新聞主題	柴油發電機組與電動機的匹配數據分析

 

摘要：對于柴油發電機組容量的選擇，有些設計人員往往采用估算法，很少檢驗發電機啟動時是否滿足瞬時壓降、最大峰值電流及最大峰值功率等要求。在我們實際應用中，經常會碰到大功率電動機選型備用柴油發電機組的案例：如消防泵，礦下排水泵等。而在以前的設計中經常會出現大馬拉小車的現象，或者出現選型中要求小發動機配大發電機現象。康明斯公司在本文中通過計算比較，指出哪種電動機的啟動順序方式對發電機的啟動更為有利。

 

一、容量選擇

 

1、選型設計主要考慮因素

      為了幫助設計師設計出最經濟實用的柴油發電機組選型方案， 康明斯公司將向大家介紹，大功率電動機選型備用發電機組設計中需要考慮的因素。

（1）了解允許的電壓降和頻率降

      眾所周知，電動機直接啟動時都會有3～10倍的啟動電流，即電動機啟動時發電機組將承擔3～10倍電動機正常運行時的負載。進行發電機組選型時就需要選擇發電機組啟動容量大于電動機啟動時的負載。考察發電機組啟動容量SKVA，與電動機或電動機系統允許的電壓降有關。發電機電壓降與頻率降有關。因此獲得電動機運行時允許的電壓降和頻率降是設計師開始設計時需要了解的第一步。

      以康明斯發電機組為例，通常15%電壓降下，低壓機組的SKVA約為額定容量的2倍，高壓機組的SKVA約為額定容量的70%。電壓降要求越小，其啟動容量SKVA將會以極大的比率下降。

① 第一步

      根據負載之和初選發電機容量，并檢驗柴油發電機在負荷峰值電流沖擊下的電壓降，使其不超過允許值；

② 第二步

      校驗柴油機的能力，即在負載峰值功率（與電動機有效啟動容量相似的涵義）沖擊下，柴油機不得熄火停轉，而應使所拖動的發電機把負載電動機啟動起來，也就是柴油機的功率必須大于負荷的峰值功率。

      完成第一步工作后，可求出負載峰值電流為負荷電流的多少倍，查圖1的曲線，檢驗電壓降，看看發電機能否滿足要求。第二步工作，需計算出作用在柴油機軸上的峰值功率，并與柴油機制動功率比較。

（2）發電機組電壓的選擇

      從發電機特性來看，在相同電壓降下，中壓（10KV）發電機啟動容量 SKVA較低壓（400V）發電機啟動容量SKVA要小得多。因此確定備用柴油發電機組電壓，將成為設計師開始設計時，需要做出的又一重要特性選擇。

（3）啟動方式的選擇

      電動機啟動電流與啟動方式息息相關，不同啟動方式，啟動電流差別較大。通常的啟動方式有：直接啟動、星形三角形啟動，降壓啟動、軟啟動和變頻啟動。對比曲線如圖2所示。

      直接啟動方式電動機的啟動電流最大，星形三角形啟動啟動電流約為直接啟動啟動電流的1/3；降壓啟動啟動電流與啟動電壓有關，與直接啟動相比，其啟動電流比為降壓電壓的平方與直接啟動電壓的平方之比（I1/I2=U12/U22）；不同軟啟動有不同的軟啟動電流，通常為運行額定電流的1～3倍。變頻啟動的啟動電流最小。

      希望設計師在進行大功率電動機的備用柴油發電機組選型時根據電動機的直接啟動電流大小及發電機在此電壓降要求下的SKVA值選擇合適的啟動方式。

（4）電動機效率的選擇

      電動機效率也是在備用柴發時的重要技術參數。電動機驅動是將電能轉化為機械能。因此能量轉換效率也直接影響了備用柴發選型時的功率大小。

 

圖1 柴油發電機最大峰值電流與瞬時壓降關系圖

電動機軟啟動與硬啟動特性曲線

 

 

 2、選型設計技術參數

      綜上所述，設計師在設計前需要了解相關技術參數及應用情況。下面將康明斯柴油發電機組相關技術參數列表，整理如下供參考：

表1  柴油發電機組選型應用數據表

 

 

二、選型校驗表

 

