Dieselgeneraattorin koon mitoitus: Täydellinen vaiheittainen opas

Kokoon a diesel generaattori , laske kaikkien sen samanaikaisesti toimittavien kuormien kokonaiskäyttöwatti, lisää suurin yhden moottorin käynnistysjännite (yleensä 3 kertaa sen käyttöteho), käytä 20–25 %:n kapasiteettipuskuria ja vähennä sitten korkeutta ja ympäristön lämpötilaa. Tuloksena on generaattorin vähimmäisarvo, jonka tarvitset. Esimerkiksi: laitos, jossa on 40 kW:n käyttökuorma, 15 kW:n moottori on suurin yksittäinen käynnistin (vaatii 45 kW:n aaltovirran) ja toiminta 1 500 metrin korkeudessa tarvitsee generaattorin, joka on mitoitettu vähintään 68-75 kVA kaikkien säätöjen jälkeen. Alimitoitus aiheuttaa ylikuormituslaukaisuja ja moottorivaurioita; ylimitoitus kuluttaa polttoainetta ja aiheuttaa märkäpinoamista dieselmoottoreissa. Tämä opas käy läpi mitoitusprosessin jokaisen vaiheen työstetyillä esimerkeillä, kuormitustaulukoilla ja korjauskertoimilla.

Vaihe 1 – Tunnista ja luettele kaikki sähkökuormat

Generaattorin mitoituksen perusta on täydellinen kuormakartoitus. Jopa yhden suuren kuorman – kompressorin, hissin moottorin tai keskusilmastointiyksikön – puuttuminen voi mitätöidä koko mitoituslaskelman. Järjestä kuormat kolmeen luokkaan niiden sähköisen käyttäytymisen perusteella:

• Resistiiviset kuormat — hehkulamput, sähkölämmittimet, leivänpaahtimet, vedenlämmittimet; nämä ottavat tasaista virtaa tehokertoimella 1,0 ja ilman käynnistyspiikkiä; Käynnissä oleva watti = nimikilven wattia
• Induktiiviset kuormat (moottorit) — ilmastointilaitteet, pumput, kompressorit, tuulettimet, sähkötyökalut; nämä kuluttavat käynnistyksen yhteydessä 3–7 kertaa käyntivirtaansa 0,5–3 sekunnin ajan; tämä käynnistyspurkaus on generaattorin mitoituksen päätekijä useimmissa sovelluksissa
• Elektroniset / epälineaariset kuormat — tietokoneet, VFD:t (taajuusmuuttajat), UPS-järjestelmät, LED-ajurit, akkulaturit; nämä ottavat ei-sinimuotoista virtaa, joka aiheuttaa harmonisen vääristymän; vaativat generaattorit, jotka on mitoitettu harmoniseen käyttöön (yleensä THD <5 % täydellä kuormalla)

Merkitse kunkin kuorman tyyppikilpeen käyvät watit (tai kW), jännite ja vaihe (yksivaiheinen tai kolmivaiheinen). Jos tyyppikilven tietoja ei ole saatavilla, käytä ampeeriluokitusta ja laske: wattia = volttia × ampeeria × tehokerrointa (käytä arvoa 0,85–0,90 useimmille moottoreille, jos tehokerrointa ei ole ilmoitettu).

Vaihe 2 – Laske kokonaiskäyttökuorma ja moottorin käynnistysvaatimukset

Kokonaiskäyttökuorma

Summaa kaikki käynnissä olevat watit jokaiselle samanaikaisesti toimivalle kuormalle. Älä ota mukaan kuormia, joita ei koskaan käytetä samaan aikaan – rakennukseen sähkökatkon jälkeen virtaa antavan varageneraattorin ei tarvitse palvella samanaikaisesti sekä jäähdytysvesilaitosta että lämmitysjärjestelmää, jos ne toimivat eri vuodenaikoina. Ole kuitenkin varovainen: ota mukaan kuormia, jotka voivat teoriassa mennä päällekkäin, vaikka ne olisivat epätavallisia.

