Shodný výběr generátorů a elektrických motorů

Nedávno k nám přišel zákazník. Realizují projekt zpracovatelské továrny v zahraničí. Místní síť má nedostatečnou kapacitu a dodávka elektrické energie je nestabilní. Musí proto do továrny dodat vlastní generátorovou soustavu jako hlavní zdroj napájení. Největším problémem zákazníka je, že v továrně je několik elektrických motorů, včetně drtičů, ventilátorů a dopravníků. Obávají se, že pokud bude generátor příliš malý, nebude schopen zajistit požadovaný výkon, a pokud bude příliš velký, bude to zbytečné plýtvání penězi. Zeptali se mě, jak správně navrhnout výkon generátoru vzhledem k výkonu elektrických motorů.

Tento problém je v průmyslových projektech velmi častý – přizpůsobení výkonu generátoru a elektrických motorů. Pokud se generátor navrhuje pouze na základě jmenovitého výkonu elektrického motoru, vznikne problém. Klíčový důvod spočívá v tom, že proudový náraz v okamžiku startu motoru je mnohem vyšší než proud během normálního provozu.

Když se motor spustí, je nutné překonat rotační setrvačnost rotoru a odpor zátěže, aby se zrychlil ze stavu klidu na jmenovitou otáčkovou rychlost. V tomto procesu se statorový proud motoru prudce zvýší. Při přímém startu třífázového asynchronního motoru dosahuje startovací proud obvykle 5 až 7násobku jmenovitého proudu. To znamená, že požadavek na proud z napájecího zdroje u motoru o výkonu 30 kW může v okamžiku přímého spuštění dosáhnout 150 až 210 ampérů a odpovídající požadavek na výkon je mnohem vyšší než jmenovitý výkon motoru.

Když generátor pokud je sada vystavena tomuto nárazu, klíčovými ukazateli jsou přechodová rychlost úpravy napětí a doba obnovy. Při působení vysokého proudu klesne napětí na konci generátoru okamžitě. Pokud klesne příliš nebo se příliš pomalu obnoví, způsobí to nestabilitu kontaktoru, chybné spuštění ochranného zařízení a přímé vypnutí generátoru. Výběr generátoru a elektrického motoru je tedy v podstatě rovnováhou mezi přechodovým výkonovým výstupem generátoru a nárazovou požadovanou výkonností motoru.

Způsob startu elektrického motoru má největší vliv na výběr generátoru.

Náraz při přímém startu je největší a násobek startovacího proudu je vysoký; je vhodný pro motory malého výkonu nebo zařízení s vysokými požadavky na startovací krouticí moment. Při použití přímého startu se generátor výkon je obvykle 2,5 až 3,5násobkem výkonu motoru. Konkrétní násobek závisí na výkonu budicího systému generátoru. Přechodová odezva jednotky s trvalým magnetickým buzením nebo digitální regulací buzení je lepší, a proto lze násobek příslušně snížit.

Start se sníženým napětím je běžnou metodou snížení nárazu, mezi které patří například hvězda-trojúhelník nebo start se sníženým napětím pomocí autotransformátoru. Start ve schématu hvězda-trojúhelník snižuje startovací proud na přibližně jednu třetinu proudu při přímém startu, avšak i startovací točivý moment se odpovídajícím způsobem sníží; tato metoda je vhodná pro zařízení, jejichž start probíhá bez zátěže nebo za lehké zátěže. V tomto případě je výkon generátoru obvykle dimenzován na 1,5 až 2násobek výkonu motoru.

V současné době se softstartéry široce používají. Díky řiditelnému křemíkovému regulátoru napětí může napětí hladce stoupat. Počáteční proud lze omezit na 2 až 3násobek jmenovitého proudu. Proces rozběhu je stabilní a vliv na generátor je malý. Při vybavení softstartérem musí být výkon generátoru 1,2 až 1,5násobkem výkonu motoru.

Pohon frekvenčním měničem je způsob rozběhu s nejmenším dopadem. Počáteční proud téměř nikdy nepřesahuje jmenovitý proud motoru a vliv na generátor je téměř nulový. Frekvenční měnič však jako nelineární zátěž vyvolává harmonické složky. Při výběru je třeba věnovat pozornost výkonu AVR generátoru a případně nainstalovat filtr harmonických složek.

Kromě způsobu spuštění je rozhodující také charakter zátěže. Zařízení s těžkou zátěží při startu, jako jsou například vzduchové kompresory, drtiče a čerpadla na vodu, jsou během procesu spouštění zatížena, což má větší dopad než spouštění bez zátěže. V případě současného provozu více motorů nelze výkony jednotlivých motorů jednoduše sečíst. Je nutné zohlednit koeficient současného provozu a ověřit nejméně příznivé provozní podmínky – například situaci, kdy dochází k současnému spuštění více motorů.

Je třeba také zohlednit environmentální faktory. Při každém zvýšení nadmořské výšky o 1 000 metrů klesá výstupní výkon generátoru přibližně o 10 %, protože řídkost vzduchu ovlivňuje odvod tepla a spalování. Pokud překročí okolní teplota 40 °C, je nutné výkon také snížit. V zvláštních prostředích, jako je pobřeží nebo pouštní oblast, je rovněž třeba odpovídajícím způsobem zvýšit stupeň ochrany a odolnosti proti korozi.

Zpět do zpracovatelské továrny zákazníka jsme mu pomohli vyřešit následující zařízení: drtič o výkonu 45 kW pro těžké zatížení při startu, vybavený frekvenčním měničem; ventilátor o výkonu 22 kW pro start bez zatížení, používající měkký startér; a několik malovýkonových motorů pro dopravníky, které jsou zapínány přímo. Současně byl uvažován provozní koeficient 0,8 a zohledněno pořadí zapínání za nejméně příznivých provozních podmínek, čímž byla nakonec vybrána generátorová sada o výkonu 120 kW s permanentním magnetickým buzením a digitální regulací napětí. Zpětná vazba od zákazníka po ladění uvádí, že zařízení během startu běží hladce, kolísání napětí je v přijatelném rozmezí a provoz je stabilní.

Obecně platí, že klíčem k přizpůsobení generátor a motor je přesné posouzení startovního nárazu motoru a vhodné vyvážení schopnosti generátoru reagovat na přechodné jevy. Startovací režim, charakter zátěže, provozní podmínky a koordinace více strojů jsou nezbytné. Pokud bude výběr proveden pečlivě, bude na místě vznikat méně problémů.