      現以康明斯（Cummins）柴油發電機為例（該柴油發電機允許端電壓瞬時壓降為20%）說明這一過程。

      選一臺康明斯柴油發電機，為功率分別為15kW、27kW、27kW、27kW、45kW、55kW、95kW 的異步電動機供電，按三種啟動次序啟動，表2為按電動機的功率由小到大次序方式啟動，表3按電動機功率由大到小次序方式啟動，表4為按電動機啟動電流由大到小次序方式啟動。根據負荷電流初選主發電機功率為360kW。

      下面分別按表1～3的計算結果進行校驗：

（1）在表1中

      最大峰值電流為731.1A，最大峰值功率為411.3kW，初選機組CV360的長期持續電流（即額定電流）684A，峰值電流為發電機額定電流731.1/684=1.07倍。可求得發電機瞬時端電壓降為額定電壓的16%。此機組柴油機的制動功率為360×1.1=396（kW）（柴油機制動功率按發電機主發電功率千瓦數的1.1倍配備），不滿足發電機峰值功率411.3kW的要求。

（2）在表2中

      最大峰值電流為778.4A，最大峰值功率388.2kW，檢驗計算方法同上，可求得發電機瞬時端電壓降為額定電壓的17%，機組柴油機的制動功率396kW，滿足發電機峰值功率388.3kW 的要求。

（3）在表3中

      最大峰值電流為636.4A，最大峰值功率386.3kW，檢驗計算方法同上，可求得發電機瞬時端電壓降為額定電壓的14%，機組柴油機的制動功率396kW，滿足發電機峰值功率386.3kW 的要求。

      經比較，電動機按表2啟動順序方式雖滿足發電機的瞬時電壓降（20%）要求，但不滿足發電機峰值功率要求，而電動機按表3或表4啟動順序方式不但滿足持續負荷要求，也同時滿足電壓降及功率峰值的要求。但表4的最大峰值電流及最大峰值功率為最小，這對發電機的啟動更為有利。

 

表2   按電動機的功率由小到大次序方式啟動

注：（1）電動機效率均按0.8，功率因數運行時按0.8.啟動時按0.38計算.以下均同。
       （2）星-三角啟動電流按負荷電流的2倍計算，直接啟動電流按負荷電流的6倍計算，以下均同。

表3   按電動機功率由大到小次序方式啟動

表4   按電動機啟動電流由大到小次序方式啟動

 

三、選型注意事項

 

      在高層建筑中，電動機容量比較大的是消防泵電機。因此，柴油發電機容量主要由消防泵電機容量及啟動方式決定。為此，在滿足要求的前提下，為了減少初投資及運行費用，應盡量減小柴油發電機組的容量，宜做以下幾方面的工作：

1、與消防給排水專業協商，在滿足消防用水的前提下，盡量減少消防水泵的電機容量。

2、對功率較大的異步電動機采用“Y—△”啟動器等降壓啟動措施。

3、應盡可能調整啟動順序。首先啟動大容量或啟動電流大的異步電動機，然后再按順序啟動容量較小或啟動電流較小的異步電動機，最后接入無沖擊性的其他負荷。

4、啟動時間錯開，避免電動機同時啟動。e.當發電機組除接帶消防負荷外，平時又要接入其他非消防重要負荷時，應考慮兩者不得同時運行，兩者要進行比較，擇其容量大者作為所選柴油發電機的容量。

5、當建筑規模較大、消防設備較多時，特別對于多棟建筑群及小區的各種消防設備，要進行分析，哪些消防設備在火災時可能同時運行，擇其最有可能同時運行且容量較大者作為所選柴油發電機的容量。

 

KTA38系列康明斯發電機組側面外觀圖

KTA38系列康明斯發電機組后視圖及參數

 

總結：

      同樣功率的用電器，由于用電器的類型不同，啟動電流差異很大，對發電機功率的需求不同。所以用戶在選購產品時，應先計算好多大功率的發電機能滿足正常使用。另外，由于柴油發電機的實際輸出功率會受海拔高度、溫度、環境濕度等因素影響。在海拔高度、溫度、環境濕度增加的情況下，柴油發電機的功率會有不同比例的下降，請參閱發電機的有關資料，在核算柴油發電機的使用功率時請考慮進去，再進行選購才能避免使用功率不足。 

 

 

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