نحوه انتخاب دیزل ژنراتور برای راه اندازی موتور الکتریکی

سایز کردن دیزل ژنراتور برای راه‌اندازی موتور الکتریکی

یک آموزش کاربردی برای فهمیدن این‌که استارت موتور الکتریکی چگونه روی کارکرد دیزل ژنراتور تأثیر می‌گذارد.

سیستم‌های برق اضطراری امروزه خیلی پیچیده‌تر هستند. دیزل ژنراتورها در خیلی از کاربری‌های صنعتی و تجاری باید بارهای غیرخطی، خطی و بعلاوه موتورهای الکتریکی بزرگ که خاموش و روشن می‌شوند را تأمین کنند. کاربری‌های که دارای موتور الکتریکی هستند، سایزینگ دیزل ژنراتور را خیلی پیچیده می‌کنند.

ارتباط مستقیم دینامیکی بین دیزل ژنراتور و موتورها، بعلاوه، تأثیر راه‌اندازی موتور روی دیزل ژنراتور، لختی یا اینرسی سیستم، بارگذاری موتوری، افت ناگهانی فرکانس، بار قبلی روی دیزل ژنراتور و بارگیری غیرخطی دیزل ژنراتور، انتخاب و سایز کردن دستی دیزل ژنراتور را سخت می‌کند و حتی ممکن‌است سایز کردن دیزل ژنراتور به‌صورت دستی غیرممکن باشد.

 نه‌تنها سایز کردن دیزل ژنراتور برای راه‌اندازی موتورهای الکتریکی بزرگ پیچیده‌است بلکه سازنده‌های مختلف روش‌های متفاوتی برای تعیین سایز دیزل ژنراتور اضطراری جهت کارکرد قابل‌اطمینان دارا می‌باشند.

اکثر تولید کنندگان بزرگ دیزل ژنراتور یک نرم‌افزار طراحی کرده اند که مخصوص سایزینگ دیزل ژنراتور می‌باشد ولی به علت روش‌های مختلف هر سازنده برای سایزینگ در حالت راه اندازی موتور، ممکن‌است این نرم‌افزارها دیزل ژنراتورهای بزرگ‌تر و گران‌تر و یا دیزل ژنراتور کوچک‌تر را پیشنهاد بدهند.

هدف این مقاله‌است که شرح بدهد که چگونه موتورها روی کارکرد دیزل ژنراتور تأثیر می‌گذارند و این‌که چگونه نرم‌افزارهای سایزینگ بارهای موتوری را در نظر می‌گیرند. با داشتن این دانش، طراحانی که دیزل ژنراتور سایز می‌کنند می‌توانند بهترین و کم‌هزینه‌ترین دیزل ژنراتور را بری استارت موتور الکتریکی انتخاب کنند.

ویژگی‌های اصلی بارهای موتوری

بارهای موتوری باعث ایجاد دردسر می‌شوند زیرا در زمان راه‌اندازی با ولتاژ کامل جریان زیادی می‌کشند. جریان راه‌اندازی معمولاً ۶ برابر جریان نامی موتور است و این جریان هجومی تا زمانی که موتور به ۷۵ درصد سرعتش برسد وجود دارد. زمانی که موتور روی شبکه‌ی برق استارت می‌شود جریان راه‌اندازی موتور مقدار کمی افت ولتاژ ایجاد می‌کند زیرا شبکه یک منبع قوی‌است. زمانی که موتور روی دیزل ژنراتور راه‌اندازی‌می‌شود، جریان هجومی بالا( که به‌صورت کیلوولت آمپر KVA اندازه‌گیری می‌شود) ممکن‌است باعث افت ولتاژ شدید‌شده و از رسیدن موتور به‌سرعت نامی جلوگیری کند.

 

شکل ۱- جدول کدهای NEMA مشخص کننده‌ی توان روتور قفل شده‌ی موتور

چالش این است که یک دیزل ژنراتور سایز کنیم تا از پس بار موتور بربیاید، و همچنین تأثیر افت ولتاژ و فرکانس را روی بارهای دیگر متصل به دیزل ژنراتور کاهش دهیم.

