朗沃德LW5500CY單相汽油發電機組的設計開發

覃文龍，譚明作

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州545005）

電能是現代社會最主要的能源之一。獲得電能的方式有很多，有煤炭發電、水力發電、核能發電、風力發電、太陽能發電、潮汐能發電等等，其中以煤炭發電和水力發電為主。隨著全國經濟的高速發展，目前的發電設備遠遠不能滿足經濟用電的需求，加上最近國家關閉多家污染嚴重的煤炭發電企業和水資源的匱乏，使得國內眾多鄉鎮居民用電無法得到保證，出現了拉匣限電現象，嚴重影響了鄉鎮居民的生活。為保證鄉鎮居民用電需求，發電機制造企業如雨后春筍般應運而生。在競爭非常激烈的發電機市場里，如何去開發一款競爭力強的發電機組，以搶占市場份額，值得深思。

發電機組是指能將機械能或其他可再生能源轉變成電能的發電設備。一般我們常見的發電機組通常由汽輪機、水輪機或內燃機（汽油機、柴油機等發動機）驅動。本文介紹的朗沃德LW5500CY是屬于內燃機驅動的發電機組。

1 發電機組原理結構

單相汽油發電機組，是以汽油發動機為動力輸出，將發動機曲軸輸出端與單相發電機的轉子同軸連接，帶動發電機轉子做電磁切割運動轉化成電能的電力設備。

1.1 發電機

發電機的原理是基于電磁感應定律和電磁力定律，即穿過閉合回路的磁通量發生變化時，回路中就會產生感應電動勢和感應電流。感應電動勢的大小，正比于磁通量的變化率；感應電流的大小，由感應電動勢決定，感應電流的方向由楞次定律決定。

發電機可分為：直流發電機，交流發電機，同步發電機，異步發電機。交流發電機又分為單相發電機和三相發電機。

（1）發電機結構。發電機通常由定子、轉子、端蓋及軸承等部件構成。定子由定子鐵芯、線包繞組、機座以及固定這些部分的其他結構件組成。轉子由轉子鐵芯（或磁極、磁扼）繞組、護環、中心環、滑環、風扇及轉軸等部件組成。

（2）定轉子材料的選擇。目前發電機定轉子材料使用較多的是熱軋板。熱軋板存在著轉換效率低的缺點，轉換效率一般為78%，而采用冷軋板材料制成的發電機，轉換效率可達到81%。朗沃德LW5500CY單相汽油發電機組采用冷軋板材料制成的發電機，具有轉換效率高、降低能量在轉換過程中的損耗等優點。

1.2 汽油發動機

（1）汽油發動機的選擇。朗沃德LW5500CY單相汽油發電機組的原動力，采用強制風冷式四沖程手啟動OHV（頂置氣門）汽油發動機。

（2）汽油發動機轉速。世界上各國規定的單相交流電頻率都不相同，如日本規定是60 Hz，英國規定是50 Hz，美國規定是60 Hz，而中國規定是50 Hz。朗沃德LW5500CY單相汽油發電機組主要定位于國內使用，即使用50 Hz的頻率輸出。

發電機輸出的頻率與轉速的關系，遵循如下公式：

其中，

n為轉速（r/min）；

f為頻率（Hz）；

p為發電機旋轉磁場的極對數。

LW5500CY為兩極單相有刷發電機組。由上示公式可知，為了使發電機組輸出頻率為50 Hz，則發動機的轉速為n=3 000 r/min

發動機轉速的穩定性，對于發電機組來說非常關鍵，將直接影響發電機組的性能等級。穩定發動機轉速的方法有兩種：一種是電子調速，另外一種是機械調速。朗沃德LW5500CY單相汽油發電機的汽油發動機采用的是機械調速，結構如圖1所示。

圖1 機械調速結構示意圖

調速原理——離心調速器通過齒輪嚙合與曲軸同時轉動。當發動機轉速過高時，離心調速器的飛錘向外張開，推動調速撥叉旋轉，通過調速撥叉、調速臂和連接桿的共同作用，減小化油器進氣門開度，從而降低發動機轉速；當發動機轉速過低時，調速撥叉在彈簧的回復拉力下回歸，推動調速臂旋轉，通過調速撥叉、調速臂和連接桿的共同作用，增大化油器進氣門開度，從而提高發動機轉速。

