Как подобрать дизельный генератор: полное пошаговое руководство

Чтобы определить размер дизельный генератор , рассчитайте общую рабочую мощность всех нагрузок, которые он должен питать одновременно, добавьте самый большой пусковой импульс одного двигателя (обычно в 3 раза больше его рабочей мощности), примените буфер мощности 20–25%, затем уменьшите номинальные характеристики в зависимости от высоты и температуры окружающей среды. В результате вы получите необходимую минимальную мощность генератора в кВА. Например: для объекта с рабочей нагрузкой 40 кВт, двигателем мощностью 15 кВт в качестве самого крупного одиночного стартера (требующего скачка напряжения 45 кВт) и работами на высоте 1500 м требуется генератор, рассчитанный на мощность не менее 68–75 кВА после всех регулировок. Недостаточный размер приводит к отключениям по перегрузке и повреждению двигателя; превышение размера приводит к перерасходу топлива и вызывает мокрое штабелирование в дизельных двигателях. В этом руководстве описан каждый этап процесса определения размеров, приведены рабочие примеры, таблицы нагрузок и поправочные коэффициенты.

Шаг 1. Определите и перечислите все электрические нагрузки

Основой определения размеров генератора является полная инвентаризация нагрузки. Отсутствие даже одной крупной нагрузки — компрессора, двигателя лифта или центрального кондиционера — может свести на нет весь расчет размеров. Разделите нагрузки на три категории в зависимости от их электрического поведения:

• Резистивные нагрузки — лампы накаливания, электрообогреватели, тостеры, водонагреватели; они потребляют постоянный ток с коэффициентом мощности 1,0 и без пускового скачка; рабочие ватты = паспортные ватты
• Индуктивные нагрузки (двигатели) — кондиционеры, насосы, компрессоры, вентиляторы, электроинструменты; они потребляют в 3–7 раз больше своего рабочего тока при запуске в течение 0,5–3 секунд; этот пусковой скачок является основным фактором, определяющим размер генератора в большинстве приложений.
• Электронные/нелинейные нагрузки — компьютеры, частотно-регулируемые приводы, системы бесперебойного питания, драйверы светодиодов, зарядные устройства для аккумуляторов; они потребляют несинусоидальный ток, который вносит гармонические искажения; требуются генераторы переменного тока, рассчитанные на работу с гармониками (обычно THD <5% при полной нагрузке)

Для каждой нагрузки запишите на паспортной табличке рабочую мощность (или кВт), напряжение и фазу (однофазную или трехфазную). Если данные паспортной таблички недоступны, используйте номинальную силу тока и рассчитайте: Ватты = Вольты × Амперы × Коэффициент мощности (для большинства двигателей используйте значение 0,85–0,90, если не указан коэффициент мощности).

Шаг 2. Рассчитайте общую рабочую нагрузку и требования к запуску двигателя.

Общая рабочая нагрузка

Суммируйте все рабочие ватты для каждой нагрузки, которая будет работать одновременно. Не включайте нагрузки, которые никогда не используются одновременно — резервный генератор, питающий здание после отключения электроэнергии, не должен одновременно обслуживать и установку охлажденной воды, и систему отопления, если они работают в разные сезоны. Однако будьте консервативны: включите нагрузки, которые теоретически могут перекрываться, даже если это необычно.

Пусковой ток двигателя: критический импульсный спрос

Когда электродвигатель запускается, он потребляет ток запертого ротора (LRC), который обычно составляет В 3–7 раз превышает рабочий ток при полной нагрузке . Для определения размера генератора этот скачок выражается в пусковых ваттах — мгновенной потребляемой мощности при запуске двигателя. Наиболее часто используемые множители по типу двигателя:

• Двигатели с прямым пуском (DOL) — стартовые ватты = 3× рабочих ватта (обычно используемое консервативное значение; фактическое значение LRC может достигать 7× для больших двигателей)
• Двигатели с конденсаторным пуском — стартовые ватты = 1,5–2 × рабочих Вт ; пусковой конденсатор значительно снижает пусковой ток
• Двигатели с устройствами плавного пуска или ЧРП — стартовые ватты ≈ рабочие ватты; Устройства плавного пуска и приводы с регулируемой частотой постепенно увеличивают напряжение или частоту, ограничивая броски 110–150 % рабочего тока ; это значительно снижает требования к размерам генераторов для установок с тяжелыми двигателями.

Генератор должен справиться со сценарием, когда самый мощный двигатель запускается, в то время как все остальные работающие нагрузки уже потребляют мощность. Критический расчет: Размер нагрузки генератора = (Общая рабочая мощность всех нагрузок) (Пусковой импульс самого большого отдельного двигателя – его рабочая мощность) . Это представляет пиковую мгновенную потребность в момент запуска самого мощного двигателя.