ازاین‌رو، وقتی‌که یک دیزل ژنراتور سایز می‌کنیم، خیلی مهم است که به‌صورت دقیق افت ولتاژ را پیش‌بینی کنیم و بفهمیم که مقدار حداکثر قابلیت استارت موتور روی دیزل ژنراتور چقدر است و چقدر افت ولتاژ مجاز است. مرسوم‌ترین روش برای سایز کردن دیزل ژنراتور در زمان استارت موتور الکتریکی، فهمیدن افت ولتاژ لحظه‌ای مجاز‌است و معیار اول در سایزینگ است.اگرچه یک سازنده وجود دارد که مدت‌زمان افت ولتاژ را در سایزینگ استارت موتور نیز در نظر می‌گیرد.

مقدار KVA راه‌اندازی موتور را می‌توان از روی پلاک آن به دست آورد. انجمن ملی سازندگان تجهیزات برقی (ٔNEMA) استانداردهای طراحی موتور را تعیین می‌کند و یک کد اختصاری به نام NEMA برای تقسیم‌بندی موتورهای الکتریکی بر اساس نسبت کیلوولت آمپر قفل‌شده موتور (LRKVAs) به اسب بخار آن ایجاد کرده‌است. این کدها از A تا V‌است و رنج آن بین 3.14 تا 22.4  22.4 LRKVA-per-horsepower را شامل می‌شود شکل شماره ۱

برای مثال یک موتور ۵۰ اسب بخار با کد F نیاز به 5.59 کیلوولت آمپر قفل‌شده به ازای هر اسب بخار نیاز دارد(50 hp x 5.59 LRKVA per hp = 279.5 LRKVA/hp). LRKVA را به‌عنوان کیلوولت آمپر راه‌اندازی “starting KVA”   “SKVA.” نیز می‌شناسند.

موتورهای کوچک‌تر دارای کد بالاتر NEMA هستند و درنتیجه مقدار بیشتری کیلوولت آمپر راه‌اندازی نسبت به اسب بخارشان در مقایسه با موتورهای بزرگ‌تر دارند. سایز موتورهای معمول و کدهایشان در شکل ۲ نمایش داده‌شده‌اند

افت ولتاژ

KVA موردنیاز یک موتور در حال کار با سرعت و بار نامی معمولاً کمتر از یک KVA  به اسب بخار‌است. به‌استثنای موتورهای خیلی کوچک. می‌توان دیزل ژنراتورها را بر اساس KVA راه‌اندازی موتورها سایز کنیم اما این کار معمولاً باعث می‌شود دیزل ژنراتور ۲ برابر سایز واقعی موردنیاز باشد. به خاطر اثر متقابل دینامیکی اجزای سیستم، چندین مشخصه موردنیاز این روش را غیرعملی می‌کند.

شکل ۲- کدهای معمولNEMA برای موتورهای با توان مختلف

شکل ۳-توان مورد نیاز دیزل در زمان ضریب توان کوچکتر

اولین ویژگی ضریب توان‌است. توان نامی دیزل ژنراتورهای ۳ فاز معمولاً برای ضریب توان ۰.۸ است. ضریب توان راه‌اندازی موتورها معمولاً بین ۰.۳ تا ۰.۵‌است و با سرعت گرفتن موتور این مقدار به سمت یک حرکت می‌کند و مقدار KVA موردنیاز آن کاهش می‌یابد. با یک‌بار با ضریب توان ۰.۴ یک دیزل ژنراتور معمول می‌تواند دو برابر توان KVA در حال کار خودش را در زمان راه‌اندازی موتور تحویل دهد.

با بارگیری بیشتر KVA  در حال راه‌اندازی موتور دیزل از کار نمی‌افتد زیرا بارهای با ضریب توان کمتر به قدرت کمتر اسب بخار نیاز دارد(شکل ۳ را ببینید). این ویژگی باعث می‌شود که برای مثال دیزلی که در کار نرمال دارای ۵۰۰ کیلو ولت آپر با ضریب توان ۰.۸ است همین دیزل ۱۰۰۰ کیلو ولت آمپر با ضریب توان ۰.۴ تحویل دهد.

