃机驱动的发电机组。

1 发电机组原理结构

单相汽油发电机组，是以汽油发动机为动力输出，将发动机曲轴输出端与单相发电机的转子同轴连接，带动发电机转子做电磁切割运动转化成电能的电力设备。

1.1 发电机

发电机的原理是基于电磁感应定律和电磁力定律，即穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势和感应电流。感应电动势的大小，正比于磁通量的变化率；感应电流的大小，由感应电动势决定，感应电流的方向由楞次定律决定。

发电机可分为：直流发电机，交流发电机，同步发电机，异步发电机。交流发电机又分为单相发电机和三相发电机。

（1）发电机结构。发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。

（2）定转子材料的选择。目前发电机定转子材料使用较多的是热轧板。热轧板存在着转换效率低的缺点，转换效率一般为78%，而采用冷轧板材料制成的发电机，转换效率可达到81%。朗沃德LW5500CY单相汽油发电机组采用冷轧板材料制成的发电机，具有转换效率高、降低能量在转换过程中的损耗等优点。

1.2 汽油发动机

（1）汽油发动机的选择。朗沃德LW5500CY单相汽油发电机组的原动力，采用强制风冷式四冲程手启动OHV（顶置气门）汽油发动机。

（2）汽油发动机转速。世界上各国规定的单相交流电频率都不相同，如日本规定是60 Hz，英国规定是50 Hz，美国规定是60 Hz，而中国规定是50 Hz。朗沃德LW5500CY单相汽油发电机组主要定位于国内使用，即使用50 Hz的频率输出。

发电机输出的频率与转速的关系，遵循如下公式：

其中，

n为转速（r/min）；

f为频率（Hz）；

p为发电机旋转磁场的极对数。

LW5500CY为两极单相有刷发电机组。由上示公式可知，为了使发电机组输出频率为50 Hz，则发动机的转速为n=3 000 r/min

发动机转速的稳定性，对于发电机组来说非常关键，将直接影响发电机组的性能等级。稳定发动机转速的方法有两种：一种是电子调速，另外一种是机械调速。朗沃德LW5500CY单相汽油发电机的汽油发动机采用的是机械调速，结构如图1所示。

图1 机械调速结构示意图

调速原理——离心调速器通过齿轮啮合与曲轴同时转动。当发动机转速过高时，离心调速器的飞锤向外张开，推动调速拨叉旋转，通过调速拨叉、调速臂和连接杆的共同作用，减小化油器进气门开度，从而降低发动机转速；当发动机转速过低时，调速拨叉在弹簧的回复拉力下回归，推动调速臂旋转，通过调速拨叉、调速臂和连接杆的共同作用，增大化油器进气门开度，从而提高发动机转速。

汽油发动机在出厂时，就已经设定好了额定转速n=3 000 r/min，在与发电机进行匹配时，通过调整调速弹簧螺栓，可对转速进行微调，以保证发动机的调速率满足朗沃德LW5500CY单相汽油发电机性能等级要求。

1.3 发电机组电压控制

按我国内燃机组行业标准，发电机组的输出电压规定为：230V（单相）。

朗沃德LW5500CY单相汽油发电机组的调压，通过自动电压调节器AVR（Automatic Voltage Regulators）对发电机的控制来实现。取样绕组用于AVR对电压控制的基础采样输入，副绕组用于AVR对电压控制的辅助控制，DC绕组用于外部蓄电池的充电输出，AVR通过对励磁电压和励磁电流的调整，来改变转子产生的旋转磁场强度，从而满足外部负载对主绕组的输出需求。

1.4 电路设计

根据单相汽油发电机组的整机要求，朗沃德LW5500CY单相汽油发电机的电路线路设计如图2所示。

图2 朗沃德LW5500CY单相汽油发电机电路线路设计图

2 性能参数

2.1 设计目标

（1）朗沃德LW5500CY汽油发电机组性能参数：

额定频率50 Hz；

额定电压230 V；

额定电流21.8 A；

额定功率（功率因数1）5.0 kW

最大功率5.5 kW

（2）整体噪声≤76 dB(A)（测量距离7 m）。

（3）性能等级要求达到G2性能等级要求。

（4）可靠性、耐久性：可靠性试验要求达到120 h；耐久性试验要求达到200 h。

2.2 过程验证

（1）性能参数验证。在大气压力Pr=100 kPa，环境温度Tr=25℃,空气相对湿度φr=30%的条件下，对朗沃德LW5500CY单相汽油发电机组进行性能测试，测试结果为：

额定频率50.2Hz；

额定电压230.5 V；

额定电流22.0 A；

额定功率（功率因数1）5.03 kW；

最大功率5.49 kW

（2）G2性能等级验证。根据《JB/T 10304-2001工频汽油发电机组技术条件》要求，在HSJF-3发电机组性能测试控制台上，进行G2性能等级测试。G2性能等级要求和测量结果见附表1（共表）。

（3）整体噪声测试。采用5点测量法，测量距离7 m，测量测点的A计权声压级，每个测点测量3次。其中测点2（右）为消声器排气出气口端，测量时测头请勿对准消声器排气出气口。测量结果见表2。

表2 整体噪声测试表单位:dB（A）

（4）可靠性、耐久性试验。要求按表3要求执行。

负载的每个循环连续运行时间为8 h，中间停止时间不大于0.5 h，在不需要维修的情况下进行试验。可靠性试验运行时间累积，要求达到120 h，耐久性试验运行时间累积，要求达到200 h。

表3 可靠性、耐久性试验表

2.3 验证结论

朗沃德LW5500CY单相汽油发电机组性能参数、性能等级、噪声、可靠性、耐久性均达到设计目标要求。

3 外观结构设计

在设计汽油发电机组的外观结构时，我们充分考虑和追求产品的差异化。产品差异化，是增强产品竞争力、占领市场的一种有效方式。朗沃德LW5500CY单相汽油发电机组由汽油发动机、单相发电机、框架、面板、电器仪表、隔热板、减震软垫等零部件组成，减震性能和发电机隔热效果非常好，而且采用目前市场上少有的圆弧面板设计，把一些影响外观的螺栓紧固件完全隐藏起来，做工精细，外型饱满、圆滑，并获得中华人民共和国国家知识产权局两项专利保护。