Рабочий пример: резервный генератор офисного здания

Рассмотрим офисное здание, требующее резервного питания для:

• Освещение и розетки: 12 000 Вт (12 кВт)
• ИБП серверной комнаты: 8000 Вт (8 кВт)
• Двигатель лифта (прямой запуск): 15 000 Вт в рабочем режиме (15 кВт), пусковой импульс = 3 × 15 000 = 45 000 Вт
• Двигатели вентиляторов HVAC: 10 000 Вт в рабочем режиме (10 кВт), пусковой импульс = 3 × 10 000 = 30 000 Вт.
• Двигатель пожарного насоса (прямой запуск): 7500 Вт в рабочем режиме (7,5 кВт), пусковой импульс = 3 × 7500 = 22500 Вт

Общая рабочая нагрузка: 12 8 15 10 7,5 = 52,5 кВт
Наибольший пусковой импульс двигателя: Двигатель лифта при пусковой мощности 45 кВт − работающей 15 кВт = дополнительная импульсная нагрузка 30 кВт
Пиковый мгновенный спрос: 52,5 30 = 82,5 кВт

Шаг 3. Преобразование в кВА и применение коэффициента мощности

Мощность генератора оценивается в кВА (киловольт-ампер) — полная мощность — а не кВт (киловатт) — реальная мощность. Отношения:

кВА = кВт ÷ Коэффициент мощности

Большинство дизельных генераторов рассчитаны на коэффициент мощности 0,8 отставание — это стандартное предположение, если не указано иное. Генератор мощностью 100 кВА при коэффициенте мощности 0,8 обеспечивает 80 кВт реальной мощности . Это означает, что вам необходимо разделить требуемую мощность на 0,8, чтобы найти требуемую номинальную мощность в кВА.

Продолжение проработанного примера:

• Пиковый мгновенный спрос: 82.5 kW
• Требуемая кВА: 82,5 ÷ 0,8 = 103 кВА

Если ваша нагрузка преимущественно резистивная (нагреватели, освещение) с очень небольшим количеством двигателей, фактический коэффициент мощности может быть ближе к 0,9–1,0, и деление на 0,8 является слишком консервативным. Если в вашей нагрузке преобладают индуктивные двигатели, фактический коэффициент мощности может составлять 0,7 или ниже , а предположение 0,8 может привести к недостаточному размеру генератора. Для точного определения размера измерьте или рассчитайте средневзвешенный коэффициент мощности для всех нагрузок.

Шаг 4. Примените буфер емкости (коэффициент запаса)

Постоянная эксплуатация дизель-генератора на 100 % номинальной мощности приводит к чрезмерным термическим нагрузкам, ускоряет износ и не оставляет места для увеличения нагрузки или ошибок в расчетах. Промышленная практика заключается в эксплуатации дизель-генераторов при 70–80 % номинальной мощности при полной рабочей нагрузке , оставляя запас 20–30 %.

Примените коэффициент запаса, разделив расчетную потребность в кВА на целевую долю нагрузки:

• При загрузке 80%: Требуемая кВА генератора = Расчетная кВА ÷ 0,80
• При загрузке 75%: Требуемая кВА генератора = Расчетная кВА ÷ 0,75

Продолжение примера при нагрузке 80 %: 103 кВА ÷ 0,80 = Генератор минимальной номинальной мощностью 129 кВА . Ближайший стандартный размер генератора выше этого обычно Блок 150 кВА .

Примечание о минимальной нагрузке: дизельные двигатели также имеют минимальная требуемая нагрузка 30–40 % номинальной мощности . Работа дизельного генератора ниже этого порога в течение длительного периода времени приводит к мокрому сгоранию — неполному сгоранию, отложению несгоревшего топлива и углерода в выхлопной системе и цилиндрах, что увеличивает затраты на техническое обслуживание и сокращает срок службы двигателя. Если ожидаемая рабочая нагрузка часто ниже 30 % от номинальной мощности генератора, это означает, что устройство имеет слишком большие размеры, и вам следует выбрать генератор меньшего размера или внедрить распределение нагрузки (подключение искусственной резистивной нагрузки для поддержания минимальной нагрузки двигателя).

Шаг 5. Снижение номинальных характеристик в зависимости от высоты и температуры окружающей среды.

Выходная мощность дизель-генератора рассчитана при стандартных условиях: уровень моря (высота 0 м), температура окружающей среды 25°C (77°F) и относительная влажность 30 %. согласно ISO 8528-1 или SAE J1349. Работа над уровнем моря или при высоких температурах окружающей среды снижает плотность воздуха, попадающего в двигатель, что снижает эффективность сгорания и выходную мощность. Необходимо снизить номинальные характеристики генератора — его эффективная мощность меньше номинальной, указанной на паспортной табличке, поэтому номинальная номинальная мощность, указанная на паспортной табличке, должна быть выше расчетной.

