How Does a Diesel Generator Produce Electricity? The Complete Guide

چگونه یک دیزل ژنراتور برق تولید می کند؟

A دیزل ژنراتور با سوزاندن سوخت دیزل در داخل موتور برای ایجاد چرخش مکانیکی و سپس تبدیل آن چرخش به جریان الکتریکی از طریق دینام، الکتریسیته تولید می کند. موتور انرژی شیمیایی را از طریق احتراق به انرژی مکانیکی تبدیل می کند و دینام آن انرژی مکانیکی را از طریق القای الکترومغناطیسی به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. هیچ برقی از نظر فنی "ایجاد نمی شود" - انرژی ذخیره شده سوخت ابتدا به حرکت و سپس به جریان تبدیل می شود.

دو نیمه این فرآیند از نظر فیزیکی متمایز اما مکانیکی به هم متصل هستند: یک موتور دیزل در یک سر شفت مشترک، یک دینام در طرف دیگر. میل لنگ موتور روتور دینام را می‌چرخاند و آن روتور چرخان در داخل میدان مغناطیسی چیزی است که در واقع برق AC قابل استفاده را تولید می‌کند که از واحد خارج می‌شود.

مرحله 1: موتور دیزل حرکت مکانیکی ایجاد می کند

موتورهای دیزلی به جای اشتعال جرقه ای با احتراق تراکمی کار می کنند. این تفاوت مکانیکی اصلی با یک موتور بنزینی است و این چیزی است که کل فرآیند را بدون شمع ممکن می کند. چرخه در چهار حرکت تکراری اتفاق می افتد:

1. کورس ورودی: پیستون هوای تمیز را به داخل سیلندر می کشد
2. سکته فشرده سازی: پیستون آن هوا را فشرده می کند تا فشار بالایی ایجاد کند، که دمای آن را به سطوح شدید افزایش می دهد.
3. ضربه قدرت: سوخت دیزل به هوای فشرده و فوق گرم تزریق می شود و در تماس خود به خود مشتعل می شود - بدون نیاز به جرقه - با فشار دادن پیستون به پایین
4. کورس اگزوز: پیستون گازهای مصرف شده را از سیلندر خارج می کند و راه را برای چرخه بعدی باز می کند.

نیروی رو به پایین مکرر ضربه قدرت به میل لنگ منتقل می شود، که این حرکت خطی پیستون را به حرکت چرخشی پیوسته تبدیل می کند. این میل لنگ دوار انرژی مکانیکی خروجی موتور است و این چیزی است که همه چیز را به سمت پایین دست هدایت می کند.

مرحله 2: دینام حرکت را به الکتریسیته تبدیل می کند

میل لنگ مستقیماً به دینام متصل می شود (گاهی اوقات سر ژنراتور نامیده می شود). در داخل دینام دو جزء کلیدی وجود دارد: یک روتور که می چرخد ​​و یک استاتور که در جای خود ثابت می ماند و روتور را احاطه می کند.

روتور حامل آهنرباهای الکتریکی است. همانطور که میل لنگ آن را می چرخاند، آن آهنرباهای الکتریکی یک میدان مغناطیسی دوار را از روی سیم پیچ های مسی ثابت استاتور عبور می دهند. این حرکت نسبی بین یک میدان مغناطیسی و یک هادی همان چیزی است که باعث القای جریان الکتریکی در سیم‌پیچ‌های استاتور می‌شود. - اصلی که توسط مایکل فارادی در سال 1831 کشف شد و به عنوان القای الکترومغناطیسی شناخته شد. اساساً اساساً هر ژنراتوری که از آن زمان ساخته شده است، باقی می ماند.

یک راه مفید برای این تصویر: یک ژنراتور بیشتر از پمپ آب که آب تولید می کند، بار الکتریکی تولید نمی کند. بارهای موجود در سیم‌پیچ‌های استاتور را وادار می‌کند تا از طریق یک مدار خارجی عبور کنند، و این جریان اجباری، جریانی است که به هر چیزی که به برق متصل است، منتقل می‌شود.

