Cách xác định kích thước máy phát điện Diesel: Hướng dẫn từng bước đầy đủ

Để kích thước một máy phát điện diesel , tính toán tổng công suất hoạt động của tất cả các tải mà nó phải cấp nguồn đồng thời, thêm xung khởi động lớn nhất của một động cơ (thường là 3 lần công suất hoạt động của nó), áp dụng bộ đệm công suất 20–25%, sau đó giảm độ cao và nhiệt độ môi trường. Kết quả là mức kVA máy phát điện tối thiểu mà bạn cần. Ví dụ: một cơ sở có tải chạy 40 kW, động cơ 15 kW là bộ khởi động đơn lớn nhất (yêu cầu dòng điện tăng vọt 45 kW) và hoạt động ở độ cao 1.500m cần một máy phát điện có công suất tối thiểu là 45 kW. 68–75 kVA sau mọi điều chỉnh. Kích thước quá nhỏ gây ra hiện tượng quá tải và hư hỏng động cơ; kích thước quá lớn gây lãng phí nhiên liệu và gây ra tình trạng đọng nước trong động cơ diesel. Hướng dẫn này hướng dẫn từng bước của quy trình định cỡ với các ví dụ hoạt động, bảng tải và hệ số hiệu chỉnh.

Bước 1 - Xác định và liệt kê tất cả các tải điện

Nền tảng của việc định cỡ máy phát điện là kiểm kê tải hoàn chỉnh. Thiếu ngay cả một tải lớn - máy nén, động cơ thang máy hoặc bộ điều hòa không khí trung tâm - có thể làm mất hiệu lực toàn bộ tính toán kích thước. Sắp xếp tải thành ba loại dựa trên đặc tính điện của chúng:

• Tải điện trở - đèn sợi đốt, lò sưởi điện, lò nướng bánh, máy nước nóng; những cái này tạo ra dòng điện ổn định với hệ số công suất là 1,0 và không có đột biến khi khởi động; watt chạy = watt trên bảng tên
• Tải cảm ứng (động cơ) - máy điều hòa không khí, máy bơm, máy nén, quạt, dụng cụ điện; những cái này tiêu tốn 3–7× dòng điện chạy khi khởi động trong 0,5–3 giây; sự đột biến khởi động này là động lực chính của việc định cỡ máy phát điện trong hầu hết các ứng dụng
• Tải điện tử / phi tuyến tính - máy tính, VFD (ổ đĩa biến tần), hệ thống UPS, trình điều khiển đèn LED, bộ sạc pin; chúng tạo ra dòng điện không hình sin gây ra hiện tượng méo hài; yêu cầu máy phát điện xoay chiều được xếp hạng cho dịch vụ hài hòa (thường THD <5% khi đầy tải)

Đối với mỗi tải, ghi lại bảng tên công suất hoạt động (hoặc kW), điện áp và pha (một pha hoặc ba pha). Nếu không có dữ liệu trên bảng tên, hãy sử dụng định mức cường độ dòng điện và tính toán: Watts = Vôn × Amps × Hệ số công suất (sử dụng 0,85–0,90 cho hầu hết các động cơ nếu không nêu rõ hệ số công suất).

Bước 2 - Tính toán tổng tải chạy và yêu cầu khởi động động cơ

Tổng tải chạy

Tổng hợp tất cả các watt đang chạy cho mỗi tải sẽ hoạt động đồng thời. Không bao gồm các tải không bao giờ được sử dụng cùng lúc - máy phát điện dự phòng cung cấp năng lượng cho tòa nhà sau khi mất điện không cần phục vụ đồng thời cả nhà máy nước lạnh và hệ thống sưởi nếu chúng hoạt động vào các mùa khác nhau. Tuy nhiên, hãy thận trọng: bao gồm các tải có thể chồng lên nhau về mặt lý thuyết ngay cả khi không bình thường.