Снижение характеристик по высоте

Стандартное правило снижения мощности для безнаддувных дизельных двигателей: потеря мощности примерно 3–4% на высоту 300 м (1000 футов) над уровнем моря. . Двигатели с турбонаддувом снижают мощность меньше — обычно 1–2% на 300 м — потому что турбокомпрессор компенсирует пониженную плотность воздуха до расчетного предела, после чего снижение мощности резко возрастает. Всегда используйте специальные кривые снижения характеристик производителя; приведенные ниже значения являются репрезентативными:

Температурное снижение номинальных характеристик

При температуре выше стандартной номинальной температуры 25°C мощность генераторов снижается примерно при 1% на каждые 5,5°C (10°F) выше 25°C для большинства двигателей с турбонаддувом. В тропических условиях с пиковой температурой окружающей среды 45°C (на 20°C выше стандартной) ожидайте дополнительного Снижение мощности на 3–4% . Комбинированное снижение характеристик по высоте и температуре является мультипликативным — оба фактора применяются одновременно.

Чтобы найти требуемую паспортную мощность кВА после снижения номинальных характеристик: Требуемая паспортная табличка, кВА = Требуемая эффективная кВА ÷ (высотный коэффициент × температурный коэффициент)

Пример: Эффективная потребность в 129 кВА на высоте 1500 м (коэффициент 0,94) и температуре окружающей среды 40°C (коэффициент 0,97) требует: 129 ÷ (0,94 × 0,97) = 129 ÷ 0,912 = Минимум 141 кВА, указанный на паспортной табличке , поэтому выберите следующий стандартный размер: 150 кВА .

Распространенные типы нагрузок и их множители

Основная мощность и резервный рейтинг: выбор правильного номинального класса

Дизельные генераторы продаются с несколькими классификациями номиналов, которые определяют, насколько тяжело и как долго двигатель может поддерживать заданную мощность. Использование генератора за пределами предусмотренного номинального класса приводит к преждевременному выходу двигателя из строя. Четыре основных рейтинговых класса ISO 8528:

• Режим ожидания (ESP — аварийное резервное питание) — максимальная мощность для аварийного использования только во время отключения электроэнергии; перегрузка не допускается ; типичное использование ограничено 200 часами в год; это самый высокий номинал в кВА, указанный на паспортной табличке, но он не подходит для приложений с основной мощностью или частого использования.
• Основная мощность (PRP — Prime Rated Power) — непрерывная работа в течение неограниченного времени при отсутствии энергоснабжения; Перегрузка 10% разрешена в течение 1 часа из 12 ; рассчитан примерно на 80–90% от мощности того же двигателя в режиме ожидания; корректно для автономных объектов, строительных мощностей, горнодобывающих работ
• Непрерывная мощность (КПД) — работа базовой нагрузки при постоянной мощности в течение неограниченного времени с перегрузка не допускается ; примерно 70–80% номинала в режиме ожидания; используется в островной выработке электроэнергии и в приложениях с базовой нагрузкой
• Ограниченная по времени мощность (LTP) — работа в течение определенного ограниченного периода времени в неаварийных приложениях; обычно 500 часов в год максимум

Генератор, продаваемый как «100 кВА в режиме ожидания / 90 кВА в режиме ожидания», имеет два разных предела мощности в зависимости от того, как он используется . Для больничного резервного генератора, используемого только во время перебоев в подаче электроэнергии, применяется резервная мощность 100 кВА. Для генератора шахтерского поселка, работающего непрерывно в качестве единственного источника питания, определяющим фактором является основная номинальная мощность 90 кВА, а при расчете мощности в качестве эталона следует использовать 90 кВА, а не 100 кВА.

Трехфазные и однофазные генераторы и балансировка нагрузки

Генераторы мощностью примерно 15–20 кВА почти всегда являются трехфазными (3Φ), поскольку трехфазная мощность обеспечивает более эффективную подачу мощности и необходима для трехфазных двигателей. При выборе трехфазного генератора для смешанной нагрузки (некоторые трехфазные двигатели плюс однофазные нагрузки) баланс фаз становится решающим фактором.

Трехфазные генераторы рассчитаны на сбалансированную нагрузку — одинаковую мощность на каждой фазе. Если однофазные нагрузки распределяются неравномерно по трем фазам, наиболее сильно нагруженная фаза ограничивает общую мощность генератора и может вызвать дисбаланс напряжения, который нанесет вред двигателям и электронике. Большинство производителей генераторов указывают, что однофазный дисбаланс нагрузки между любыми двумя фазами не должен превышать 25% номинального тока генератора на фазу. .

