Выбор генераторной установки (вне зависимости от вида топлива: дизельной, газовой или бензиновой) — ответственный процесс, который требует тщательного анализа нагрузки. От правильной оценки нагрузки зависит не только техническая применимость ГУ, но и его надежность, эффективность и долговечность.
Часто генератор выбирают исходя из суммарной мощности всех потребителей электроэнергии на объекте, прибавляя запас 20-30%; а иногда и без запаса мощности. Однако, просто цифра потребляемой мощности без анализа характера нагрузки может ввести в заблуждение при подборе генератора: «Потребляемая мощность у меня 120кВт, значит, я куплю генератор на 130кВт» - подобный выбор может привести к проблемам типа: «Почему у меня не запускаются насосы от генератора?», «Почему мой генератор отключается/встает по аварии при пуске оборудования?», «Отключили электричество, генератор запустился, при этом сгорел компьютер, система видеонаблюдения, аппарат МРТ и т.п.». Для исключения подобных ситуаций при выборе генератора требуется провести более полный анализ нагрузки.
Определимся с терминами:
· Активная мощность (P): мощность, которая преобразуется в полезную работу (например, механическую, тепловую).
· Реактивная мощность (Q): мощность, связанная с созданием магнитных и электрических полей (например, в электродвигателях, трансформаторах).
· Полная мощность (S): S = √(P² + Q²)
· Коэффициент мощности (cos φ)- показывает, насколько эффективно используется электрическая энергия. Чем ближе cos φ к 1, тем меньше паразитных токов в системе (например, если cos φ = 0.8, то для обеспечения 100 кВт активной мощности потребуется ГУ мощностью 125 кВА.
· Сеть бесконечной мощности: так условно называют источник, напряжение на шинах которого остается практически неизменным при любых изменениях тока в подключенной к нему цепи. Условно принимается, что сеть основного электроснабжения — это сеть бесконечной (неограниченной) мощности. Есть частности, но в пределах этой статьи мы их касаться не будем.
· Генераторная установка (ГУ): здесь – генераторная установка с двигателем внутреннего сгорания (ДВС); т.е. с бензиновым, дизельным или газовым (газопоршневым) двигателем.
· Регулятор частоты (оборотов) двигателя — это важнейший компонент генераторной установки (ГУ), отвечающий за поддержание стабильной частоты вращения вала двигателя и, соответственно, стабильной частоты выходного напряжения.
· Регуляторная характеристика отражает зависимость числа оборотов, расхода топлива и крутящего момента от эффективной мощности двигателя при воздействии регулятора на механизмы подачи топлива, то есть представляет собой кривые. Характеристика, снятая при перестановке органа управления подачей топлива в сторону снижения номинального скоростного режима, называется частичной. Поскольку все ГУ работают при фиксированной частоте, для них используется только частичная регуляторная характеристика.
· Наклон регуляторной характеристики — определяет, насколько стабильной остаётся частота вращения ГУ при изменении нагрузки. Математически, это разница между номинальной частотой вращения на холостом ходу и при полной нагрузке для фиксированной уставки частоты вращения, выражаемая в процентах номинальной частоты вращения. Например: ГУ при 100% нагрузке работает на частоте 1500 об/мин (номинальная частота для 50 Гц). При холостом ходе частота составляет 1530 об/мин. Тогда наклон регуляторной характеристики будет:
Наклон РХ=(1530-1500)/1500*100%=2%
Регулятор напряжения генератора – отвечает за поддержание стабильного напряжения ГУ при различной нагрузке.
При выборе ГУ надо понимать, чем генератор с ДВС отличается от электрических сетей «бесконечной мощности» (промышленная электросеть) - генератор с ДВС по определению не может выдавать электроэнергию без отклонения от номинальных параметров. Это происходит из-за следующих причин:
- ДВС имеет конечную мощность, силовой генератор ГУ имеет максимальный ток, при превышении которого выдаваемое напряжение неминуемо снизится.
- Системы управления оборотами двигателя и напряжением генератора в любом случае срабатывает не мгновенно, а с задержкой – т.е. при резком приеме/сбросе нагрузки меняется частота и напряжение выдаваемого тока
- · Даже при стабильных оборотах ДВС на работу генератора могут оказывать влияние нелинейные нагрузки.
После принятия во внимание всего вышеизложенного можно перейти непосредственно к оценке общей нагрузки на генераторную установку:
1. Составьте перечень всех потребителей с указанием их мощности и типа нагрузки.
2. Определите коэффициент мощности и пусковые токи.
3. Учтите нелинейные нагрузки и их влияние на ГУ.
