Dobór mocy agregatu do silników elektrycznych

W obiekcie zasilanym z agregatu większość problemów wynika nie z obciążenia ciągłego, lecz z chwili rozruchu silników. Pompa, która podczas pracy pobiera 30 kVA, w pierwszych sekundach potrzebuje kilkukrotnie więcej. Jeśli agregat nie pokryje tego nagłego zapotrzebowania, napięcie spada, styczniki odpadają, silnik nie rusza lub zatrzymują się inne urządzenia na tej samej linii. W tym artykule krok po kroku opisujemy, jak sprawdzić moc agregatu dla odbiorników silnikowych. Ogólne zasady sumowania obciążeń przedstawiamy w artykule Jaka moc agregatu?.

Co dzieje się podczas rozruchu?

W zatrzymanym silniku asynchronicznym wirnik jest nieruchomy, a uzwojenia zachowują się niemal jak zwarcie. Dlatego w pierwszej chwili silnik pobiera prąd 5–8 razy większy od znamionowego. Współczynnik mocy tego prądu jest niski (około 0,3–0,4), co oznacza, że od agregatu wymagana jest głównie moc bierna. Moc bierną pokrywa prądnica, natomiast silnik spalinowy musi zareagować na nagły wzrost obciążenia, aby prędkość obrotowa nie spadła.

W efekcie rozruch silnika wywołuje dwa zjawiska:

• Spadek napięcia (voltage dip): zależy od czasu reakcji prądnicy i regulatora napięcia (AVR).
• Spadek częstotliwości: zależy od zdolności silnika Diesla do przyjęcia nagłego obciążenia i od regulatora obrotów.

Od tabliczki znamionowej do kVA rozruchowego

Do obliczeń wystarczą trzy dane z tabliczki znamionowej silnika: moc (kW), sprawność i współczynnik mocy. Robocze kVA wyznacza się w przybliżeniu następująco:

Robocze kVA = kW ÷ (sprawność × współczynnik mocy)

Na przykład dla silnika 22 kW o sprawności 0,92 i współczynniku mocy 0,85 robocze kVA wynosi około 28 kVA. kVA rozruchowe jest wielokrotnością tej wartości, zależną od metody rozruchu:

Metoda rozruchu	Prąd rozruchowy (względem znamionowego)	Przybliżone kVA rozruchowe dla silnika 22 kW
Bezpośredni (DOL)	6–7 razy	170–200 kVA
Gwiazda-trójkąt	około 2–2,5 razy	55–70 kVA
Softstart	około 2,5–3,5 razy (zależnie od nastaw)	70–100 kVA
Przemiennik częstotliwości (VFD)	około 1–1,5 razy	28–42 kVA

Wartości te mają charakter orientacyjny; dokładną wartość rozruchową określa się na podstawie danych producenta silnika dla zablokowanego wirnika. Warto zwrócić uwagę, że dla tego samego silnika rozruch bezpośredni wymaga od agregatu chwilowo około pięć razy więcej mocy niż rozruch przez przemiennik.

Dopuszczalny spadek napięcia

Przy doborze agregatu pytanie nie brzmi „czy silnik ruszy?”, lecz „o ile spadnie napięcie podczas rozruchu?”. W praktyce stosuje się zwykle następujące granice:

• Ogólne odbiorniki silnikowe: 15–20%
• Windy, obwody sterowania oparte na stycznikach: około 15%
• Silniki pracujące na tej samej szynie co wrażliwe odbiorniki elektroniczne: 10% lub mniej

Jeśli napięcie spadnie o 25–30% lub więcej, cewki styczników mogą odpaść; silnik nie zdoła się uruchomić i będzie wielokrotnie próbował się załączyć. Karty katalogowe agregatów podają kVA rozruchowe (motor starting kVA), jakie prądnica może dostarczyć przy określonym spadku napięcia. Przy doborze porównuje się tę wartość z kVA rozruchowym największego silnika.

Rozruch sekwencyjny: to samo zadanie mniejszym agregatem

Jeśli silników jest kilka, nie muszą one ruszać jednocześnie. Za pomocą przekaźników czasowych w układzie sterowania lub wyjść sterownika silniki można załączać w odstępach 5–10 sekund. Zasada jest prosta:

1. Największy silnik uruchom jako pierwszy.
2. Pozostałe silniki ustaw w kolejności od największego do najmniejszego.
3. Na każdym etapie sprawdź sumę obciążenia już zasilanego przez agregat i kVA rozruchowego kolejnego silnika.

Przykład: w instalacji nawadniającej pracują trzy pompy 30 kW, 15 kW i 7,5 kW, wszystkie z rozruchem bezpośrednim. Przy jednoczesnym rozruchu trzech pomp chwilowe zapotrzebowanie przekracza 400 kVA. Przy rozruchu sekwencyjnym najbardziej krytycznym etapem jest rozruch pompy 30 kW, wymagający około 230–270 kVA. Jeśli pompę 30 kW uruchamia się w układzie gwiazda-trójkąt, najbardziej krytycznym etapem staje się rozruch pompy 15 kW przy pracującej pompie 30 kW, a zapotrzebowanie spada do około 150–170 kVA. Dzięki temu można dobrać wyraźnie mniejszy agregat. Obliczenie ma charakter przybliżony; w projekcie należy je zweryfikować na podstawie tabliczek znamionowych silników i karty katalogowej agregatu.

Odbiorniki z przemiennikami i harmoniczne

Przemienniki częstotliwości w dużej mierze rozwiązują problem rozruchu, ale wprowadzają nowe zagadnienie: prądy harmoniczne. Prąd pobierany przez przemiennik sześciopulsowy nie jest sinusoidalny. Ponieważ impedancja wewnętrzna agregatu jest wyższa niż sieci, harmoniczne silniej odkształcają przebieg napięcia. Na co zwrócić uwagę:

• Jeśli ponad połowa całkowitego obciążenia jest zasilana przez przemienniki, można dobrać prądnicę o jeden rozmiar większą.
• Po stronie napędu można zastosować dławik sieciowy lub filtr harmonicznych.
• Prądnice z opcją wzbudzenia z magnesów trwałych (PMG) utrzymują stabilniejszą regulację przy odkształconym napięciu.
• W obiektach z przewagą zasilaczy UPS i przemienników podczas uruchomienia należy sprawdzić nastawy AVR i dokładność pomiarów sterownika.

Lista kontrolna dla odbiorników silnikowych

• Czy sporządzono listę mocy, metod rozruchu i kolejności pracy wszystkich silników?
• Czy kVA rozruchowe największego silnika porównano z kVA rozruchowym podanym w karcie katalogowej agregatu?
• Czy dopuszczalny spadek napięcia określono w zależności od rodzaju odbiorników?
• Czy jednoczesny rozruch jest rzeczywiście konieczny, czy możliwy jest rozruch sekwencyjny?
• Czy oceniono udział odbiorników z przemiennikami w całkowitym obciążeniu i wpływ harmonicznych?
• Czy dla silników krytycznych, takich jak pompy pożarowe, osobno sprawdzono wymagania odpowiedniej normy?

Następny krok

Wprowadzając listę odbiorników do kalkulatora mocy agregatu, od razu zobaczysz pierwsze oszacowanie. W projektach z przewagą odbiorników silnikowych prosimy o przesłanie danych z tabliczek znamionowych silników i kolejności ich pracy razem z zapytaniem ofertowym; wtedy dobierzemy rozmiar prądnicy i sterownik agregatu odpowiednio do tych odbiorników. Odpowiednie modele znajdziesz na stronach agregatów w wersji otwartej i agregatów w obudowie wyciszonej.