چرا سرعت موتور فرکانس الکتریکی را تعیین می کند؟

فرکانس الکتریسیته متناوب AC که یک ژنراتور تولید می کند دلخواه نیست - از نظر ریاضی به سرعت چرخش موتور و تعداد قطب های مغناطیسی دینام بستگی دارد. رابطه به صورت زیر بیان می شود:

فرکانس (Hz) = (RPM × تعداد قطب ها) ÷ 120

به همین دلیل است که دیزل ژنراتورها به جای هر RPM مناسب، با سرعت ثابت و استاندارد کار می کنند. دینام 4 قطبی - پیکربندی استاندارد برای اکثر ژنراتورهای دیزل صنعتی و آماده به کار - باید دقیقاً با 1800 دور در دقیقه بچرخد تا توان 60 هرتز تولید کند یا 1500 دور در دقیقه برای تولید برق 50 هرتز. جدول زیر نشان می دهد که چگونه این کار در پیکربندی های رایج انجام می شود.

پیکربندی 1500/1800 RPM (4 قطبی) استاندارد صنعتی برای ژنراتورهای برق اولیه و آماده به کار است زیرا چرخش آهسته تر به معنای سایش مکانیکی کمتر، نویز کمتر و بهره وری سوخت بهتر در مقایسه با طرح های 2 قطبی سریعتر مورد استفاده در واحدهای کوچک قابل حمل است.

نقش فرماندار در ثابت نگه داشتن فرکانس

از آنجایی که فرکانس مستقیماً به دور در دقیقه گره خورده است و دور در دقیقه به طور طبیعی با اعمال بار الکتریکی سنگین کاهش می یابد، دیزل ژنراتورها برای ثابت نگه داشتن دور موتور به یک گاورنر متکی هستند. گاورنر به طور مداوم RPM را کنترل می کند و تحویل سوخت را در زمان واقعی تنظیم می کند تا تغییر بار را جبران کند.

هنگامی که یک بار بزرگ روشن می شود - برای مثال یک کمپرسور تهویه مطبوع راه اندازی می شود - تقاضای ناگهانی سرعت موتور را به طور لحظه ای پایین می آورد. گاورنر این شیب را حس می کند و بلافاصله جریان سوخت را افزایش می دهد تا RPM صحیح را بازیابی کند ، از خارج شدن فرکانس از محدوده ایمن جلوگیری می کند. هنگامی که بار کاهش می یابد، بار دیگر تحویل سوخت را متوقف می کند.

دو نوع فرماندار در عمل استفاده می شود:

• گاورنرهای مکانیکی - فنرها، وزنه‌ها و اهرم‌هایی که از نظر فیزیکی به تغییرات سرعت پاسخ می‌دهند. قابل اعتماد اما کندتر واکنش نشان می دهد
• گاورنرهای الکترونیکی - سیستم‌های مبتنی بر حسگر و پردازنده که تحویل سوخت را با دقت و سرعت بسیار بهتر تنظیم می‌کنند.

یک جزء مرتبط، تنظیم کننده ولتاژ خودکار (AVR)، عملکرد تثبیت کننده مشابهی را برای ولتاژ با تنظیم جریان تغذیه شده به آهنربای الکتریکی روتور انجام می دهد. با هم، گاورنر و AVR چیزی هستند که خروجی دیزل ژنراتور را به جای نوسان غیرقابل پیش بینی، برای وسایل الکترونیکی حساس قابل استفاده نگه می دارند.

چقدر سوخت برای تولید برق لازم است

مصرف سوخت دیزل ژنراتور معمولاً بر حسب لیتر در هر کیلووات ساعت (L/kWh) اندازه گیری می شود که به آن مصرف سوخت خاص (SFC) می گویند. بیشتر دیزل ژنراتورها بین 0.2 تا 0.4 L/kWh مصرف می کنند به این معنی که ژنراتوری که 50 کیلووات تولید می کند در حالی که تقریباً 10 لیتر در ساعت می سوزاند با سرعت 0.2 لیتر در کیلووات ساعت کار می کند - یک نرخ کارآمد معقول.

