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这两种机器安装在同一底座上,二者结合在一起共同工作的关键是两机之间的连接。发动机的曲轴与发电机的转子轴是它们唯一的连接部分,这也是安装技术的难点。为了尽量减少由于连接成一体而增加的摩擦损耗,提高能量的传输效率。现代柴油发电机组普遍是把同步发电机的转子轴通过法兰、端盖,与柴油发动机曲轴端头的飞轮上的罩壳定位止口直接相连，以保证两轴的同心度。同时，这两个部件之间还采用圆柱型的弹性联轴器传动机械能，带动发电机转子轴旋转。为使组合在同一底盘上的这两台工作原理和性能截然不同的机器,协调一致地高效率工作,必须有一个指挥中心。这就是柴油发电机组的控制柜(屏)。它通过电缆将二者联系起来形成一个信息统一体。不仅控制它们的工作状态,而且实时监测它们的工作参数,给出各种指挥它们工作的指令。同时,还可与外界的相关设备、负荷,甚至管理人员建立起交互界面。控制柜就是这样成为柴油发电机组的指挥中心。柴油发电机组随着其输出功率的由小到大,控制柜也由简单到复杂。随着电子技术的发展,为控制柜不断地采用新技术改进其性能和品质提供了有利的条件。现代柴油发电机组的控制柜,除功率很小的机组外,基本上都是以微处理器或可编程控制器(PLC)为核心构成的智能化控制设备。因此也就实现了对柴油发电机组各种运行数据的智能化、数字化处理。这就比从前的柴油发电机组靠模拟量指示仪表和继电器控制方式,要自动、快捷、精确得多。其更为突出的特点是:以脉冲编码为基础的数字化信息流,要比连续的模拟量有更强的抗干扰能力。再加之利用软件进一步提升信息流的纯正性。从而使控制柜即使安装在发电机和柴油发动机的附近,也能经受电磁场和高温的干扰而稳定可靠地工作。以16位或32位微处理器为核心的控制柜,可实现柴油发电机组的全自动运行,并实时显示各种运行参数。还可上互联网远程监控或进行无线遥控。人机交互也是它的一个特点;用户可根据需要设置一些指令,让柴油发电机组的运行更符合自己的愿望。控制柜内采用的CAN总线数据传输系统,符合ISO(国际标准化组织)标准,它是一组有较高安全性的有效支持实时分配命令的通讯协议。其优点在于高速度的网络应用、高可靠性的信息传递和低成本的接线。柴油发电机组通过它,将许多部位的传感器送来的各种运行数据送入微处理器。再将其分析、处理结果,以指令形式送达相应的调节部件进行调控。使柴油发电机组处于最佳的工作状态之中。虽然各厂家出品的柴油发电机组控制柜(屏)形式各不相同,但其功能都大同小异;一般20kVA以下的机组因其输出功率小、结构简单。控制柜的功能也相应简单实用,多以指示仪表和手动按钮为主,发电机的输出控制开关也在柜上。30kVA以上的机组普遍采用的是以数字化、智能化为核心的控制柜。这种控制柜用于不并联运行的柴油发电机组, 常安装在30～2500kVA各种容量的柴油发电机机组上,控制面板(屏)一般的样式如图1所示。(1)控制面板(屏)介绍面板可分为左、中、右三部分: ①左上角是控制柜的开启键ON。其下面15个键作为编程用:其中0～9这10个键可输入数字。 M键选择模式,ESC键用于换码,←→两个键是浏览主页或根据选择的模式左右移动键入的数字,V键做确认。②中间部分上面的LCD显示屏,可显示8行21个字符。它可实时指示柴油发电机组运行中的许多参数。以下是各种操作键:AUTO是机组自动运行键,当控制柜与市电/发电机组自动切换柜(ATS)连接以后,柴油发电机组即根据ATS的指令动作:市电正常,机组不工作;市电中断，机组即刻起动。STOP停机键，可手动停机。TEST试验、测试键,按动它以后，就可以用MANU手动键起动柴油发电机组，对其运行状况进行测试。RESET是机组排除故障以后的复位键。它的右边就是面板上的所有LED小指示灯的测试键。按一下它，所有的小灯会依次亮一下，以此测试指示灯是否工作正常。③面板右边部分的上面,是实时运行参数的测量功能区:它的U/V键,用作查看同步发电机的输出电压。按动它,LCD显示屏即刻指示线电压U及相电压V的实时测量值。触动I键,则显示同步发电机A、B、C三相各自输出的相电流。F键是选择在LCD屏上查看输出频率的。它旁边的柴油发电机组运行状态测量键,可看到柴油发动机的转速、运行时间和机组起动用蓄电池组的电压。这四个测量按键下面的8个小指示灯,从它们各自右边的示意图就得知是一些运行/安全指示灯。按照纵向排列的顺序,从上到下,先左排后右排,它们的功能分别是:A.油压(机油)异常;B.水温(冷却液)异常;C.不能起动(柴油发电机组);D.超速(机组转速);E.加载准备(可接入负荷);F.