При подготовке списка нагрузки для трехфазного генератора назначьте каждую однофазную нагрузку определенной фазе и убедитесь, что ни одна фаза не пропускает больше, чем приблизительно 1/3 от общей нагрузки 12,5% от общей кВА . На практике распределяйте нагрузки максимально равномерно и уточняйте баланс у электрика при монтаже.

Определение параметров нелинейных нагрузок: системы ИБП и частотно-регулируемые приводы

Нелинейные нагрузки — системы ИБП, преобразователи частоты, импульсные источники питания и зарядные устройства — потребляют несинусоидальный ток, который вносит гармонические искажения в выходное напряжение генератора. Эта гармоника вызывает дополнительный нагрев обмоток генератора и может мешать работе автоматического регулятора напряжения генератора (AVR), вызывая нестабильность напряжения.

Отраслевые рекомендации по выбору генераторов, питающих преимущественно нелинейные нагрузки:

• Системы ИБП — размер генератора От 1,5 до 2× номинальной мощности ИБП в кВА ; для ИБП мощностью 50 кВА требуется генератор мощностью минимум 75–100 кВА; это учитывает снижение мощности гармоник, входной коэффициент мощности ИБП и потребность в подзарядке аккумулятора в течение первых минут после запуска генератора.
• Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) — ЧРП уменьшают пусковые помпы двигателя, но вносят гармоники; размер генератора в 1,25× кВА, необходимое для всех нагрузок с ЧРП ; укажите генератор с «12-импульсным» генератором переменного тока или генератором с низким коэффициентом гармоник, если нагрузки ЧРП превышают 50 % от общей нагрузки генератора.
• Нагрузки дата-центра/сервера — современные серверные блоки питания имеют коэффициент мощности 0,95–0,99 при умеренном содержании гармоник; размер в 1,25–1,5× общая ИТ-нагрузка для учета потерь в распределительных устройствах (БРП) и охлаждающем оборудовании

Полный пример определения размеров: промышленный цех

Производственный цех в горном районе г. Высота 1200 м с максимальной температурой окружающей среды 38°С требуется основной генератор мощности для следующих нагрузок:

Расчет размеров:

1. Общая рабочая нагрузка: 53.6 kW
2. Наибольшее увеличение помпы двигателя: помпаж воздушного компрессора (45 кВт) − работа (15 кВт) = 30 кВт.
3. Пиковый мгновенный спрос: 53.6 30 = 83.6 kW
4. Перевести в кВА при мощности 0,8: 83,6 ÷ 0,8 = 104,5 кВА.
5. Примените запас по нагрузке 80 %: 104,5 ÷ 0,8 = 130,6 кВА.
6. Снижение характеристик по высоте на высоте 1200 м (с турбонаддувом, коэффициент ≈ 0,953): 130,6 ÷ 0,953 = 137 кВА.
7. Снижение характеристик при температуре 38°C (коэффициент ≈ 0,975): 137 ÷ 0,975 = 140,5 кВА
8. Выберите стандартный размер генератора: номинальная мощность 150 кВА Prime.

Распространенные ошибки при выборе размеров и как их избежать

• Игнорирование пускового помпажа двигателя — наиболее частая причина занижения размеров; генератор, который легко справляется с работающими нагрузками, может немедленно отключиться при запуске большого двигателя; всегда рассчитывайте пиковую нагрузку, включая самый большой пуск двигателя
• Путаница кВт и кВА — поставщик, указывающий «генератор 100 кВт» с коэффициентом мощности 0,8, предлагает мощность 125 кВА; проверьте, соответствует ли указанное значение кВт или кВА, чтобы избежать занижения на 25 %
• Использование номинала в режиме ожидания для приложений с основной мощностью — генератор, постоянно работающий вне сети, должен иметь номинальную номинальную мощность, а не (более высокую) номинальную мощность в режиме ожидания; использование режима ожидания для непрерывной работы приводит к перегрузке двигателя и преждевременному выходу из строя.
• Увеличение размера для «безопасности» без проверки минимальной нагрузки — генератор мощностью 500 кВА, установленный на нагрузку 50 кВт, работает на 10% мощности, что приводит к сильному мокрому штабелированию; минимальная рабочая нагрузка должна составлять 30–40 % номинальной мощности.
• Без учета снижения высоты и температуры. — генератор мощностью 100 кВА на высоте 2000 м может выдавать только 91 кВА; игнорирование этого может привести к хронической перегрузке на больших высотах.
• Не учитывается будущий рост нагрузки — a generator sized exactly for today's loads has no room for expansion; добавить реалистичный прогноз роста (обычно 10–20 % дополнительной мощности для объектов, ожидающих расширения в течение 5 лет)