Matchende udvalg af generatorer og elektriske motorer

For nylig kom en kunde til os. De arbejder på et procesfabriksprojekt i udlandet. Den lokale elnetkapacitet er utilstrækkelig, og strømforsyningen er ustabil. De skal derfor medbringe deres egen generatorensæt som hovedstrømforsyning. Kundens største udfordring er, at der er flere elektriske motorer i fabrikken, herunder knusere, ventilatorer og transportbånd. De er bekymrede for, at hvis generatoren er for lille, vil den ikke kunne levere den nødvendige effekt, og hvis den er for stor, vil det være en spild af penge. De spurgte mig, hvordan man matcher generatoren og den elektriske motor.

Dette problem er meget almindeligt i industrielle projekter. Tilpasningen af generatorer og elektriske motorer. Hvis generatoren kun tilpasses efter den elektriske motors nominelle effekt, opstår der et problem. Den egentlige årsag er, at strømstødet i det øjeblik, hvor motoren starter, er langt større end strømmen under normal drift.

Når motoren starter, skal den overvinde rotorens rotationsinertie og belastningens modstand for at accelerere fra standstil til den nominelle hastighed. I denne proces stiger motorens statorstrøm kraftigt. Når en trefaset asynkronmotor startes direkte, er startstrømmen typisk 5–7 gange den nominelle strøm. Det betyder, at strømbehovet fra strømforsyningen til en 30 kW-motor kan nå 150–210 ampere i det øjeblik, hvor den startes direkte, og det tilsvarende effektbehov er langt højere end motorens nominelle effekt.

Når generator når sættet udsættes for denne påvirkning, er de vigtigste indikatorer justeringshastigheden for transient spænding og genoprettelsestiden. Under påvirkning af høj strøm vil spændingen ved generatorudgangen falde øjeblikkeligt. Hvis den falder for meget eller genopretter for langsomt, kan det medføre ustabilitet i kontaktoren, fejlaktig aktivering af beskyttelsesudstyret og direkte stop af generatoren. Derfor er tilpasningen af generatorer og elektriske motorer i væsentlig grad en balance mellem generatorens evne til at levere transient effekt og motorens krav til stødlast.

Startmetoden for den elektriske motor har den største indflydelse på valget af generator.

Direkte startstød er det største, og startstrømmen er høj, hvilket gør det egnet til småmotorer eller udstyr med høje krav til startmoment. Ved brug af direkte start vil generator effekten er normalt 2,5 til 3,5 gange motoreffekten. Det præcise multiplum afhænger af ydeevnen for generatorens udløsningssystem. Den transiente respons for aggregatet med permanentmagnetisk udløsning eller digital justering af udløsningen er bedre, og multiplummet kan derfor passende reduceres.

Spændningsnedsættelsesstart er en almindeligt anvendt metode til at reducere påvirkningen, herunder stjernetrekantsstart og selv-koblingstransformerens spændningsnedsættelsesstart osv. Ved stjernetrekantsstart kan startstrømmen reduceres til omkring en tredjedel af den direkte startstrøm, men også startmomentet reduceres tilsvarende, hvilket gør metoden velegnet til apparater, der skal startes uden belastning eller med let belastning. På denne måde konfigureres generatoreffekten normalt til 1,5–2 gange motoreffekten.

I øjeblikket bruges bløde startere bredt. Gennem styrbart siliciumspændingsregulering kan spændingen stige jævnt. Startstrømmen kan begrænses til 2–3 gange den nominelle strøm. Startprocessen er stabil, og påvirkningen af generatoren er lille. Når en blød starter er monteret, skal generatorens effekt være 1,2–1,5 gange motorens effekt.

Frekvensomformerdrift er den metode, der giver mindst påvirkning ved start. Startstrømmen overstiger næsten aldrig den nominelle motorstrøm, og påvirkningen af generatoren er næsten ubetydelig. Som en ikke-lineær belastning vil frekvensomformeren dog generere harmoniske svingninger. Ved valg af frekvensomformer skal der derfor lægges vægt på generatorens AVR-ydelse, og der skal eventuelt installeres et harmonifilter.

Ud over opstartsmetoden er belastningens karakter også afgørende. Udstyr til tungbelastet opstart, såsom luftkompressorer, knusere og vandpumper, bærer en belastning under opstartsprocessen, hvilket har større indvirkning end opstart uden belastning. I tilfælde med flere motorer, der kører samtidigt, kan effekten af hver motor ikke simpelthen lægges sammen. Det er nødvendigt at tage simultanoperationskoefficienten i betragtning og kontrollere de mest ugunstige driftsforhold – f.eks. situationen, hvor flere motorer starter samtidigt.

Miljøfaktorer skal også indgå i vurderingen. For hver 1.000 meter over havets overflade falder generatorens effektudgang med ca. 10 %, fordi den tyndere luft påvirker køling og forbrænding. Når omgivelsestemperaturen overstiger 40 °C, skal effekten også reduceres. I særlige miljøer som ved kysten eller i ørkenen skal beskyttelsesgraden og korrosionsbeskyttelsesgraden ligeledes forbedres tilsvarende.

Tilbage til kundens forarbejdningsfabrik hjalp vi ham med at sortere: en 45 kW knusningsmaskine med tung belastning ved opstart, udstyret med en frekvensomformer; en 22 kW ventilator med tomgangsopstart, der bruger en softstarter; samt flere småeffekts transportbåndsmotorer, der starter direkte. Samtidig er driftskoefficienten 0,8, og med hensyn til opstartsrækkefølgen under de mest ugunstige driftsforhold valgte vi endeligt en 120 kW generatorgruppe med permanentmagnetisk excitation og digital spændingsregulering. Kunden gav efter fejlfinding følgende feedback: Udstyret starter jævnt, spændingsudsvingene ligger inden for den acceptable rækkevidde, og driften er stabil.

Generelt er nøglen til matchning af generator og motoren er den præcise vurdering af motorens startpåvirkning samt en rimelig tilpasning af generatorens evne til transient respons. Startmetode, lastens karakter, miljøforhold og samordning mellem flere maskiner er uundværlige. Hvis valget er velovervejet, vil der opstå færre problemer på stedet.