4. Оцените необходимость дополнительных систем (UPS, стабилизаторы, фильтры гармоник).
Идеальным вариантом для работы ГУ является полностью линейная нагрузка с плавным повышением/снижением мощности. К сожалению, такого счастья в реальной жизни не бывает.
Виды «особенных» потребителей:
1. Учет нелинейной нагрузки
Нелинейные нагрузки — это потребители, которые искажают форму тока и напряжения, создавая гармоники и искажения синусоиды (кондуктивные помехи).
1.1. Примеры нелинейных нагрузок
- Инверторы и преобразователи частоты
- Светодиодные лампы и драйверы
- Импульсные блоки питания
- Сварочные аппараты
- Электронные стабилизаторы напряжения
1.2. Влияние на ГУ
- Искажение формы тока и напряжения
- Повышение токов в обмотках генератора
- Перегрев и снижение срока службы оборудования
1.3. Решение: при наличии мощных нелинейных нагрузок рекомендуется использовать ГУ с усиленной системой регулирования (например, ECU), использовать фильтры гармоник, правильно распланировать подключение нагрузки.
2. Учет мощных потребителей
Мощные потребители — это устройства, которые потребляют значительную часть мощности ГУ или имеют высокие пусковые токи.
2.1. Примеры мощных потребителей:
- Электродвигатели насосов, компрессоров, вентиляторов
- Приводы дробилок, мельниц
- Сварочные аппараты
- Промышленные нагреватели
- Кондиционеры и холодильные установки
2.2. Особенности:
- Высокие пусковые токи: могут превышать номинальную мощность ГУ.
- Реактивная мощность: требует увеличения мощности генератора и, при очень низком коэффициенте мощности (cos φ) – использование устройств компенсации реактивной мощности.
- Нестабильность нагрузки: может вызывать колебания напряжения и частоты.
2.3. Рекомендация:
Внимательно посчитать нагрузки и пусковые токи, оптимизировать порядок пуска нагрузок, использовать ГУ с изохронной регуляторной характеристикой и запасом мощности 20–50%, использовать пусковые устройства (например, частотные преобразователи). Не забывайте, что частотные преобразователи чувствительны к качеству электропитания, т.е. если часть мощных электродвигателей имеет прямой пуск, а часть пускается через частотные преобразователи, то провал частоты/напряжения при пуске электродвигателей с прямым пуском может привести к аварийному отключению частотных преобразователей.
3. Учет чувствительной аппаратуры
Чувствительная аппаратура — это оборудование, которое требует особо стабильного и чистого электропитания. Любые колебания напряжения, частоты или искажения формы тока могут привести к сбоям или повреждениям.
3.1. Примеры чувствительной аппаратуры:
- Медицинское оборудование (аппараты МРТ, ЭКГ, инкубаторы)
- Серверы и компьютеры
- Системы автоматизации и управления (SCADA, BMS)
- Системы видеонаблюдения и связи
- Лабораторное оборудование
3.2. Требования к питанию:
- Стабильное напряжение и частота
- Минимальные искажения формы тока
- Быстрое восстановление после перебоев
3.3. Решение: для питания чувствительной аппаратуры рекомендуется использовать ГУ с электронным регулятором оборотов (ECU), фильтры гармоник, стабилизаторы напряжения, системы бесперебойного питания (UPS) с двойным преобразованием напряжения.
Наиболее сложные сочетания нагрузок:
- Среди нагрузок присутствуют одновременно мощные электродвигатели (насосы, привода дробилок, мельниц и т.п), достигающие 20-50% суммарной мощности всех нагрузок и чувствительная аппаратура (системы автоматизации и управления).
- Одновременное использование мощных (от 20 до 50% мощности ГУ) нелинейных нагрузок (тиристорные выпрямители, сварочные аппараты) и обычной бытовой и, тем более, компьютерной техники.
- Одновременное использование нескольких типов пуска мощных нагруженных электродвигателей: прямой пуск, пуск с переключением обмоток звезда-треугольник, устройства плавного пуска, частотные регуляторы.
В любом из этих или подобных случаев перед выбором ГУ обязательно требуется заполнить (хотя бы для себя) опросный лист по нагрузкам, их пусковым токам и допустимым отклонениям электропитания.
Выбор генератора — это комплексное решение, которое должно учитывать множество факторов: назначение, мощность, тип нагрузки, условия эксплуатации и требования к автоматизации. Правильно подобранный генератор обеспечит надёжное и безопасное электроснабжение объекта в любых условиях.
Итак, мы заполнили опросный лист по нагрузкам и их пусковым токам. Что делать с полученными данными и как определить мощность генераторной установки читайте в следующей статье.