Moottorin käynnistysvirta: kriittinen ylijännite

Kun sähkömoottori käynnistyy, se ottaa lukitun roottorin virran (LRC), joka on tyypillisesti 3-7 kertaa sen täyden kuorman käyttövirta . Generaattorin mitoituksessa tämä ylijännite ilmaistaan ​​käynnistyswatteina – hetkellisenä tehontarvena moottorin käynnistyksen yhteydessä. Yleisimmin käytetyt moottorityypin kertoimet ovat:

• Suorakäynnistysmoottorit (DOL). - aloituswatti = 3× käynnissä wattia (konservatiivinen yleisesti käytetty arvo; todellinen LRC voi olla jopa 7× suurilla moottoreilla)
• Kondensaattorikäynnistysmoottorit - aloituswatti = 1,5-2× käynnissä wattia ; käynnistyskondensaattori vähentää syöttövirtaa merkittävästi
• Pehmeällä käynnistimellä tai VFD:llä varustetut moottorit — käynnistyswatti ≈ käyttöwatti; pehmokäynnistimet ja taajuusmuuttajat ramppaavat jännitettä tai taajuutta vähitellen rajoittaen sisäänsyötön 110-150 % käyttövirrasta ; tämä vähentää dramaattisesti generaattorin mitoitusvaatimuksia raskaissa moottoreissa

Generaattorin tulee käsitellä skenaariota, jossa suurin moottori käynnistyy, kun kaikki muut käynnissä olevat kuormat kuluttavat jo virtaa. Kriittinen laskelma on: Generaattorin mitoituskuorma = (kaikkien kuormien yhteenlaskettu käyttöwatti) (suurimman yksittäisen moottorin käynnistysjännite – sen käyntiwatit) . Tämä edustaa hetkellisen kysynnän huippua sillä hetkellä, kun suurin moottori käynnistyy.

Toiminut esimerkki: Toimistorakennuksen valmiustilageneraattori

Harkitse toimistorakennusta, joka vaatii varavirtaa:

• Valaistus ja pistorasiat: 12 000 W (12 kW)
• Palvelinhuoneen UPS: 8 000 W (8 kW)
• Hissin moottori (DOL-käynnistys): 15 000 W käynnissä (15 kW), käynnistysjännite = 3 × 15 000 = 45 000 W
• LVI-puhallinmoottorit: 10 000 W käynnissä (10 kW), käynnistysjännite = 3 × 10 000 = 30 000 W
• Palopumpun moottori (DOL start): 7 500 W käynnissä (7,5 kW), käynnistysjännite = 3 × 7 500 = 22 500 W

Kokonaiskäyttökuorma: 12 8 15 10 7,5 = 52,5 kW
Moottorin suurin käynnistysjännite: Hissimoottori 45 kW käynnistyksellä − 15 kW käynnissä = 30 kW ylijännitetarve
Huippu hetkellinen kysyntä: 52,5 30 = 82,5 kW

Vaihe 3 – Muunna kVA:ksi ja käytä tehokerrointa

Generaattorin kapasiteetti on ilmoitettu kVA (kilovolttiampeeria) — näennäinen teho — kW (kilowatteja) sijaan — todellinen teho. Suhde on:

kVA = kW ÷ tehokerroin

Useimmat dieselgeneraattorit on mitoitettu tehokertoimella 0,8 jäljessä — tämä on vakiooletus, ellei toisin mainita. Generaattori, jonka teho on 100 kVA tehokertoimella 0,8, tuottaa 80 kW todellista tehoa . Tämä tarkoittaa, että sinun on jaettava kW-tarve 0,8:lla saadaksesi tarvittavan kVA-luokituksen.

Jatketaan työstettyä esimerkkiä:

• Huippu hetkellinen kysyntä: 82.5 kW
• Vaadittu kVA: 82,5 ÷ 0,8 = 103 kVA

Jos kuormasi on pääosin resistiivinen (lämmittimet, valaistus) ja vain vähän moottoreita, todellinen tehokerroin voi olla lähempänä 0,9–1,0, ja jakaminen 0,8:lla on liian varovaista. Jos kuormasi on pääasiassa induktiivisia moottoreita, todellinen tehokerroin voi olla 0,7 tai vähemmän , ja oletus 0,8 saattaa alikokoa generaattorin. Tarkkaa mitoitusta varten mittaa tai laske kaikkien kuormien painotettu keskimääräinen tehokerroin.

Vaihe 4 – Käytä kapasiteettipuskuria (päätilatekijä)

Dieselgeneraattorin käyttäminen 100 %:lla nimelliskapasiteetista aiheuttaa jatkuvasti liiallista lämpörasitusta, nopeuttaa kulumista eikä jätä marginaalia kuormituksen lisäyksille tai laskentavirheille. Toimialan käytäntö on käyttää dieselgeneraattoreita osoitteessa 70–80 % nimelliskapasiteetista täydellä käyttökuormalla , jättäen 20–30 % liikkumavaraa.