汽油發動機在出廠時，就已經設定好了額定轉速n=3 000 r/min，在與發電機進行匹配時，通過調整調速彈簧螺栓，可對轉速進行微調，以保證發動機的調速率滿足朗沃德LW5500CY單相汽油發電機性能等級要求。

1.3 發電機組電壓控制

按我國內燃機組行業標準，發電機組的輸出電壓規定為：230V（單相）。

朗沃德LW5500CY單相汽油發電機組的調壓，通過自動電壓調節器AVR（Automatic Voltage Regulators）對發電機的控制來實現。取樣繞組用于AVR對電壓控制的基礎采樣輸入，副繞組用于AVR對電壓控制的輔助控制，DC繞組用于外部蓄電池的充電輸出，AVR通過對勵磁電壓和勵磁電流的調整，來改變轉子產生的旋轉磁場強度，從而滿足外部負載對主繞組的輸出需求。

1.4 電路設計

根據單相汽油發電機組的整機要求，朗沃德LW5500CY單相汽油發電機的電路線路設計如圖2所示。

圖2 朗沃德LW5500CY單相汽油發電機電路線路設計圖

2 性能參數

2.1 設計目標

（1）朗沃德LW5500CY汽油發電機組性能參數：

額定頻率50 Hz；

額定電壓230 V；

額定電流21.8 A；

額定功率（功率因數1）5.0 kW

最大功率5.5 kW

（2）整體噪聲≤76 dB(A)（測量距離7 m）。

（3）性能等級要求達到G2性能等級要求。

（4）可靠性、耐久性：可靠性試驗要求達到120 h；耐久性試驗要求達到200 h。

2.2 過程驗證

（1）性能參數驗證。在大氣壓力Pr=100 kPa，環境溫度Tr=25℃,空氣相對濕度φr=30%的條件下，對朗沃德LW5500CY單相汽油發電機組進行性能測試，測試結果為：

額定頻率50.2Hz；

額定電壓230.5 V；

額定電流22.0 A；

額定功率（功率因數1）5.03 kW；

最大功率5.49 kW

（2）G2性能等級驗證。根據《JB/T 10304-2001工頻汽油發電機組技術條件》要求，在HSJF-3發電機組性能測試控制臺上，進行G2性能等級測試。G2性能等級要求和測量結果見附表1（共表）。

（3）整體噪聲測試。采用5點測量法，測量距離7 m，測量測點的A計權聲壓級，每個測點測量3次。其中測點2（右）為消聲器排氣出氣口端，測量時測頭請勿對準消聲器排氣出氣口。測量結果見表2。

表2 整體噪聲測試表 單位:dB（A）

（4）可靠性、耐久性試驗。要求按表3要求執行。

負載的每個循環連續運行時間為8 h，中間停止時間不大于0.5 h，在不需要維修的情況下進行試驗。可靠性試驗運行時間累積，要求達到120 h，耐久性試驗運行時間累積，要求達到200 h。

表3 可靠性、耐久性試驗表

2.3 驗證結論

朗沃德LW5500CY單相汽油發電機組性能參數、性能等級、噪聲、可靠性、耐久性均達到設計目標要求。

3 外觀結構設計

在設計汽油發電機組的外觀結構時，我們充分考慮和追求產品的差異化。產品差異化，是增強產品競爭力、占領市場的一種有效方式。朗沃德LW5500CY單相汽油發電機組由汽油發動機、單相發電機、框架、面板、電器儀表、隔熱板、減震軟墊等零部件組成，減震性能和發電機隔熱效果非常好，而且采用目前市場上少有的圓弧面板設計，把一些影響外觀的螺栓緊固件完全隱藏起來，做工精細，外型飽滿、圓滑，并獲得中華人民共和國國家知識產權局兩項專利保護。

4 結束語

本文分別從原理、性能、外觀結構等方面，介紹了朗沃德LW5500CY單相汽油發電機組的設計開發過程。朗沃德LW5500CY單相汽油發電機組在與同類發電機組相比，具有性能優越、外觀精美等優點，是一款具有相當市場競爭力的汽油發電機組產品。該款發電機組自上市以來，深受客戶歡迎，具有很好的市場發展前景。