افت ولتاژ

ویژگی دیگری که سایز دیزل ژنراتور موردنیاز برای استارت موتور را خیلی کاهش می‌دهد افت ولتاژ است. مقدارهای LRKVA بر اساس ولتاژ کامل در زمان راه‌اندازی است.

در واقعیت، همیشه یک افت ولتاژ در زمان راه‌اندازی موتور روی دیزل ژنراتور وجود دارد و حتی یک مقدار کمی افت ولتاژ در زمان راه‌اندازی موتور با برق شبکه نیز وجود دارد. وقتی‌که ولتاژ افت می‌کند به نسبت آن مقدار KVAراه‌اندازی موردنیاز با نسبت توان ۲ کاهش پیدا می‌کند.

یک افت ولتاژ ۳۰ درصدی مقدار KVAراه‌اندازی را به‌اندازه ۵۰ درصد(0.7 kilovolts x 0.7  amps = 0.49 KVA) کاهش می‌دهد.

برای سیکل‌های اول راه اندازی موتور مقدار افت ولتاژ با مقدار بار (کیلوولت آمپر راه‌اندازی موتور LRKVA) و راکتانس ژنراتور که متناسب با مقدار مس و آهن موجود ژنراتور هست تعیین می‌گردد. یک مشکل در سایز کردن دیزل ژنراتور تعیین مقدار افت ولتاژ قابل‌قبول برای بارهای دیگر موجود در سیستم است که ممکن‌است حتی تعدادی از آن‌ها دارای مشخصه‌های حالت گذرای نامعلوم باشد.

به‌علاوه‌ی بارهای دیگر متصل به دیزل ژنراتور افت ولتاژ می‌تواند خود موتور را نیز تحت تأثیر قرار دهد. برای مثال، افت ولتاژ زیاد می‌تواند باعث قطع شدن رله‌ها و یا کنتاکتورهای مغناطیسی متصل به دیزل ژنراتور شود و یا  باعث شود که خود موتور نتواند استارت شود.

ممکن‌است این مشکل در صورت ادامه به کنتاکتور ها آسیب وارد کند. اکثر رله‌های کنترل‌کننده و کنتاکتورها، تحمل افت ولتاژ ۳۵ درصد را دارا می‌باشند. تعدادی از رله‌ها و یا کنتاکتورها اگر افت ولتاژ ۲۰ درصدی داشته باشند شروع به سروصدا کردن کوچکی می‌کنند.

همچنین، بارهای دیگر حساس به ولتاژ مانند تجهیزات پزشکی، یو پی اس ها در زمان سایزینگ باید در نظر گرفته شوند. برای اطمینان ساختن از کارکرد مناسب در حالت برق اضطراری محدودیت‌های ولتاژی و فرکانسی تجهیزات خود را از سازندگانشان درخواست کنید و آن‌ها را در طراحی در نظر بگیرید.

شکل ۴-انتقال بسته و انتقال باز در زمان راه اندازی موتور – ماه صنعت انرژی

افت ولتاژ همچنین گشتاوری که یک موتور به بارش را می‌تواند تحویل دهد را کاهش می‌دهد. یک موتور نوع B طراحی NEMA ۱۵۰ درصد گشتاور نامی‌اش را در زمان راه‌اندازی می‌تواند تحویل دهد.

گشتاور متناسب با KVA تحویلی به موتور است درنتیجه یک کاهش ولتاژ ۳۰ درصدی گشتاور را ۴۹ درصد حالت نامی‌اش کاهش می‌دهد. اگر موتور بدون بار راه‌اندازی شود مانند اکثر فن‌ها، پمپ‌های سانتریفیوژی و موتورهایی که برای آسانسورها استفاده‌می‌شود این کاهش گشتاور مشکلی ایجاد نمی‌کند و فقط زمان شتاب گیری را کاهش می‌دهد.