Käytä tilakerrointa jakamalla laskettu kVA-tarve tavoitekuormitusosuudella:

• 80 % latauksella: Vaadittu generaattori kVA = Laskettu kVA ÷ 0,80
• 75 % latauksella: Vaadittu generaattori kVA = Laskettu kVA ÷ 0,75

Jatkaen esimerkkiä 80 %:n kuormituksella: 103 kVA ÷ 0,80 = 129 kVA miniminimellisgeneraattori . Lähin vakiogeneraattorikoko tämän yläpuolella on tyypillisesti a 150 kVA yksikkö .

Huomautus minimikuormituksesta: dieselmoottoreissa on myös a vähimmäiskuormitusvaatimus 30–40 % nimelliskapasiteetista . Dieselgeneraattorin käyttäminen tämän kynnysarvon alapuolella pitkiä aikoja aiheuttaa märkäpinoamista – epätäydellinen palaminen kerää palamatonta polttoainetta ja hiiltä pakojärjestelmään ja sylintereihin, mikä lisää huoltokustannuksia ja lyhentää moottorin käyttöikää. Jos odotettu käyttökuormasi on usein alle 30 % generaattorin nimellisarvosta, yksikkö on ylimitoitettu ja sinun tulee valita pienempi generaattori tai työkoneen kuormitus (kytke keinotekoinen resistiivinen kuorma moottorin minimikuormituksen ylläpitämiseksi).

Vaihe 5 – Vähennä korkeutta ja ympäristön lämpötilaa

Dieselgeneraattorin teho on vakio-olosuhteissa: merenpinta (0 m korkeus), 25 °C (77 °F) ympäristön lämpötila ja 30 % suhteellinen kosteus ISO 8528-1:n tai SAE J1349:n mukaan. Käyttö merenpinnan yläpuolella tai korkeissa ympäristön lämpötiloissa vähentää moottoriin pääsevän ilman tiheyttä, mikä vähentää palamistehokkuutta ja tehoa. Generaattoria on vähennettävä — sen tehollinen teho on pienempi kuin tyyppikilven nimellisarvo, joten tyyppikilven nimellisarvon on oltava laskettua suurempi.

Korkeuden vähentäminen

Vapaasti hengittävien dieselmoottoreiden normaali vähennyssääntö on noin 3–4 % tehohäviö per 300 metriä (1 000 jalkaa) merenpinnan yläpuolella . Turboahdetut moottorit heikkenevät vähemmän - tyypillisesti 1-2% per 300m — koska turboahdin kompensoi pienentyneen ilman tiheyden suunnittelurajaansa asti, minkä jälkeen aleneminen kasvaa jyrkästi. Käytä aina valmistajan erityisiä vähennyskäyriä; alla olevat arvot ovat edustavia:

Lämpötilan alentuminen

Normaalin 25 °C lämpötilan yläpuolella generaattorit heikkenevät noin 1 % per 5,5 °C (10 °F) yli 25 °C:ssa useimmille turboahdetuille moottoreille. Trooppisessa ympäristössä, jossa ympäristön huippulämpötila on 45 °C (20 °C normaalia korkeampi), odota ylimääräistä 3-4 % tehon vähennys . Yhdistetty korkeuden ja lämpötilan vähennys on moninkertaista – molemmat tekijät pätevät samanaikaisesti.

Vaaditun tyyppikilven kVA löytäminen alennuksen jälkeen: Vaadittu tyyppikilpi kVA = vaadittu tehollinen kVA ÷ (korkeustekijä × lämpötilakerroin)

Esimerkki: 129 kVA:n tehollinen tarve 1 500 metrin korkeudessa (kerroin 0,94) ja 40 °C ympäristön lämpötilassa (tekijä 0,97) edellyttää: 129 ÷ (0,94 × 0,97) = 129 ÷ 0,912 = Tyyppikilpi vähintään 141 kVA , joten valitse seuraava vakiokoko: 150 kVA .