Dòng khởi động động cơ: Nhu cầu tăng vọt quan trọng

Khi động cơ điện khởi động, nó sẽ tạo ra dòng điện khóa rôto (LRC) thường có giá trị 3 đến 7 lần dòng điện chạy đầy tải của nó . Đối với kích thước máy phát điện, mức tăng đột biến này được biểu thị bằng công suất khởi động - nhu cầu năng lượng tức thời khi khởi động động cơ. Các bộ nhân được sử dụng phổ biến nhất theo loại động cơ là:

• Động cơ khởi động trực tiếp (DOL) - watt bắt đầu = 3 × watt chạy (giá trị bảo thủ thường được sử dụng; LRC thực tế có thể lên tới 7× đối với động cơ lớn)
• Động cơ khởi động bằng tụ điện - watt bắt đầu = 1,5–2× watt chạy ; tụ điện khởi động làm giảm đáng kể dòng điện khởi động
• Động cơ có bộ khởi động mềm hoặc VFD - watt khởi động ≈ watt hoạt động; bộ khởi động mềm và bộ điều khiển tần số thay đổi tăng dần điện áp hoặc tần số, hạn chế sự đột ngột 110–150% dòng điện chạy ; điều này làm giảm đáng kể yêu cầu về kích thước máy phát điện cho các cơ sở sử dụng nhiều động cơ

Máy phát điện phải xử lý tình huống trong đó động cơ lớn nhất khởi động trong khi tất cả các tải đang chạy khác đã tiêu thụ điện năng. Tính toán quan trọng là: Tải định cỡ của máy phát điện = (Tổng công suất hoạt động của tất cả các tải) (Xung đột biến khởi động của động cơ đơn lớn nhất − công suất hoạt động của nó) . Điều này thể hiện nhu cầu tức thời cao nhất tại thời điểm động cơ lớn nhất khởi động.

Ví dụ đã hoạt động: Máy phát điện dự phòng của tòa nhà văn phòng

Hãy xem xét một tòa nhà văn phòng cần nguồn điện dự phòng cho:

• Đèn chiếu sáng và ổ cắm: 12.000 W (12 kW)
• UPS phòng máy chủ: 8.000 W (8 kW)
• Động cơ thang máy (khởi động DOL): 15.000 W đang chạy (15 kW), xung khởi động = 3 × 15.000 = 45.000 W
• Động cơ quạt HVAC: 10.000 W đang chạy (10 kW), xung khởi động = 3 × 10.000 = 30.000 W
• Động cơ máy bơm chữa cháy (khởi động DOL): 7.500 W đang chạy (7,5 kW), xung khởi động = 3 × 7.500 = 22.500 W

Tổng tải chạy: 12 8 15 10 7,5 = 52,5 kW
Xung khởi động động cơ lớn nhất: Động cơ thang máy ở mức 45 kW khởi động - 15 kW đang chạy = 30 kW nhu cầu tăng thêm
Nhu cầu tức thời cao nhất: 52,5 30 = 82,5 kW

Bước 3 - Chuyển đổi sang kVA và áp dụng hệ số công suất

Công suất máy phát điện được đánh giá ở kVA (kilovolt-ampe) — công suất biểu kiến — thay vì kW (kilowatt) — công suất thực. Mối quan hệ là:

kVA = kW -> Hệ số công suất

Hầu hết các máy phát điện diesel được đánh giá ở hệ số công suất 0,8 độ trễ - đây là giả định tiêu chuẩn trừ khi có quy định khác. Một máy phát điện định mức 100 kVA ở hệ số công suất 0,8 mang lại 80 kW công suất thực . Điều này có nghĩa là bạn phải chia yêu cầu kW của mình cho 0,8 để tìm mức kVA cần thiết.

Tiếp tục ví dụ đã làm việc:

• Nhu cầu tức thời cao nhất: 82.5 kW
• KVA yêu cầu: 82,5 0,8 = 103 kVA

Nếu tải của bạn chủ yếu là điện trở (máy sưởi, đèn chiếu sáng) với rất ít động cơ thì hệ số công suất thực tế có thể gần hơn với 0,9–1,0 và việc chia cho 0,8 là quá thận trọng. Nếu tải của bạn chủ yếu là động cơ cảm ứng thì hệ số công suất thực tế có thể là 0,7 hoặc thấp hơn và giả định 0,8 có thể làm giảm kích thước của trình tạo. Để định cỡ chính xác, hãy đo hoặc tính toán hệ số công suất trung bình có trọng số trên tất cả các tải.

Bước 4 - Áp dụng Bộ đệm công suất (Hệ số khoảng trống)

Chạy máy phát điện diesel ở 100% công suất định mức liên tục sẽ gây ra ứng suất nhiệt quá mức, làm tăng tốc độ mài mòn và không để lại dư thừa cho việc bổ sung tải hoặc sai sót tính toán. Thực tiễn của ngành là vận hành máy phát điện diesel ở 70–80% công suất định mức ở mức tải tối đa , để lại khoảng trống 20–30%.