充电失效(对启动用蓄电池);G.一般报警;H.一般故障。在柴油发电机组运行过程中,只要出现这8种情况则相应的指示灯就会亮起或闪烁。这8个运行/安全指示灯下面的两个键，是控制同步发电机输出端的空气断路器用的，按I键使空气断路器闭合，O键使其分开。控制面板(屏)是个人机交互界面:界面上的这些功能,其实是由控制柜内安装的以16位微处理器或可编程控制器为核心的控制板所提供的。信息分析、处理迅速精确的控制板,其功能除了面板上的这些按键和指示灯已经提供的以外,还有:机组手动或自动起动不成功控制;机组第一次起动不成功,可隔30s左右再起动一次,若仍不成还可以第三次起动。三次起动均失败,控制电路禁止再起动柴油机机组。机组起动成功,发电机正常发电,控制主开关合闸向负载送电。市电恢复后,控制主开关分闸脱离负载。过压/欠压保护:发电机输出电压高于或低于标准值范围时,主开关自动分闸;电压恢复正常后,主开关自动合闸。当柴油机出现低油压、高水温、超速等异常时自动停机。·与柴油发动机电子调速器和同步发电机的AVR的CAN总线连接。普通控制柜具有多项测控功能,完全满足柴油发电机组单机运行的需要。这归功于作为核心的16位微处理器。对于需要两台或多台同时并联运行的柴油发电机组，则是以32位微处理器为核心构成的控制柜。它除了包含普通控制柜的全部功能外，还增加了更为完备的测控内容。突出特点是：它以最快的速度在并联运行的各机组之间精确地传递着相关参数和指令。以确保最多8台机组并联运行或与市电并网。并联机组用的一种控制柜面板如图2所示。①左边的F1～F6六个带有LED小指示灯的按键,可根据用户的需要编程后设定其功能。例如F1、F2分别设定为发动机每分钟的转数上升、下降。F6设定为强制试机。为了方便操作,每个键的功能标签置于它的旁边。需要时按下键,机组即可响应。②面板的右边是12个LED小指示灯,同样可根据需要,对每个灯闪亮所代表的现象进行定义和编程。例如:最上面的第1个灯定义为并联机组之间协议停机。最下面的第12个灯定义为控制柜接通电源。为了清楚，每个灯的右边用标签表明其指示的现象。机组出现了情况，则相应的小灯就会亮起来。③面板中间部分:上面是LCD显示屏,可查看几台柴油发电机组并联运行状态下,本机的实时工作参数。通过四向键可选择所关注的数据。除此而外,还可用数字键、字母键对F1～F6按键和12个LED指示灯的功能进行编程和定义。①CAN1总线连接数字输入和模拟/数字(A/D)输入模块。以取得电压(U为线电压,V为相电压)、电流(I为相电流,In为零线电流)、频率(F)、温度(机油、冷却液温度)、发动机转速等同步发电机和柴油发动机的实时工作参数。这些在LCD显示屏上也都可以看到。这些参数经32位微处理器分析、运算后，以数字指令形式通过数字输出模块调控相应机构，使机组保持在预设定的工作状态中。CAN2总线专门用于与柴油发动机的电子调速器进行信息交换。因为在并联运行机组中,实时调控发动机的转速有着重要的作用。R485串行通讯口用在与其并联的机组之间通信,使每台柴油发电机组都运行在预置好的各项参数之中。②无论几台柴油发电机组构成并联运行体制,前提条件是它们各自的输出电压瞬时值、频率和瞬时相位都必须相同,并与控制柜预置好的相应数据一致。并联工作的柴油发电机组无论是作为冗余还是增容应用,在其额定的负荷范围内,允许带动电阻性、电容性、电感性或兼而有之被称作电抗性的负荷。但是,负荷必须平均分配到每一台机组上,这是并联工作体系能否成功运行的关键。纯电阻性负荷消耗了发电机输出的电流,将其转化为热能,所以称为有功功率(P)。在这里电压和电流是同相的,相角φ=0。而纯电容性或纯电感性的负荷,发电机输出的电能在这种负荷上并不消耗,而是随着输出电压变化一周的同时,上半周转换成电场或磁场能量,下半周再以电流的形式向电路释放,所以称这时发电机输出的是无功功率。这类负荷上的电流和电压并不同相,而是超前(电容)或滞后(电感)90°。在大多数情况下,并联运行的柴油发电机组带的都是电抗性负荷。这就要求并联中的每台机组不仅要均分有功功率,也必须均分无功功率。并机控制柜,将采集到的瞬时电压、电流、频率等信号,经过32位微处理器的分析和运算,求出功率因数cosφ、有功功率P、无功功率Q(这些都可以在LCD屏上看到)。进而判断P和Q在各机组之间是否均分;哪一台P得不到均分,则控制柜就对发动机的电子调速器发出指令,调节其转速,改变发电机的输出频率,以达到P的均分。若某台机组Q得不到均分,那么控制柜发出指令,变化同步发电机励磁系统的电压调节器的输出电流,使发电机输出电压的幅值变化,以获得对Q的均分。这就是所谓的“有功调频,无功调幅”。