Yleiset kuormatyypit ja niiden mitoituskertoimet

Prime Power vs. Standby -luokitus: oikean luokitusluokan valinta

Dieselgeneraattoreita myydään useilla luokituksilla, jotka määrittelevät, kuinka kovaa ja kuinka kauan moottori pystyy ylläpitämään tietyn tehon. Generaattorin käyttäminen sen tarkoitetun luokitusluokan ulkopuolella aiheuttaa ennenaikaisen moottorin vian. Neljä pääasiallista ISO 8528 -luokitusluokkaa ovat:

• Valmiustila (ESP — Emergency Standby Power) — suurin teho hätäkäyttöön vain sähkökatkon aikana; ei ylikuormitusta sallittu ; tyypillinen käyttö rajoitettu 200 tuntiin vuodessa; Tämä on tyyppikilven korkein kVA-arvo, mutta se ei sovellu ensisijaisiin tehoihin tai usein käytettyihin sovelluksiin
• Prime Power (PRP - Prime Rated Power) — jatkuva käyttö rajoittamattoman tunnin ajan, kun sähköä ei ole saatavilla; 10 % ylikuormitus sallittu 1 tunnin ajan 12:ssa ; mitoitettu noin 80–90 % saman moottorin valmiustilasta; sopii verkon ulkopuolisille kohteille, rakennusvoimalle ja kaivostoiminnalle
• Jatkuva teho (COP) — peruskuormituskäyttö vakioteholla rajoittamattoman tunnin ajan ei ylikuormitusta sallittu ; noin 70–80 % valmiustilan arvosta; käytetään saarivoimantuotannossa ja peruskuormasovelluksissa
• Rajoitettu aikakäyttöteho (LTP) — toiminta rajoitetun ajan muissa kuin hätätilanteissa; tyypillisesti enintään 500 tuntia vuodessa

Generaattori, jota markkinoidaan nimellä "100 kVA Standby / 90 kVA Prime", on kaksi eri tehorajaa käyttötavasta riippuen . Sairaalan varageneraattorille, jota käytetään vain sähkökatkojen aikana, sovelletaan 100 kVA:n valmiustilaluokitusta. Jatkuvasti ainoana virtalähteenä toimivalle kaivosleirin generaattorille pätee 90 kVA:n pääteho – ja mitoituslaskelmassa on käytettävä 90 kVA:ta vertailuarvona, ei 100 kVA:ta.

Kolmivaiheiset vs. yksivaiheiset generaattorit ja kuormituksen tasapainotus

Noin yli 15–20 kVA generaattorit ovat lähes aina kolmivaiheisia (3Φ), koska kolmivaiheinen teho mahdollistaa tehokkaamman tehonsiirron ja sitä tarvitaan kolmivaihemoottoreissa. Kun mitoitetaan kolmivaiheinen generaattori sekakuormitusta varten (jotkut kolmivaihemoottorit plus yksivaihekuormat), vaihetasapainosta tulee kriittinen näkökohta.

Kolmivaiheiset generaattorit on mitoitettu tasapainotetuille kuormille – sama teho jokaisessa vaiheessa. Jos yksivaiheiset kuormat jakautuvat epätasaisesti kolmeen vaiheeseen, eniten kuormitettu vaihe rajoittaa generaattorin kokonaistehoa ja voi aiheuttaa jännitteen epätasapainoa, joka vahingoittaa moottoreita ja elektroniikkaa. Useimmat generaattorivalmistajat määrittelevät tämän yksivaiheisen kuormituksen epätasapaino kahden vaiheen välillä ei saa ylittää 25 % generaattorin nimellisvirrasta vaihetta kohti .

Kun laadit kuormituslistaa kolmivaiheiselle generaattorille, määritä jokainen yksivaiheinen kuorma tiettyyn vaiheeseen ja varmista, että mikään vaihe ei kuljeta enempää kuin noin 1/3 kokonaiskuormasta 12,5 % kokonaiskVA:sta . Käytännössä jaa kuormat mahdollisimman tasaisesti ja varmista tasapaino sähköasentajan kanssa asennuksen yhteydessä.

Mitoitus epälineaarisille kuormille: UPS-järjestelmät ja VFD:t

Epälineaariset kuormat – UPS-järjestelmät, taajuusmuuttajat, hakkuriteholähteet ja akkulaturit – kuluttavat ei-sinimuotoista virtaa, joka aiheuttaa harmoninen särö generaattorin jännitelähtöön. Tämä harmoninen sisältö aiheuttaa ylimääräistä kuumenemista vaihtovirtageneraattorin käämeissä ja voi häiritä generaattorin automaattista jännitteensäädintä (AVR) aiheuttaen jännitteen epävakautta.