نوع بارهای دیگر مانند پمپ های جابه جایی مثبت ممکن‌است به گشتاوری بیشتری که موتور در حالت افت ولتاژ ایجاد می‌کند نیاز داشته باشد، که از رسیدن موتور به دور نامی جلوگیری می‌کند.

برای مطمئن شدن کارکرد صحیح موتور در این کاربردها، باید منحنی گشتاور پمپ را با موتور در حالت افت ولتاژ مقایسه کنید.

راه‌اندازهای موتور، می‌توانند افت ولتاژ را کاهش دهند

جریان هجومی بالا و گشتاور بالای راه‌اندازی مربوط به استارت موتورها با ولتاژ کامل برق شبکه ممکن‌است روی تجهیزاتی که به موتور متصل است مشکل ایجاد کند، و یا ممکن‌است که شبکه برق محلی از شما شکایت کند. برای جلوگیری از این مشکلات، می‌توان از راه‌اندازهای موتور استفاده کرد. این راه‌اندازها  باعث کاهش سایز دیزل ژنراتور در زمان راه‌اندازی موتور نیز می‌شوند.

راه‌اندازهای کاهش‌دهنده‌ی ولتاژ

اکثر راه‌اندازهای کاهش‌دهنده‌ی ولتاژ بار را به منبع برق در ۲ یا چند مرحله متصل می‌کنند. موتور در زمان مراحل راه‌اندازی با این روش می‌تواند از منبع قطع شود و به مرحله‌ی بعدی برود و یا اینکه با مقاومت به منبع متصل بمانند

( مانند راه‌انداز ستار مثلث- می‌توان از حالت انتقال از ستاره به مثلث موتور را از شبکه قطع کرد و یا این‌که به این سیستم مقاومت اضافه کرد و از قطع کامل موتور در زمان انتقال از ستاره به مثلث جلوگیری کرد “open”- or “closed”-transition starters)

و فقط حالت انتقال بسته می‌تواند برای راه‌اندازی موتور با دیزل ژنراتور کمک‌کننده باشد. همان‌طور که در شکل ۴ مشخص است، راه‌اندازی با انتقال‌دهنده‌هایی که موتور را برای لحظه‌ی کوتاهی از شبکه قطع می‌کنند باعث ایجاد یک افزایش KVA‌شدیدی در زمان کلید زنی بین مراحل می‌شوند.

راه‌اندازی به روش  سیم‌پیچ‌های چندبخشی(دالاندر)

استارت به روش سیم‌پیچ‌های چندبخشی (دالاندر) موتورهای می‌باشد که دارای  ۲ سیم‌پیچ همانند است که به‌صورت موازی متصل می‌شوند. این سیم‌پیچ‌ها می‌تواند به‌صورت مرحله‌ای برق‌دار شود با باعث کاهش جریان راه‌اندازی شوند.

به دلیل این‌که این روش ماهیتاً انتقال به‌صورت بسته هست و در زمان انتقال برق موتور قطع نمی گردد جریان هجومی در همان زمان اتصال اول سیم‌پیچ به برق ایجاد می‌شود، و ماکسیمم جریان هجومی راه‌اندازی به این روش روی دیزل ژنراتور ۶۰ ا ۷۰درصد حالت راه‌اندازی مستقیم می‌باشد. شکل ۵ را ببینید.

راه‌اندازی به روش اتوترانس

این نوع راه‌اندازی ولتاژ ورودی موتور را به‌وسیله‌ی اتوترانس کاهش می‌دهد و برای استفاده‌با راه‌اندازی موتور روی دیزل ژنراتور بسیار مناسبت‌است.

شکل ۶ را ببینید. درجه روی اتوترانس اجازه می‌دهد تا ۸۰،۶۵ و یا ۵۰ درصد ولتاژ نامی موتور را انتخاب کنید. گشتاور راه‌اندازی با متناسب با  توان ۲ ولتاژ و تا مقدار ۶۴،۴۲ و ۲۵ درصد حالت ولتاژ کامل کاهش می‌یابد. برای جلوگیری از کاهش گشتاور راه‌اندازی بهتر است ۶۵ یا ۸۰ درصد را انتخاب کنید.