Áp dụng hệ số khoảng không bằng cách chia yêu cầu kVA đã tính cho phần tải mục tiêu:

• Ở mức tải 80%: Máy phát yêu cầu kVA = kVA tính toán 0,80
• Ở mức tải 75%: Máy phát điện yêu cầu kVA = kVA tính toán 0,75

Tiếp tục ví dụ ở mức tải 80%: 103 kVA 0,80 = Máy phát điện định mức tối thiểu 129 kVA . Kích thước máy phát điện tiêu chuẩn gần nhất ở trên này thường là Đơn vị 150 kVA .

Lưu ý về tải trọng tối thiểu: động cơ diesel cũng có yêu cầu tải tối thiểu 30–40% công suất định mức . Chạy máy phát điện diesel dưới ngưỡng này trong thời gian dài sẽ gây ra tình trạng tích tụ ướt - quá trình đốt cháy không hoàn toàn sẽ tích tụ nhiên liệu và carbon chưa cháy hết trong hệ thống ống xả và xi lanh, làm tăng chi phí bảo trì và giảm tuổi thọ động cơ. Nếu tải chạy dự kiến ​​của bạn thường xuyên dưới 30% định mức của máy phát điện thì thiết bị quá khổ và bạn nên chọn máy phát điện nhỏ hơn hoặc triển khai ngân hàng tải (kết nối tải điện trở nhân tạo để duy trì tải động cơ tối thiểu).

Bước 5 - Giảm độ cao và nhiệt độ môi trường

Công suất đầu ra của máy phát điện diesel được đánh giá ở điều kiện tiêu chuẩn: mực nước biển (độ cao 0m), nhiệt độ môi trường xung quanh 25°C (77°F) và độ ẩm tương đối 30% theo ISO 8528-1 hoặc SAE J1349. Vận hành trên mực nước biển hoặc ở nhiệt độ môi trường cao làm giảm mật độ không khí đến động cơ, làm giảm hiệu suất đốt và công suất đầu ra. Máy phát điện phải được giảm định mức - đầu ra hiệu dụng của nó nhỏ hơn định mức trên bảng tên, do đó định mức trên bảng tên phải cao hơn mức tính toán.

Giảm độ cao

Quy tắc giảm công suất tiêu chuẩn cho động cơ diesel hút khí tự nhiên là mất điện khoảng 3–4% trên 300m (1.000 ft) trên mực nước biển . Động cơ tăng áp giảm tốc độ ít hơn - thông thường 1–2% trên 300m - do bộ tăng áp bù đắp cho mật độ không khí giảm đến giới hạn thiết kế của nó, sau đó mức giảm công suất tăng mạnh. Luôn sử dụng đường cong giảm tải cụ thể của nhà sản xuất; các giá trị dưới đây là đại diện:

Giảm nhiệt độ

Trên nhiệt độ định mức tiêu chuẩn 25°C, máy phát điện giảm hoạt động ở mức xấp xỉ 1% mỗi 5,5°C (10°F) trên 25°C cho hầu hết các động cơ tăng áp. Trong môi trường nhiệt đới với nhiệt độ môi trường xung quanh cao nhất là 45°C (cao hơn 20°C so với tiêu chuẩn), bạn có thể cần thêm Giảm 3–4% điện năng . Sự giảm nhiệt độ và độ cao kết hợp có tính nhân lên - cả hai yếu tố đều được áp dụng đồng thời.

Để tìm bảng tên kVA cần thiết sau khi giảm công suất: Bảng tên bắt buộc kVA = kVA hiệu dụng bắt buộc ÷ (Hệ số độ cao × Hệ số nhiệt độ)

Ví dụ: Yêu cầu hiệu dụng 129 kVA ở độ cao 1.500m (hệ số 0,94) và nhiệt độ môi trường xung quanh 40°C (hệ số 0,97) yêu cầu: 129 `(0,94 × 0,97) = 129 ` 0,912 = Bảng tên tối thiểu 141 kVA , vì vậy hãy chọn kích thước tiêu chuẩn tiếp theo: 150 kVA .

