Каталог статей
ГлавнаяРасчет требуемой мощности генератора

Обеспечение безаварийного электроснабжения на приемлемом качественном и количественном уровне невозможно без грамотного учета и оценки энергетических потребностей предприятия, офиса или отдельной семьи. Необходимо разбираться в видах полезных нагрузок и уметь группировать их по приоритетности.

Расчет мощности генератора осуществляется перед выбором его конструктивного типа. Ошибочное определение значений технических параметров приводит к завышению капитальных и текущих затрат на оборудование, либо к снижению его ресурса.

Для всех основных технических терминов, использующихся в статье, мы приводим англоязычные аналоги, так как маркировка и техническое описание электроприборов выполняются на этом языке независимо от страны - производителя.

Активная и реактивная нагрузки | Определение потребной мощности | Пример расчета

Виды полезных нагрузок и учет их мощности

Энергия, потребляемая промышленным и бытовым оборудованием, преобразуется в свет, тепло и переменное электромагнитное поле в обмотках синхронных и асинхронных двигателей. Электроприборы характеризуются пусковой (Starting Power), устоявшейся/холостой (Running Power) и рабочей (Loaded Power) мощностями.

Активная нагрузка

Получение света и тепла – это цель использования устройств, называемых «активной нагрузкой» (Resistance Load). Учет мощности таких приборов очень прост, так как при их включении отсутствуют скачки тока, а потребление энергии постоянно в течение всего рабочего периода. В отношении печей, духовок, лампочек накаливания, утюгов, телевизоров – всех устройств, в составе которых нет электродвигателей – принято говорить только об активной номинальной мощности (Resistive Power), выражаемой в киловаттах (кВт). Можно считать, что для этих нагрузок значения стартовых, устоявшихся и рабочих параметров равны друг другу.

Требуемая активная мощность генератора равна арифметической сумме номинальных мощностей при обеспечении работы электроприборов только этого типа.

СЛЕДУЕТ ПОМНИТЬ:
Не все осветительные устройства являются активной нагрузкой. Галогеновые и неоновые лампы отличаются пусковыми скачками силы тока. В то же время, не должно вводить в заблуждение указание в технических описаниях некоторых нагревательных приборов (если только это не микроволновые или индукционные печи) двух показателей – номинальной (P, RP) и максимальной (Pmax, ESP) мощностей. Это говорит лишь о наличии в их составе регуляторов производительности, которая остается постоянной величиной в момент пуска и после него, если не производилось регулирование.

Влияние фазовых сдвигов

Учитывать реактивную нагрузку (Reactive Load) сложнее. В конструкциях приборов этого типа используются электродвигатели или мощные катушки. Их работа вызывает сдвиг фаз между синусоидами тока и напряжения, который в электротехнике принято выражать через cos φ («косинус фи»). Если на маркировке шлифмашины, вентилятора или индукционной печи указано «cos φ = 0,8», это означает, что 80% потребляемой энергии  приходится на активную мощность, а 20% – на реактивную (Reactive Power). Принято дополнительно маркировать значения реактивной и полной (суммы активной и реактивной) мощностей при помощи специфической единицы измерения кВА (киловольтампер).Так, для электродвигателя с полной мощностью 1,0 кВА в паспорте, как правило, указывается номинальная активная мощность P = 0,8 кВт и  cos φ = 0,8.

Таким образом, если активная нагрузка характеризуется только номинальной мощностью, то реактивная – тремя паспортными величинами. Мощность генератора также указывается в кВт и/или кВА с указанием cos φ.

Влияние пусковых токов

Мощность, потребляемая реактивными нагрузками в течение 0,1 - 2,0 сек с момента включения, может превосходить их номинальную производительность в 1,2 - 3,0 раза и более. В технической документации пусковые режимы  отражены в виде диаграмм, максимальных значений или коэффициентов. Ознакомиться с данными для некоторых бытовых, коммерческих и промышленных устройств можно в таблице (1).

Влияние схемы работы

Приборы, относящиеся к реактивным нагрузкам, можно разделить на двух- и трехциклические. Первые после пуска выходят на устоявшийся режим работы, который не меняется до отключения. Это вентиляторы, холодильники, кондиционеры, фены и подобные им устройства. У вторых в режиме эксплуатации устоявшийся (холостой) режим периодически сменяется рабочим (нагруженным). Трехциклическими являются многие виды станков и электроинструментов.