راه‌اندازی به‌وسیله‌ی سافت استارتر

این نوع راه‌اندازی معمول‌ترین روش و قابلیت انعطاف بالایی دارد. این‌یک روش راه‌اندازی با کاهش ولتاژ‌است که از یک‌سوسازهای کنترلی سیلیکونی (SCRs) برای افزایش نرخ ولتاژ در مقداری از قبل تعیین‌شده استفاده می‌کند. محدودیت‌ها روی جریان راه‌اندازی را می‌توان برای بهتر کردن کارکرد سیستم تغییر داد. احتیاط: به دلیل این‌که این نوع استارتر از  SCRs غیرخطی استفاده‌می‌کند، ممکن‌است باعث تغییر و انحراف شکل موج شود.

روش ستاره مثلت

تعدادی از موتورها شش سر سیم‌پیچ دارند که می‌توان آن را هم به‌صورت ستاره و هم مثلث متصل کرد. بااتصال به‌صورت ستاره و یک ولتاژ مناسب ستاره، جریان و گشتاور راه‌اندازی تا ۳۳ درصد حالت مثلث کاهش می‌یابد. درصورتی‌که فقط از راه‌اندازهای بسته ( در زمان انتقال از ستاره به مثلث موتور از منبع قطع نشود) شود کارایی دارد.

فاکتورهایی که در واقعیت روی راه‌اندازی موتور تأثیرگذار هستند

افت فرکانس دیزل ژنراتور

دیزل را نمی‌توان به علت تقاضای بالای توان حقیقی در زمان راه‌اندازی  موتور بزرگ نادیده گرفت. وقتی‌که سرعت موتور زیر بار کم می‌شود، فرکانس افت می‌کنند. مقدار کاهش سرعت دیزل در زمان راه‌اندازی بستگی به ویژگی‌های دیزل و مولد دارد. این فاکتورها را در زمان استفاده‌از نرم‌افزارهای سایزینگ بر اساس تعیین حداکثر افت ولتاژ و فرکانس مجاز  در نظر گرفته‌می‌شود.

زمان پاسخ‌گویی تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ و سیستم تحریک

آزمایش‌ها نشان داده‌است که به‌علاوه‌ی راکتانس گذرای ژنراتور، تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ و تحریک روی افت ولتاژ و بهبود آن تأثیرگذار‌است. یک سیستم تحریک سریع، می‌تواند افت ولتاژ اولیه را محدود کند(شکل ۸)

در افت ولتاژ ۳۵ درصد یا کمتر، یک سیستم با پاسخگویی سریع می‌تواند موتور را سریع‌تر روشن کند.

استارت موتور با دیزل ژنراتوری که بار دارد

بار موجود روی یک دیزل ژنراتور، می‌تواند هم روی افت فرکانس و هم افت ولتاژ در زمان استارت موتور تأثیر بگذارد. برای مثال، یک دیزل ژنراتور که ۵۰ درصد بار دارد ممکن‌است ۲ درصد بیشتر نسب به حالت بی‌باری افت داشته‌باشد.

بارهای غیرخطی

راه‌اندازهای موتور الکترونیکی و درایوها (VFD) بارهای غیرخطی هستند. درواقع درایوها در زمان راه‌اندازی مشکلی ایجاد نمی‌کنند اما باعث اعوجاج شکل موج و هارمونیک می‌شوند. سعی کنید این موارد را با نرم‌افزار سایزینگ سازنده انجام بدهید.