فرمول اصلی برای تخمین مصرف سوخت ساعتی ساده است:

مصرف سوخت (L/hr) = بار (kW) × مصرف سوخت خاص (L/kWh)

مصرف سوخت در یک خط مستقیم با بار نیز مقیاس نمی شود. یک ژنراتور که با بار کم کار می کند همچنان مقدار نامتناسبی از سوخت را نسبت به توانی که ارائه می کند می سوزاند، زیرا اصطکاک داخلی و سربار سیستم خنک کننده بدون توجه به خروجی تقریباً ثابت می ماند. ارقام دنیای واقعی این را به وضوح نشان می دهند:

اجماع صنعت کارایی را در نقطه شیرین قرار می دهد 70-80 درصد بار نامی ، جایی که موتور به ازای هر کیلووات تحویلی سوخت را به بهترین نحو می سوزاند. دویدن بسیار کمتر از آن - تقریباً تحت بار 30 درصد برای دوره های طولانی - شرایطی به نام انباشتگی مرطوب را در معرض خطر قرار می دهد که در آن سوخت و کربن نسوخته در سیستم اگزوز انباشته می شود زیرا دمای احتراق هرگز آنقدر گرم نمی شود که تمیز بسوزد.

سیستم های پشتیبان که باعث کارکرد آن می شوند

جفت موتور- دینام هسته اصلی این فرآیند است، اما یک دیزل ژنراتور نمی تواند بدون اینکه چندین سیستم پشتیبانی در پس زمینه کار کنند، به طور قابل اعتماد کار کند. هر کدام وظیفه خاصی در حفظ پایداری و ایمن نگه داشتن تبدیل احتراق به الکتریسیته دارند.

خرابی در هر یک از اینها می‌تواند کل فرآیند تولید برق را مختل کند، به همین دلیل است که تعمیر و نگهداری معمول - تعویض فیلتر، بررسی مایع خنک‌کننده، بازرسی انژکتور - به اندازه سخت‌افزار موتور اصلی و دینام اهمیت دارد.

چرا از دیزل به جای سوخت های دیگر استفاده می شود؟

نقش دیزل در این فرآیند به دو ویژگی عملی مربوط می شود: چگالی انرژی و ویژگی های احتراق تحت تراکم. سوخت دیزل در هر لیتر انرژی قابل استفاده بیشتری نسبت به بنزین دارد، بنابراین یک دیزل ژنراتور معمولاً به ازای هر واحد سوخت مصرفی توان بیشتری تولید می کند.

طراحی اشتعال تراکمی همچنین نیاز به سیستم جرقه زنی را به طور کامل حذف می کند، که از نظر مکانیکی ساده تر و عموماً با دوام تر در استفاده مداوم سنگین است. این یک دلیل اصلی است که ژنراتورهای دیزلی بر کاربردهایی مانند:

• برق آماده به کار بیمارستان و مرکز داده، که در آن قابلیت اطمینان در هنگام قطع برق غیرقابل مذاکره است
• ساخت و ساز و سایت های کار از راه دور بدون دسترسی به شبکه
• دکل‌های مخابراتی که به زمان طولانی بدون مراقبت نیاز دارند
• تاسیسات تولیدی و صنعتی که با برق مستمر کار می کنند

گازوئیل همچنین برای دوره‌های طولانی به خوبی ذخیره می‌شود، بدون اینکه مشکلات مربوط به تخریب بنزین را تجربه کند، که برای واحدهای آماده به کار که ممکن است برای ماه‌ها بین استفاده‌ها بیکار بمانند، اهمیت دارد.

خوراکی های کلیدی

یک دیزل ژنراتور برق را از طریق یک زنجیره مستقیم تولید می کند: احتراق تراکمی سوخت را برای حرکت پیستون می سوزاند، میل لنگ این حرکت را به چرخش تبدیل می کند و روتور دینام و استاتور از القای الکترومغناطیسی برای تبدیل این چرخش به جریان متناوب قابل استفاده استفاده می کنند. سرعت موتور - در 1500 یا 1800 دور در دقیقه برای واحدهای 4 قطبی استاندارد قفل شده است - تعیین می کند که خروجی 50 هرتز باشد یا 60 هرتز، و گاورنر این سرعت را تحت تغییر بار ثابت نگه می دارد.

برای هر کسی که دیزل ژنراتور را اندازه می‌گیرد یا کار می‌کند، اعداد عملی که ارزش به خاطر سپردن دارند عبارتند از مصرف سوخت خاص تقریباً 0.2-0.4 L/kWh و یک نقطه شیرین بازده در بار 70-80٪ - که هر دو مستقیماً به بودجه سوخت، اندازه مخزن و نحوه کارکرد روزانه دستگاه کمک می‌کنند.