重康动力（深圳）有限公司

摘要：柴油发电机组容量选择须同时满足持续负荷、瞬时电压降及柴油机峰值功率三重要求。本文以康明斯机组为例，阐述选型设计中电压降、启动方式、电动机效率等关键因素，通过三种启动顺序的计算比较，指出启动电流由大到小的次序对发电机启动最为有利，并给出选型校验与优化建议。

 

一、容量选择

 

对于柴油发电机组容量的选择，有些设计人员往往采用估算法，很少检验发电机启动时是否满足瞬时压降、最大峰值电流及最大峰值功率等要求。在我们实际应用中，经常会碰到大功率电动机选型备用柴油发电机组的案例：如消防泵，矿下排水泵等。而在以前的设计中经常会出现大马拉小车的现象，或者出现选型中要求小发动机配大发电机现象。

1、选型设计主要考虑因素

      为了帮助设计师设计出最经济实用的柴油发电机组选型方案， 康明斯公司将向大家介绍，大功率电动机选型备用发电机组设计中需要考虑的因素。

（1）允许的电压降和频率降：

      电动机直接启动时会产生3～10倍启动电流，发电机组选型须选择启动容量大于电动机启动时的负载。以康明斯机组为例，15%电压降下低压机组启动容量（SKVA）约为额定容量的2倍，高压机组SKVA约为额定容量的70%，电压降要求越小启动容量下降比率越大。

      以康明斯发电机组为例，通常15%电压降下，低压机组的SKVA约为额定容量的2倍，高压机组的SKVA约为额定容量的70%。电压降要求越小，其启动容量SKVA将会以极大的比率下降。

● 第一步：根据负载之和初选发电机容量，并检验柴油发电机在负荷峰值电流冲击下的电压降，使其不超过允许值；

● 第二步：校验柴油机的能力，即在负载峰值功率（与电动机有效启动容量相似的涵义）冲击下，柴油机不得熄火停转，而应使所拖动的发电机把负载电动机启动起来，也就是柴油机的功率必须大于负荷的峰值功率。

      完成第一步后，求出负载峰值电流为负荷电流的倍数，查图1曲线检验电压降。第二步需计算作用在柴油机轴上的峰值功率，并与柴油机制动功率比较。

（2）发电机组电压等级选择：在相同电压降下，中压（10kV）发电机启动容量SKVA较400V低压发电机小得多，确定备用机组电压等级是重要决策。
（3）启动方式的选择：直接启动电流最大；星-三角启动约为直接启动的1/3；降压启动电流与电压平方成正比；软启动通常为额定电流1～3倍；变频启动电流最小。设计师应根据电动机直接启动电流及发电机在相应电压降下的SKVA值选择合适的启动方式。其中软启动是最为常见的普通选择方案，其与硬启动特性对比曲线如图2所示。
（4）电动机效率的影响：电动机效率直接影响电能向机械能的转换效率，是备用柴发选型时的重要技术参数。

 

图1 柴油发电机最大峰值电流与瞬时压降关系图

图2  电动机软启动与硬启动特性对比曲线

 

 2、选型设计技术参数

      综上所述，设计师在设计前需要了解相关技术参数及应用情况。下面将康明斯柴油发电机组相关技术参数列表，整理如下供参考：

表1  柴油发电机组选型应用数据表

 

二、选型校验表

 

      现以康明斯（Cummins）柴油发电机为例（该柴油发电机允许端电压瞬时压降为20%）说明这一过程。

      选一台康明斯柴油发电机分别为15kW、27kW、27kW、27kW、45kW、55kW、95kW 的异步电动机供电，按三种启动次序启动，表2为按电动机的功率由小到大次序方式启动，表3按电动机功率由大到小次序方式启动，表4为按电动机启动电流由大到小次序方式启动。根据负荷电流初选康明斯柴油发电机组连续功率为360kW，其外形和参数如图1、图2所示

 

图3  连续功率360KW康明斯发电机组侧面外观图

图4  连续功率360KW康明斯发电机组后视图及参数

 

      下面分别按表2～4的计算结果进行校验：

（1）在表2中：最大峰值电流为731.1A，最大峰值功率为411.3kW，初选机组CV360的长期持续电流（即额定电流）684A，峰值电流为发电机额定电流731.1/684=1.07倍。可求得发电机瞬时端电压降为额定电压的16%。此机组柴油机的制动功率为360×1.1=396（kW）（柴油机制动功率按发电机主发电功率千瓦数的1.1倍配备），不满足发电机峰值功率411.3kW的要求。