当然,这种调节和并联机组中各机的瞬时电压、频率和相位实时保持一致,是相辅相成的。柴油发电机组除了控制柜外,还安装有一些附属电气装置,对保障机组的随时起动、安全运行起着重要的作用。柴油发电机组的同步发电机输出的电能,需要有一个控制装置,来管理它是否向负荷送电。除此而外,该装置还能对负荷电路上出现的过载(负荷电流超过发电机的额定电流)、短路和欠压(负荷引起输出电压低过额定电压)等现象执行自动切断电路,以保护发电机组。这个装置就是比仅有对电路接通(开)和关断作用的普通电气开关多出了对电源自动保护功能的空气断路器。这种断路器用于低压电路。它的接通和断开电路的两个触头(动触头与静触头),就是在空气中接触或分开动作的,动作中产生的电弧由灭弧栅消除。而不像用于高压电路的断路器要用油、惰性气体或真空来灭弧,所以叫做空气(中工作的)断路器俗称“空开”。它们的结构形式和对电路过流、欠压的响应范围,因要适应各种场合中电路的需要,而种类繁多。但其工作原理都大同小异。在柴油发电机组这个领域,常用塑壳式(也称装置式)和框架式(也称万能式)空气断路器作为同步发电机电能输出的开关。一般550kVA以下的机组采用塑壳式空气断路器,这种断路器每种规格的产品对欠压、过载和短路电流的响应值是固定的,它们通常安装在柴油发电机组的控制柜下面。而650kVA以上的机组则常用框架式空气断路器,它们是由几个功能模块在框架内装配而成的,每个模块对过载、短路和欠压的响应范围不同,这样就可以根据对电路保护的需要,灵活组合模块,使用方便。因为它们控制的电路电流都在630A以上,所以体积和重量都较大,当然其性能也更为优越,为此,被安装在一个单独的柜子里,称为电力控制柜。空气断路器主要由可以储能的开关和与其有牵连的脱扣器构成。所谓储能开关,就是它的接通和分断电路的动触头,是由与脱扣器有连带关系的可以储能(即弹簧的压缩或拉伸)的弹簧机构驱动的。靠弹簧的弹性能量动作的触头动作迅速,接触可靠。脱扣器则是可以立即改变弹簧的压缩或拉伸状态,使其带动触头动作的机构。其核心是电磁线圈及衔铁连杆。负荷电路中的过载、短路和欠压都会使电路的电流发生突变,其结果必然是电磁线圈及衔铁连杆强力动作,牵动开关的弹簧机构使触头跳闸,起到保护柴油发电机组的作用。这个工作过程可用图3的示意图表示。发电机工作后,电磁线圈A得电,吸住衔铁并将弹簧压缩储能。合闸时,电动或手动使线圈A断电,弹簧即刻弹起,带着动触头压住静触头。电磁线圈B取电于负荷电路,过载、短路和欠压都会使线圈B通过超大的电流并产生强大的电磁力吸住衔铁。从而使弹簧再次被压缩,动触头与静触头分离,保护柴油发电机组。柴油发电机组通常采用由蓄电池供电的直流电动机起动。工作原理如图4所示。起动时,用钥匙将3、2两点接通。蓄电池组(一般200kVA以下的机组,用两块12V、100Ah或150Ah串联成一组。也有的进口机组用的是12V起动电机,只用一块电池。200kVA以上机组,则常用一组12V、200Ah电池或两组12V、150Ah电池并联)正极经过按钮开关和电磁铁线圈接向起动电机(一般是24V、5～10kW串激直流电机),负极则直接连到电机的负极。按下按钮开关,电磁铁得电吸合衔铁,推出起动电机齿轮与柴油发动机飞轮齿圈相啮合,带动飞轮旋转,使柴油发电机组起动。然后将钥匙回位,3、1两点接通。电磁铁失电放开衔铁,起动电机齿轮随之脱开飞轮齿圈。
充电发电机,一般采用28V 0.5kW～1kW的交流发电机,机内带有硅二极管全波整流器和电压调节器,所以也称硅整流充电发电机(见图4右侧)。柴油机曲轴通过皮带轮带动发电机工作。发出的交流电被整流后,其正极经过电流表对蓄电池组充电,负极直接电池负极。电压调节器也并接在这两极之间。其作用是:在柴油发电机组因负荷变化而引起转速变动,使充电发电机电压不稳时,保证对电池组充电电压的稳定。大多数的柴油发电机组在不工作时,是用市电经过专门的充电器给蓄电池组充电。以保持平时的浮充状态,使电池满电量。发电机组起动工作时,再自动转为充电发电机充电。安装在冬季特别寒冷地区的柴油发电机组,为了保证随时起动,通常都用由市电供电,自动工作的电动预热器对冷却液进行加温,以保持机体温度在15℃左右。冷却液由水箱下部的管道进入电预热器,加温后再从出口管道流回水箱。通过冷、热水像空气那样会自动循环交换,使冷却液及机体温度逐渐上升。当冷却液的温度达到30℃左右时,电动预热器的温控开关会自动断开。温度降到10℃左右时,它又会自动接通进行加热,以使冷却液温度保持在要求的范围之中。
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