Afgestemde selectie van generatoren en elektrische motoren

Onlangs kwam een klant bij ons. Zij zijn bezig met een project voor een verwerkingsfabriek in het buitenland. De lokale netcapaciteit is onvoldoende en de stroomvoorziening is onstabiel. Zij moeten hun eigen generatorset meenemen als hoofdstroomvoorziening. Het grootste probleem van de klant is dat er meerdere elektrische motoren in de fabriek zijn, waaronder brekers, ventilatoren en transportbanden. Zij maken zich zorgen dat, indien de generator te klein is, deze niet voldoende vermogen levert, en indien hij te groot is, dit een verspilling van geld betekent. Zij vroegen mij hoe de generator en de elektrische motor op elkaar moeten worden afgestemd.

Dit probleem komt zeer vaak voor in industriële projecten: de afstemming van generatoren en elektrische motoren. Indien de generator uitsluitend wordt afgestemd op het nominale vermogen van de elektrische motor, ontstaat er een probleem. De kernreden hiervan is dat de stroomstoot bij het inschakelen van de motor veel groter is dan de stroom tijdens normaal bedrijf.

Wanneer de motor wordt gestart, moet de rotatietraagheid van de rotor en de weerstand van de belasting worden overwonnen om te versnellen vanaf stilstand naar het nominale toerental. Tijdens dit proces stijgt de statorstroom van de motor scherp. Bij directe start van een driefasige asynchrone motor bedraagt de startstroom meestal 5 tot 7 keer de nominale stroom. Dat betekent dat de stroomvereiste voor de voeding van een 30 kW-motor op het moment van directe inschakeling 150 tot 210 ampère kan bereiken, terwijl de bijbehorende vermogensvereiste veel hoger is dan het nominale vermogen van de motor.

Wanneer de generator Als de set aan deze stoot wordt blootgesteld, zijn de belangrijkste indicatoren de tijdelijke spanningaanpassingssnelheid en de hersteltijd. Bij de stoot van een hoge stroom zal de spanning aan de generatorzijde onmiddellijk dalen. Als deze te veel daalt of te langzaam herstelt, kan dit leiden tot instabiliteit van de contactor, onbedoelde activering van het beveiligingsapparaat en directe uitschakeling van de generator. Daarom is de afstemming tussen generatoren en elektrische motoren in wezen een evenwicht tussen het tijdelijke vermogensafgiftevermogen van de generator en de schokvraag van de motor.

De opstartmethode van de elektrische motor heeft de grootste invloed op de keuze van de generator.

De directe opstartstoot is het grootst en de opstartstroomvermenigvuldiger is hoog; dit is geschikt voor kleinvermogensmotoren of apparatuur met hoge eisen aan opstartkoppel. Bij gebruik van directe opstart wordt de generator Het vermogen is meestal 2,5 tot 3,5 keer het motorvermogen. Het specifieke veelvoud hangt af van de prestaties van het excitatiesysteem van de generator. De transiënte respons van de eenheid met permanente-magneetexcitatie of digitale excitatieaanpassing is beter, waardoor het veelvoud passend kan worden verlaagd.

Starten met spanningsverlaging is een veelgebruikte methode om de opstartstoot te verminderen, waaronder ster-driehoekstart en starten met spanningsverlaging via een autotransformator. Bij ster-driehoekstart wordt de opstartstroom gereduceerd tot ongeveer een derde van de stroom bij directe inschakeling, maar het opstartkoppel neemt daarmee ook evenredig af; dit is geschikt voor apparaten die zonder belasting of met lichte belasting worden gestart. Op deze manier wordt het generatorvermogen over het algemeen ingesteld op 1,5 tot 2 keer het motorvermogen.

Op dit moment worden zachte starters op grote schaal gebruikt. Via regelbare siliciumspanningsregeling kan de spanning geleidelijk stijgen. De startstroom kan worden beheerd op 2 tot 3 keer de nominale stroom. Het opstartproces is stabiel en de belasting op de generator is gering. Wanneer een zachte starter is geïnstalleerd, bedraagt het vermogen van de generator 1,2 tot 1,5 keer het vermogen van de motor.

De frequentieregelaar is de aandrijfmethode met het minste effect. De startstroom overschrijdt in principe niet de nominale stroom van de motor en er is bijna geen belasting op de generator. Als niet-lineaire belasting genereert de frequentieregelaar echter harmonischen. Bij de keuze dient aandacht te worden besteed aan de AVR-prestaties van de generator en indien nodig dient een harmonischefilter te worden geïnstalleerd.

Naast de opstartmethode is ook de aard van de belasting van cruciaal belang. Apparatuur met zware belasting bij het opstarten, zoals luchtcompressoren, brekers en waterpompen, draagt tijdens het opstartproces een belasting, wat een grotere impact heeft dan opstarten zonder belasting. Bij meerdere motoren die tegelijkertijd draaien, kan het vermogen van elke motor niet eenvoudig bij elkaar worden opgeteld. Er dient rekening te worden gehouden met de gelijktijdigheidscoëfficiënt en de meest ongunstige werkomstandigheden moeten worden gecontroleerd – bijvoorbeeld de situatie waarin meerdere motoren tegelijkertijd opstarten.

Ook omgevingsfactoren moeten worden meegenomen. Bij elke 1.000 meter hoogte boven zeeniveau neemt het afgegeven vermogen van de generator met ongeveer 10% af, omdat de lagere luchtdichtheid de warmteafvoer en verbranding beïnvloedt. Wanneer de omgevingstemperatuur boven de 40 ℃ uitkomt, moet het vermogen eveneens worden verlaagd. In speciale omgevingen zoals aan zee of in de woestijn dient het beschermingsniveau en het anticorrosieniveau dienovereenkomstig te worden verhoogd.

Terug bij de verwerkingsfabriek van de klant hielpen we hem de volgende componenten te ordenen: een 45 kW breker, zwaarbelaste start, uitgerust met een frequentieregelaar; een 22 kW ventilator, onbelaste start, met een zachte starter; en meerdere kleine transportbandmotoren met directe start. Tegelijkertijd bedroeg de bedrijfscoëfficiënt 0,8; rekening houdend met de startvolgorde onder de meest ongunstige werkomstandigheden, werd uiteindelijk een 120 kW generatorset geïnstalleerd met permanente-magneetexcitatie en digitale spanningsregeling. De feedback van de klant na het inbedrijfnameproces was dat de apparatuur soepel opstart, de spanningsfluctuaties binnen de aanvaardbare grenzen blijven en de werking stabiel is.

Over het algemeen is de sleutel tot het koppelen van de generator en de motor is de nauwkeurige beoordeling van het starteffect van de motor en de redelijke afstemming van het vermogen van de generator om op transiënte wijze te reageren. De startmodus, de aard van de belasting, de omgevingsomstandigheden en de coördinatie tussen meerdere machines zijn onmisbaar. Indien de keuze goed is, zullen er ter plaatse minder problemen optreden.