（2）在表3中：最大峰值电流为778.4A，最大峰值功率388.2kW，检验计算方法同上，可求得发电机瞬时端电压降为额定电压的17%，机组柴油机的制动功率396kW，满足发电机峰值功率388.3kW 的要求。

（3）在表4中：最大峰值电流为636.4A，最大峰值功率386.3kW，检验计算方法同上，可求得发电机瞬时端电压降为额定电压的14%，机组柴油机的制动功率396kW，满足发电机峰值功率386.3kW 的要求。

 

表2   按电动机的功率由小到大次序方式启动

注：● 电动机效率均按0.8，功率因数运行时按0.8.启动时按0.38计算.以下均同。
       ● 星-三角启动电流按负荷电流的2倍计算，直接启动电流按负荷电流的6倍计算，以下均同。

表3   按电动机功率由大到小次序方式启动

表4   按电动机启动电流由大到小次序方式启动

 

经比较，得出结果如下：

结论：电动机按表3或表4的启动顺序均满足要求，但表4（按启动电流由大到小启动）的最大峰值电流和最大峰值功率为最小，对发电机的启动最为有利。

 

三、选型注意事项与建议

 

      在高层建筑中，电动机容量比较大的是消防泵电机。因此，柴油发电机容量主要由消防泵电机容量及启动方式决定。

1. 注意事项

在满足要求的前提下，为了减少初投资及运行费用，应尽量减小柴油发电机组的容量，宜做以下几方面的工作：

（1）与消防给排水专业协商，在满足消防用水的前提下，尽量减少消防水泵的电机容量。

（2）对功率较大的异步电动机采用“Y—△”启动器等降压启动措施。

（3）应尽可能调整启动顺序。首先启动大容量或启动电流大的异步电动机，然后再按顺序启动容量较小或启动电流较小的异步电动机，最后接入无冲击性的其他负荷。

（4）启动时间错开，避免电动机同时启动。e.当发电机组除接带消防负荷外，平时又要接入其他非消防重要负荷时，应考虑两者不得同时运行，两者要进行比较，择其容量大者作为所选柴油发电机的容量。

（5）当建筑规模较大、消防设备较多时，特别对于多栋建筑群及小区的各种消防设备，要进行分析，哪些消防设备在火灾时可能同时运行，择其最有可能同时运行且容量较大者作为所选柴油发电机的容量。

2. 环境因素对机组容量的修正

柴油发电机的实际输出功率受海拔高度、温度、环境湿度等因素影响。在海拔、温度、湿度增加的情况下，柴油发电机的功率会有不同比例的下降：

● 海拔修正：海拔超过 1000m 时，每升高 300m，功率下降约 3%；

● 温度修正：环境温度超过 40℃ 时，每升高 5℃，功率下降约 2%～3%。

在核算柴油发电机的使用功率时须考虑上述修正因素，再进行选型才能避免使用功率不足。

3. 选型关键点建议

（1）不能仅按稳态负荷选型，必须校验瞬时压降和峰值功率。

（2）启动顺序优化是降低峰值功率需求最经济的手段——优先启动启动电流最大的电动机。

（3）降压启动（星-三角、软启动）可有效降低启动电流，但需注意启动转矩是否满足负载要求。

（4）柴油机功率与发电机功率须同时匹配——发电机满足电压降要求后，柴油机必须有足够的制动功率来拖动发电机承受峰值功率冲击，两者缺一不可。柴油机制动功率通常按发电机主用功率的 1.1倍 配备（视具体机型而定）。

（5）环境修正不可忽略——高海拔、高温度地区须对机组容量进行折减。

 

 

总结： 大功率电动机备用柴油发电机组容量选择须综合持续负荷、瞬时电压降和柴油机峰值功率三重要求，缺一不可。选型校验应分两步走——先以负载之和初选发电机容量并检验电压降，再校验柴油机制动功率是否大于峰值功率。三种启动顺序比较表明，按启动电流由大到小启动时峰值电流和峰值功率均最小，最有利于发电机启动。工程中应通过降压启动、优化启动顺序、错开启动时间、合理组合负荷等措施减小机组容量，同时须考虑海拔、温度、湿度等环境因素对输出功率的修正，避免功率不足或大马拉小车的现象。

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