Các loại tải phổ biến và hệ số kích thước của chúng

Xếp hạng Prime Power so với Xếp hạng dự phòng: Chọn loại xếp hạng phù hợp

Máy phát điện diesel được bán với nhiều phân loại xếp hạng để xác định độ cứng và thời gian động cơ có thể duy trì ở công suất nhất định. Việc sử dụng máy phát điện vượt quá mức định mức dự định sẽ gây ra lỗi động cơ sớm. Bốn loại xếp hạng chính của ISO 8528 là:

• Chế độ chờ (ESP - Nguồn dự phòng khẩn cấp) - công suất tối đa chỉ để sử dụng trong trường hợp khẩn cấp khi mất điện lưới; không được phép quá tải ; sử dụng thông thường giới hạn ở mức 200 giờ mỗi năm; đây là mức kVA cao nhất trên bảng tên nhưng không phù hợp với nguồn điện chính hoặc các ứng dụng sử dụng thường xuyên
• Công suất chính (PRP - Công suất định mức chính) - hoạt động liên tục trong thời gian không giới hạn khi không có nguồn cung cấp tiện ích; Cho phép quá tải 10% trong 1 giờ trong 12 giờ ; được đánh giá ở khoảng 80–90% công suất chờ của động cơ tương tự; chính xác cho các địa điểm không có lưới điện, năng lượng xây dựng, hoạt động khai thác mỏ
• Công suất liên tục (COP) - vận hành tải cơ bản ở công suất không đổi trong thời gian không giới hạn với không được phép quá tải ; khoảng 70–80% xếp hạng dự phòng; được sử dụng trong các ứng dụng phát điện và tải cơ sở trên đảo
• Công suất chạy trong thời gian giới hạn (LTP) - vận hành trong khoảng thời gian giới hạn xác định trong các ứng dụng không khẩn cấp; thông thường tối đa 500 giờ mỗi năm

Máy phát điện được tiếp thị là "100 kVA dự phòng / 90 kVA Prime" có hai giới hạn công suất khác nhau tùy thuộc vào cách sử dụng . Đối với máy phát điện dự phòng của bệnh viện chỉ được sử dụng khi mất điện, mức dự phòng 100 kVA sẽ được áp dụng. Đối với máy phát điện của trại khai thác chạy liên tục như nguồn điện duy nhất, định mức cơ bản 90 kVA sẽ chi phối - và tính toán kích thước phải sử dụng 90 kVA làm tham chiếu, không phải 100 kVA.

Máy phát điện ba pha so với một pha và cân bằng tải

Máy phát điện trên khoảng 15–20 kVA hầu như luôn là máy phát điện ba pha (3Φ) vì nguồn điện ba pha cung cấp năng lượng hiệu quả hơn và cần thiết cho động cơ ba pha. Khi định cỡ máy phát điện ba pha cho tải hỗn hợp (một số động cơ ba pha cộng với tải một pha), cân bằng pha trở thành một yếu tố quan trọng cần cân nhắc.

Máy phát điện ba pha được định mức cho tải cân bằng - công suất bằng nhau trên mỗi pha. Nếu tải một pha được phân bổ không đều trên ba pha thì pha có tải nặng nhất sẽ hạn chế tổng công suất máy phát và có thể gây mất cân bằng điện áp gây hại cho động cơ và thiết bị điện tử. Hầu hết các nhà sản xuất máy phát điện đều xác định rằng Sự mất cân bằng tải một pha giữa hai pha bất kỳ không được vượt quá 25% dòng điện định mức của máy phát trên mỗi pha .

Khi chuẩn bị danh sách tải của bạn cho máy phát điện ba pha, hãy chỉ định từng tải một pha cho một pha cụ thể và xác minh rằng không có pha nào mang nhiều hơn khoảng 1/3 tổng tải 12,5% tổng kVA . Trong thực tế, phân phối tải càng đồng đều càng tốt và kiểm tra sự cân bằng với thợ điện trong quá trình lắp đặt.

Định cỡ cho tải phi tuyến tính: Hệ thống UPS và VFD

Tải phi tuyến tính - Hệ thống UPS, bộ điều khiển tần số thay đổi, nguồn điện ở chế độ chuyển mạch và bộ sạc pin - tạo ra dòng điện không hình sin tạo ra sự biến dạng sóng hài vào điện áp đầu ra của máy phát điện. Thành phần sóng hài này gây ra hiện tượng nóng thêm trong cuộn dây máy phát điện và có thể cản trở bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR) của máy phát điện, gây mất ổn định điện áp.