К примеру, циркулярная пила, «стартующая» на мощности 1200 Вт, выходит на холостой режим, потребляя 720 Вт. При распиливании заготовок устройство начинает потреблять 1800 Вт. Изготовитель такого инструмента может различными способами указать значения эксплуатационных параметров. Например, разместить в инструкции диаграмму, отражающую работу устройства на всех трех циклах. Иногда указывается номинальная мощность холостого хода и коэффициент запаса, соответствующий работе с максимально допустимой интенсивностью.

ВАЖНО!
В ряде случаев, принимая во внимание только пусковой коэффициент, можно допустить ошибку при суммировании значений нескольких нагрузок. Расчетная мощность генератора может оказаться заниженной.


В таблице (1) приведены величины пусковых и нагрузочных коэффициентов, а также величины требуемой полной мощности генерирующего устройства для различных видов электрооборудования.

Таблица 1

Учет вида полезной нагрузки при определении мощности генератора

Наименование нагрузки

Номинальная мощность нагрузки, кВт

Коэф. запаса

Требуемая активная мощность генератора, кВт

cos φ

Требуемая полная мощность генератора, кВА

Группа нагрузок «дом – офис»

Электропечь

2,5

1,0

2,5

1,0

2,5

телевизор

0,3

1,0

0,3

1,0

0,3

утюг

0,8 - 2,0

1,0

0,8 - 2,0

1,0

0,8 - 2,0

Лампа накаливания

0,04 - 0,1

1,0

0,04 - 0,1

1,0

0,04 - 0,1

Электрочайник

1,0 - 2,0

1,0

1,0 - 2,0

1,0

1,0 - 2,0

Бойлер

1,2 - 3,0

1,0

1,2 - 3,0

1,0

1,2 - 3,0

Теплые полы

1,0

1,0

Радиаторы отопления

1,0 - 2,5

1,2

1,2 - 3,0

1,0

1,2 - 3,0

Компьютерная техника

2,0

0,9

Галогеновая лампа

0,03 - 0,1

2,0

0,06 - 0,2

0,85

0,071 - 0,235

Каттер/миксер/кухонный комбайн

1,0

2,5*

2,5

0,5

5,0

Стиральная машина

2,0 - 3,5

3,0

6,0 - 10,5

0,92

6,52 - 11,41

Кондиционеры

3,5

0,85

Тепловой насос

0,5

3,5

1,75

0,9

1,94

Холодильник или морозильник

0,3

3,5

1,05

0,65

1,62

Группа нагрузок «малый бизнес»

Вафельница

З,6

1,2

4,32

1,0

4,32

Галогеновые лампы и неоновые панели

2,0

0,85

Аппарат для приготовления сахарной ваты

1,7

3,5

5,95

0,6

9,92

Высоконапорная моечная установка

3,0

3,5

10,5

0,7

15,0

Доильный аппарат

1,0

3,5

3,5

0,7

5,0

Малая охлаждаемая витрина

0,5

4,0

2,0

0,65

3,08

Группа нагрузок «строительство»

Дрель, перфоратор

0,6 - 1,2

1,2

0,72 - 1,44

0,6

1,2 - 2,4

Воздушная тепловая пушка

3,0

2,5

7,5

0,85

8,82

Шлифмашина

0,9

2,5

2,25

0,6

3,75

Циркулярная пила

1,8

2,5*

4,5

0,6

7,5

Штроборез

1,8

2,5

4,5

0,6

7,5

Компрессор трехфазный

2,2

3,0

6,6

0,85

7,76

Компрессор однофазный

1,5

3,5

5,25

0,85

6,18

Промышленный пылесос

1,8

3,5*

6,3

0,5

12,6

Бетономешалка

0,8

3,5

2,8

0,6

4,67

* Значение коэффициента запаса отражает не пусковую мощность трехциклического прибора, а максимально допустимую мощность нагрузки

Определение суммарной потребляемой мощности

Подходы к определению различаются в зависимости от цели использования генератора и с позиции управления нагрузками. Управление нагрузками представляет собой минимизацию пиковой и/или длительной потребляемой мощности путем влияния на пуск и отключение электроприборов.

В подавляющем большинстве случаев, когда общая нагрузка объекта является реактивной или комбинированной, удобнее суммировать полные мощности электроприборов в кВА. Мощности активных нагрузок в таких расчетах считаются полными и также выражаются в кВА.

На практике определение групповых потребляемых мощностей осуществляется не только суммированием, но и при помощи замеров токоизмерительными клещами в распредщитах.