بارگذاری موتور

دو نوع بارگذاری روی موتور وجود دارد. حالت‌های بی‌بار و بارداری

• موتورهای بدون بار- در این حالت موتور سریعاً به ‌سرعت نامی می‌رسد. برای مثال، دمنده‌های سانتریفیوژی، پمپ‌های چرخشی و سانتریفیوژی ( در فشار کم استارت می‌شوند) فن‌ها. برای جلوگیری از قطع‌شدن و ایجاد مشکل روی دستگاه‌های مغناطیسی متصل به دیزل ژنراتور مانند کنتاکتور به‌هیچ‌عنوان افت ولتاژ کمتر از ۳۵ درصد نشود.
• موتورهای باردار- در این حالت زمان بیشتری برای شتاب گرفتن و رسیدن به ولتاژ نامی نیاز‌است، این به خاطر باردار بودن موتور در زمان راه‌اندازی‌است. با موتورهای باردار یک رابطه‌ی عمیق‌تری بین برگشت ولتاژ به حالت عادی در زمان راه‌اندازی و توانایی دیزل ژنراتور برای شتاب دادن موتور تا سرعت نامی و ولتاژ نامی وجود دارد. چند نمونه از این حالت، موتورهای بالابر، کانوایرها، کمپرسورها  هستند.

برگشت ولتاژ در مقایسه با افت ولتاژ

تعدادی از معیارهای اصلی تولیدکننده‌های ژنراتور برای سایز کردن مناسب دیزل ژنراتور در حالت راه‌اندازی موتور متفاوت هستند. بیشتر سازنده‌ها روی افت ولتاژ لحظه‌ای به‌عنوان فاکتور اصلی در سایز کردن دیزل ژنراتور تمرکز می‌کنند، درحالی‌که حداقل یک سازنده برگشت به حالت ولتاژ عادی را به‌عنوان فاکتور اصلی سایز کردن دیزل ژنراتور در نظر می‌گیرد. که ممکن‌است مقداری گیج‌کننده باشد. تجربه‌ در این کار نشان داده‌است که بازگشت ولتاژ به حالت عادی تابعی از سایز تحریک‌است تا سایز خود ژنراتور و ارتباط چندانی باقابلیت راه‌اندازی موتور در دیزل ژنراتور ندارد.

درحالی‌که به دست آوردن مقدار LRKVA مورد نیاز در ماکسیمم افت ولتاژ لحظه‌ای که بارها تجربه می‌کنند باید معیار اصلی طراحی باشد ضروری‌است تا زمان شتاب گیری موتور نیز را در شرایط بارداری موتور در نظر بگیریم،. در تست آزمایشگاهی با موتورهای واقعی و بارهایی با اینرسی خیلی زیاد، محققان فهمیده‌اند که به خاطر دینامیک جریان هجومی موتور و تغییرات ضریب توان،  قابلیت راه‌اندازی موتور بیشتر مرتبط با افت ولتاژ لحظه‌ای است تا برگش ولتاژ. Nema‌و MIL افت ولتاژ را به‌عنوان فاکتور اصلی سایز کردن دیزل ژنراتور اعلام کرده‌اند.

معیار اصلی برای راه‌اندازی موتور

بدون توجه به  این که چه روشی برای سایزینگ استفاده می‌شود و یا سازندگان چگونه توانایی راه‌اندازی موتور را تعیین می‌کنند، معیارهای اصلی زیر برای راه‌اندازی موتور به ترتیب در زمان سایزینگ باید در نظر باید گرفته‌شود .

نتیجه

در سایز کردن دیزل ژنراتور  زمانی که از بار موتوری استفاده‌می‌کنید، باید ، دیزل ، ژنراتور تحریک و موتور و نوع استارتر آن را در نظر بگیرید. شرایط دینامیکی مانند ، اینرسی سیستم، بار موتور، نوع موتور، بار قبلی دیزل ژنراتور نیز مهم هستند. با آنالیز کردن این سیستم‌های دینامیکی طراحان می‌توانند دید بهتری نسبت به شرایط استارت موتور و سایز کردن دیزل ژنراتور داشته‌باشند.

در آخر به علت پیچیده بودن سایزینگ بهتر‌است این کار توسط متخصصان که تجربه‌ی کافی‌دارند انجام شود. در صورت نیاز کافی‌است تا فقط تماس بگیرید تا سایزینگ مختص شما انجام شود.

همچنین مطالعه‌ی مقالات زیر پیشنهاد می‌گردد:

توان دیزل ژنراتور

دیزل ژنراتور دیتا سنترها

 

پایان