Teollisuuden ohje pääasiassa epälineaarisia kuormia syöttävien generaattoreiden mitoittamisesta:

• UPS-järjestelmät — generaattorin koko 1,5–2 kertaa UPS:n kVA-luokitus ; 50 kVA UPS vaatii vähintään 75–100 kVA generaattorin; tämä ottaa huomioon harmonisen tehon pienenemisen, UPS-tulon tehokertoimen ja akun lataustarpeen ensimmäisten minuuttien aikana generaattorin käynnistyksen jälkeen
• Taajuusmuuttajat (VFD) — VFD:t vähentävät moottorin käynnistyspiikkiä, mutta tuovat yliaaltoja; generaattorin kokoinen 1,25× kaikkien VFD-kuormien vaatima kVA ; määritä generaattori, jossa on "12-pulssinen" tai matala-THD-generaattori, jos VFD-kuormat ylittävät 50 % generaattorin kokonaiskuormasta
• Datakeskus/palvelin latautuu — nykyaikaisten palvelinvirtalähteiden tehokertoimet ovat 0,95–0,99 ja niiden harmoninen sisältö on kohtalainen; koko at 1,25–1,5 × IT-kuormitus ottaa huomioon tehonjakeluyksikön (PDU) häviöt ja jäähdytyslaitteet

Täydellinen mitoitusesimerkki: Teollinen työpaja

Valmistuspaja vuoristoisella alueella osoitteessa 1200 m korkeudessa jonka ympäristön lämpötila on huippuluokkaa 38 °C vaatii päävirtageneraattorin seuraaville kuormille:

Mitoituslaskelma:

1. Kokonaiskäyttökuorma: 53.6 kW
2. Suurin moottorin ylijännitelisäys: Ilmakompressorin ylijännite (45 kW) − käynnissä (15 kW) = 30 kW
3. Huippu hetkellinen kysyntä: 53.6 30 = 83.6 kW
4. Muunna kVA:ksi PF 0,8:lla: 83,6 ÷ 0,8 = 104,5 kVA
5. Käytä 80 %:n kuormituskorkeutta: 104,5 ÷ 0,8 = 130,6 kVA
6. Korkeuden aleneminen 1 200 metrin korkeudessa (turboahdettu, kerroin ≈ 0,953): 130,6 ÷ 0,953 = 137 kVA
7. Lämpötilan aleneminen 38 °C:ssa (kerroin ≈ 0,975): 137 ÷ 0,975 = 140,5 kVA
8. Valitse generaattorin vakiokoko: 150 kVA Prime-mitoitettu

Yleisimmät kokovirheet ja niiden välttäminen

• Moottorin käynnistyspiikin huomioiminen — yleisin syy alimittaukseen; generaattori, joka käsittelee juoksevia kuormia helposti, voi laueta välittömästi, kun suuri moottori käynnistyy; laske aina huipputarve, mukaan lukien suurin moottorin käynnistys
• Sekava kW ja kVA — toimittaja, joka lainaa "100 kW generaattoria" tehokertoimella 0,8, tarjoaa 125 kVA; tarkista, onko ilmoitettu luku kW tai kVA, jotta vältytään 25 %:n alimittaukselta
• Valmiustilan luokituksen käyttäminen ensiluokkaisissa tehosovelluksissa — Jatkuvasti verkon ulkopuolella toimiva generaattori on mitoitettava sen päätehon mukaan, ei (korkeamman) valmiustilan tehon mukaan; Valmiustilan käyttö jatkuvassa käytössä johtaa moottorin ylikuormitukseen ja ennenaikaiseen vikaan
• Ylimitoitus "turvalliseksi" tarkistamatta vähimmäiskuormitusta — 500 kVA:n generaattori, joka on asennettu 50 kW:n kuormitukseen, toimii 10 prosentin teholla, mikä aiheuttaa vakavaa märkäpinoamista; vähimmäiskäyttökuormituksen tulee olla 30–40 % nimelliskapasiteetista
• Korkeuden ja lämpötilan vähentäminen jätetään pois — 100 kVA:n generaattori 2 000 metrin korkeudessa voi tuottaa vain 91 kVA; Tämän huomiotta jättäminen voi johtaa krooniseen ylikuormitukseen korkeilla paikoilla
• Ei ota huomioon tulevaa kuormituksen kasvua — juuri tämän päivän kuormituksille mitoitetulla generaattorilla ei ole tilaa laajennukselle; lisää realistinen kasvuennuste (yleensä 10-20 % lisäkapasiteettia tiloihin, joita odotetaan laajenevan 5 vuoden sisällä)