Dopasowany wybór generatorów i silników elektrycznych

Ostatnio klient skontaktował się z nami. Realizują projekt fabryki przetwórczej za granicą. Moc lokalnej sieci energetycznej jest niewystarczająca, a zasilanie niestabilne. Muszą dostarczyć własny zestaw generatora jako główne źródło zasilania. Największym problemem klienta jest obecność w fabryce kilku silników elektrycznych, w tym kruszarek, wentylatorów i przenośników taśmowych. Obawiają się, że jeśli generator będzie zbyt mały, nie zapewni wymaganej mocy, a jeśli będzie zbyt duży, to oznacza niepotrzebne wydatki. Zapytali mnie, jak dobrać odpowiedni generator do silników elektrycznych.

Ten problem występuje bardzo często w projektach przemysłowych – chodzi o dopasowanie generatora do silników elektrycznych. Jeśli generator dobiera się wyłącznie na podstawie mocy znamionowej silnika elektrycznego, mogą wystąpić problemy. Głównym powodem jest fakt, że prąd udarowy występujący w chwili rozruchu silnika jest znacznie większy niż prąd pobierany w czasie normalnej pracy.

Gdy silnik zostaje uruchomiony, konieczne jest pokonanie bezwładności obrotowej wirnika oraz oporu obciążenia, aby przyspieszyć od prędkości zerowej do prędkości znamionowej. W tym procesie prąd stojana silnika gwałtownie wzrasta. W przypadku bezpośredniego rozruchu trójfazowego silnika indukcyjnego prąd rozruchowy zwykle wynosi od 5 do 7 razy prąd znamionowy. Oznacza to, że wymagany prąd zasilania dla silnika o mocy 30 kW może w chwili bezpośredniego rozruchu osiągnąć wartość od 150 do 210 amperów, a odpowiadające mu zapotrzebowanie na moc jest znacznie wyższe niż moc znamionowa silnika.

Kiedy generator gdy zestaw jest narażony na ten wpływ, kluczowymi wskaźnikami są szybkość przejściowej regulacji napięcia oraz czas powrotu do stanu ustalonego. W wyniku oddziaływania prądu o wysokim natężeniu napięcie na końcówkach generatora spadnie natychmiastowo. Jeśli spadek będzie zbyt duży lub przywrócenie napięcia do normy zajmie zbyt dużo czasu, spowoduje to niestabilność przekaźnika stykowego, błędne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego oraz bezpośrednie wyłączenie generatora. Dlatego też dopasowanie generatorów i silników elektrycznych polega w istocie na osiągnięciu równowagi między przejściową zdolnością wydajnościową generatora a zapotrzebowaniem silnika na energię podczas wstrząsu.

Sposób rozruchu silnika elektrycznego ma największy wpływ na dobór generatora.

Rozruch bezpośredni powoduje największy wstrząs i charakteryzuje się wysokim wielokrotnym prądem rozruchowym; nadaje się on do silników o małej mocy lub urządzeń, u których stawiane są wysokie wymagania co do momentu rozruchowego. Przy zastosowaniu rozruchu bezpośredniego generator moc jest zwykle od 2,5 do 3,5 raza większa niż moc silnika. Dokładna wielokrotność zależy od wydajności systemu wzbudzenia generatora. Odpowiedź przejściowa zespołu z wzbudzeniem magnesem trwałym lub cyfrową regulacją wzbudzenia jest lepsza, a więc wielokrotność tę można odpowiednio zmniejszyć.

Rozruch przy obniżonym napięciu to powszechnie stosowana metoda ograniczania udarów, obejmująca m.in. rozruch gwiazda–trójkąt oraz rozruch przy obniżonym napięciu za pomocą transformatora samokompensacyjnego. Rozruch gwiazda–trójkąt pozwala zmniejszyć prąd rozruchowy do około jednej trzeciej wartości prądu przy bezpośrednim rozruchu, jednak moment rozruchowy również ulega wówczas odpowiedniemu zmniejszeniu – metoda ta nadaje się zatem do urządzeń uruchamianych bez obciążenia lub przy lekkim obciążeniu. W ten sposób moc generatora jest zazwyczaj dobierana w zakresie od 1,5 do 2-krotności mocy silnika.

Obecnie powszechnie stosowane są miękkie rozruchy. Dzięki regulacji napięcia za pomocą tyrystorów napięcie może wzrastać płynnie. Prąd rozruchowy można ograniczyć do 2–3-krotności prądu znamionowego. Proces rozruchu jest stabilny, a wpływ na generator jest niewielki. W przypadku zastosowania miękkiego rozruchu moc generatora powinna wynosić 1,2–1,5-krotność mocy silnika.

Napęd falownikiem to sposób rozruchu wywierający najmniejszy wpływ. Prąd rozruchowy praktycznie nie przekracza prądu znamionowego silnika, a wpływ na generator jest niemal zerowy. Jednak jako obciążenie nieliniowe falownik generuje harmoniczne. Przy jego doborze należy zwrócić uwagę na parametry układu automatycznej regulacji napięcia (AVR) generatora oraz w razie potrzeby zainstalować filtr harmonicznych.

Oprócz metody uruchamiania kluczowe znaczenie ma również charakter obciążenia. Urządzenia uruchamiane pod obciążeniem, takie jak sprężarki powietrza, kruszarki i pompy wody, są obciążane już w trakcie procesu rozruchu, co wywiera większy wpływ niż rozruch przy braku obciążenia. W przypadku jednoczesnej pracy wielu silników nie można po prostu sumować mocy poszczególnych silników. Należy uwzględnić współczynnik jednoczesności działania oraz sprawdzić najbardziej niekorzystne warunki pracy – na przykład sytuację jednoczesnego rozruchu wielu silników.

Należy również uwzględnić czynniki środowiskowe. Przy każdej wysokości nad poziomem morza wynoszącej 1000 metrów moc wyjściowa generatora zmniejsza się o około 10%, ponieważ rzadsze powietrze wpływa na odprowadzanie ciepła oraz proces spalania. Gdy temperatura otoczenia przekracza 40 °C, moc należy również obniżyć. W specjalnych środowiskach, takich jak obszary nadmorskie czy pustynne, należy odpowiednio zwiększyć stopień ochrony oraz odporność na korozję.

Wróćmy do fabryki przetwarzającej klienta, gdzie pomogliśmy mu dobrać: kruszarkę o mocy 45 kW, przeznaczoną do uruchamiania pod obciążeniem, wyposażoną w przemiennik częstotliwości; wentylator o mocy 22 kW, przeznaczony do uruchamiania bez obciążenia, z wykorzystaniem miękkiego startu; oraz kilka małomocnych silników przenośników, uruchamianych bezpośrednio. Jednocześnie współczynnik obciążenia wynosi 0,8; uwzględniono kolejność uruchamiania w najbardziej niekorzystnych warunkach pracy, a ostatecznie dobrane zostało zestaw generatorowy o mocy 120 kW z wzbudzeniem magnesów trwałych i cyfrową regulacją napięcia. Po uruchomieniu i testach klient poinformował, że sprzęt uruchamia się płynnie, wahania napięcia mieszczą się w dopuszczalnym zakresie, a praca jest stabilna.

Ogólnie rzecz biorąc, kluczem do dobrania odpowiedniego generator a silnik to dokładna ocena wpływu rozruchu silnika oraz racjonalne dopasowanie zdolności generatora do odpowiedzi przejściowej. Tryb rozruchu, charakter obciążenia, warunki środowiskowe oraz koordynacja wielu maszyn są nieodzowne. Jeśli dobór będzie prawidłowy, na miejscu wystąpi mniej problemów.