Учет нагрузок в зависимости от задачи энергоснабжения

Наиболее часто встречающиеся задачи по автономному обеспечению электричеством – это резервное (периодическое, замещающее) и постоянное (основное) энергоснабжение. В условиях города независимо от его значения и размеров, как правило, актуальным является вопрос построения резервных систем. Схемы постоянного обеспечения реализуются в неэлектрифицированной местности, в условиях недостаточной выделенной мощности и при срочной организации производства на новых промышленных площадках, где еще не завершен монтаж инфраструктурных сетей.

Резервное энергообеспечение

Резервная защита от сбоев централизованного электроснабжения предполагает разделение всех полезных нагрузок на несколько групп по приоритетности. В самом простом случае потребности группируются как критические и некритические.

К примеру, наиболее важным для продуктового супермаркета является обеспечение бесперебойной работы внутреннего освещения, холодильных установок и кассовых аппаратов. Наружная реклама, транспортный блок, бухгалтерия и бытовые службы – могут определяться в качестве потребителей, для которых допустима остановка деятельности на 0,5 - 3,0 часа.

Некритическими с точки зрения организации резервного электроснабжения жилого дома или квартиры обычно считаются инертные тепловые устройства (бойлеры, теплые полы, системы снеготаяния) и приборы, с использованием которых можно повременить (посудомоечные и стиральные машины, духовые шкафы, декоративные светильники).

В более масштабных и сложных резервных системах существуют промежуточные списки приоритетности, характеризующиеся различными периодами максимально допустимого времени обесточивания. Каждая такая группа подключена к отдельному генератору или блоку аккумуляторных батарей.

Наши специалисты всегда готовы помочь вам с определением критических групп энергопотребления. По этому и другим вопросам, связанным с построением систем резервного обеспечения, а также выбором профильного оборудования, проконсультироваться можно по телефонам 093-277-15-68, 066-899-63-07.

Постоянное автономное энергообеспечение

В случае с основным автономным питанием требуемая мощность генератора равняется сумме мощностей всех электроприборов, работающих одновременно.

При значительном количестве расчетных потребителей (предприятия, многоквартирные дома) применяются специальные статистические коэффициенты – спроса и использования, позволяющие определять максимально возможные суммы нагрузок.

ВАЖНО:
особенностью расчетов с привлечением статистики является учет только номинальных мощностей, так как вероятностное значение пусковых токов в этих случаях стремится к нулю.


Коэффициент спроса (kс) соответствует среднестатистическому относительному времени использования определенного вида нагрузки. Коэффициент использования (kи) отражает среднестатистическое уменьшение реального потребления мощности относительно ее номинального значения. Расчетная мощность нагрузки определенного типа равняется произведению номинального значения и двух коэффициентов:

Pр = P х kс х kи

Значения kс и kи приводятся в некоторых строительных нормах. Во многих случаях коэффициенты получают с помощью наблюдений в рамках подготовительной работы перед расчетами.

Управление нагрузками

Для того, чтобы снизить капитальные затраты на энергообеспечение, могут применяться различные системы управления нагрузками.

Представим ситуацию, когда генерирующее устройство обеспечивает энергией небольшую группу оборудования, в которой каждое устройство отличается скачками пусковых токов с амплитудой около 3 номинальных значений и режимом работы с частыми включениями и отключениями. Разумным решением является использование блокировочных устройств, не допускающих одновременного пуска двух и более приборов. Это позволяет почти в 3 раза уменьшить максимально возможную пиковую мощность группы.

Наряду с прямыми блокировками используются и системы с обратной связью, ограничивающие мощность регулируемых электроприборов некритической группы в зависимости от приближения значения мощности всей локальной сети к максимально допустимому уровню.

Управление нагрузками может применяться и в резервных, и в полностью автономных системах энергоснабжения. Расчет мощности генератора производится параллельно с разработкой такого управления и учитывает его при определении максимальной возможной суммы нагрузок, действующих одновременно. В наиболее простых случаях используется организационный вариант управления нагрузками: например, штатные расписание операторов могут содержать инструкции, запрещающие или ограничивающие одновременные включения, а также нормирующие регулировку производительности агрегатов.

Пример расчета требуемой мощности генерирующего устройства

Рассмотрим задачу по обеспечению энергоснабжения частного дома с элементами управления нагрузками.