Hướng dẫn của ngành về định cỡ máy phát điện chủ yếu cung cấp tải phi tuyến tính:

• hệ thống UPS - kích thước máy phát điện ở 1,5 đến 2× định mức kVA của UPS ; UPS 50 kVA yêu cầu tối thiểu máy phát điện 75–100 kVA; điều này gây ra sự suy giảm sóng hài, hệ số công suất đầu vào của UPS và nhu cầu sạc lại ắc quy trong những phút đầu tiên sau khi khởi động máy phát điện.
• Biến tần (VFD) - VFD làm giảm đột biến khởi động động cơ nhưng tạo ra sóng hài; kích thước máy phát điện ở 1,25× kVA được yêu cầu bởi tất cả các tải VFD ; chỉ định máy phát điện có máy phát điện "12 xung" hoặc THD thấp nếu tải VFD vượt quá 50% tổng tải máy phát điện
• Tải trung tâm dữ liệu / máy chủ — bộ nguồn máy chủ hiện đại có hệ số công suất 0,95–0,99 với hàm lượng sóng hài vừa phải; kích thước tại Tổng tải CNTT 1,25–1,5× để tính toán tổn thất của thiết bị phân phối điện (PDU) và thiết bị làm mát

Ví dụ về kích thước hoàn chỉnh: Xưởng công nghiệp

Một xưởng sản xuất ở vùng núi Độ cao 1.200m với nhiệt độ môi trường xung quanh cao nhất là 38°C yêu cầu một máy phát điện chính cho các tải sau:

Tính toán kích thước:

1. Tổng tải chạy: 53.6 kW
2. Bổ sung đột biến động cơ lớn nhất: Tăng đột biến máy nén khí (45 kW) − đang chạy (15 kW) = 30 kW
3. Nhu cầu tức thời cao nhất: 53.6 30 = 83.6 kW
4. Quy đổi sang kVA ở PF 0,8: 83,6 0,8 = 104,5 kVA
5. Áp dụng khoảng không phụ tải 80%: 104,5 0,8 = 130,6 kVA
6. Độ cao giảm ở 1.200m (có tăng áp, hệ số ≈ 0,953): 130,6 0,953 = 137 kVA
7. Nhiệt độ giảm ở 38°C (hệ số ≈ 0,975): 137 0,975 = 140,5 kVA
8. Chọn kích thước máy phát điện tiêu chuẩn: 150 kVA Prime định mức

Những sai lầm về kích thước phổ biến và cách tránh chúng

• Bỏ qua xung khởi động động cơ - nguyên nhân thường gặp nhất của việc định cỡ dưới mức; một máy phát điện dễ dàng xử lý các tải đang chạy có thể bị ngắt ngay lập tức khi một động cơ lớn khởi động; luôn tính toán nhu cầu cao điểm bao gồm cả lần khởi động động cơ lớn nhất
• Nhầm lẫn giữa kW và kVA - một nhà cung cấp báo giá "máy phát điện 100 kW" ở hệ số công suất 0,8 đang cung cấp 125 kVA; xác minh xem con số được trích dẫn là kW hay kVA để tránh định cỡ dưới 25%
• Sử dụng xếp hạng dự phòng cho các ứng dụng nguồn chính - máy phát điện chạy liên tục không nối lưới phải có kích thước phù hợp với định mức công suất chính của nó chứ không phải định mức dự phòng (cao hơn); sử dụng số dự phòng để làm việc liên tục sẽ dẫn đến động cơ quá tải và hỏng hóc sớm
• Quá khổ để "an toàn" mà không cần kiểm tra tải tối thiểu - một máy phát điện 500 kVA được lắp đặt cho tải 50 kW chạy ở công suất 10%, gây ra hiện tượng xếp chồng ướt nghiêm trọng; tải vận hành tối thiểu phải là 30–40% công suất định mức
• Bỏ qua độ cao và nhiệt độ giảm - máy phát điện 100 kVA ở độ cao 2.000m chỉ có thể cung cấp 91 kVA; không tính đến điều này có thể dẫn đến tình trạng quá tải mãn tính ở các địa điểm có độ cao lớn
• Không tính đến sự tăng trưởng tải trong tương lai - một máy phát điện có kích thước chính xác cho tải ngày nay không có chỗ để mở rộng; thêm một dự báo tăng trưởng thực tế (thường là Công suất bổ sung 10–20% đối với các cơ sở dự kiến mở rộng trong vòng 5 năm)