Исходные данные

Требуется обеспечивать энергией несколько активных и реактивных нагрузок:

1. Освещение. 10 ламп накаливания по 60 Вт и 4 по 100 Вт (общая мошность 1000 Вт)
2. Холодильник  мощностью P = 300 Вт; kп = 3,5 и cos φ = 0,65.
3. Телевизор  P = 300 Вт.
4. Стиральная машина. P = 2,0 кВт; kп = 3,0; cos φ = 0,92.
5. Индукционная печь. P = 3,5 кВт; kп = 2,0; cos φ = 0,5.
6. Циркулярная пила. P = 1,5 кВт; kп = 1,5; kmax = 2,5; cos φ = 0,6.
7. Электрочайник. P = 1,0 кВт.
8. Фен бытовой. P = 0,7 кВт; kп = 2,5; cos φ = 0,8.

Номинальная мощность приборов обозначена в исходных данных как P.  Коэффициенты kп и kmax означают влияние пуска и максимальной рабочей нагрузки на рост потребляемой мощности. Расчетные полные мощности устройств будем обозначать символами Рр.

Освещение довольно часто используется на 100%. Индукционная печь применяется для плавки эмалей (индивидуальная трудовая деятельность). Максимальное время непрерывной работы этого устройства – 2 часа. Циркулярная пила используется периодически. Доступ к пиле и печи имеет только хозяин.

Расчеты

Расчет для постоянного автономного энергоснабжения

Вначале определим максимально возможное сочетание нагрузок, действующих одновременно. Из всех приведенных групп потребления только п.п. 5 и 6 не используются одновременно. Максимальная полная мощность индукционной печи – пусковая:

Рр5 = Р5 х kп5 / cos φ5 = 3,5 х 2,0 / 0,5 = 14,0 кВА.

Для циркулярной пилы максимальной полной мощностью является мощность под максимальной нагрузкой:

Рр6 = Р6 х kmax6 / cos φ6 = 1,5 х 2,5 / 0,6 = 6,25 кВА,

Исключаем из дальнейших расчетов меньшую из двух этих нагрузок. Стиральную машину хозяева дома согласны считать некритической нагрузкой, которой можно не пользоваться во время работы индукционной печи (не более 2,0 часов). Для согласованного управления машиной и печью устанавливается блокирующее устройство, исключающее их одновременную работу. Определим расчетные мощности нагрузки N4:

Рр4 = Р4 х kп4 / cos φ4  = 2,0 х 3,0 / 0,92 = 6,52 кВА

Исключаем из дальнейших расчетов стиральную машину как нагрузку с меньшей, чем у индукционной печи, полной мощностью.

Определим расчетные значения для остальных реактивных нагрузок (N2 и N8):

Рр2 = Р2 х kп2 / cos φ2= 0,3 х 3,5 / 0,65 = 1,62 кВА

Рр8 = Р8 х kп8 / cos φ8 = 0,7 х 2,5 / 0,8 = 2,19 кВА

Определим суммарную полную мощности (Рр) объекта. При расчете Рр мощности активных нагрузок (N1, N3 и N7) учитывают в кВА:

Рр = Рр1 + Рр2 +  Рр3 + Рр5 + Рр7 + Рр8 = 1,0 + 1,62 + 0,3 + 14,0 + 1,0 + 2,19 = 20,11 кВА.

Таким образом, требуемая полная мощность генератора для этого дома равна 20,11 кВА.

НЕ УПУСТИТЕ: Если в характеристиках подбираемого агрегата заявлены только активная мощность в кВт и cos φ, необходимо определить его полную мощность, разделив значение в кВт на cos φ.

Проверим запас мощности.

Так как значение 20,11 кВА является пиковой суммарной характеристикой нагрузки, то подбирать модель генерирующего устройства можно, ориентируясь не на номинальную, а на его максимальную полную мощность. Предположим, это значение составляет Ргенmax = 20,5 кВА, а номинальное – Ргенnom = 18,45 кВА.

Необходимо определить максимальную длительно действующую нагрузку объекта Ррд (без учета пусковых токов) :

Ррд2 = Р2 / cos φ2= 0,3 / 0,65 = 0,46 кВА

Ррд5 = Р5 / cos φ5 = 3,5 / 0,5 = 7,0 кВА

Ррд8 = Р8 / cos φ8 = 0,7 / 0,8 = 0,88 кВА
Ррд = Ррд1 + Ррд2 +  Ррд3 + Ррд5 + Ррд7 + Ррд8 = 1,0 + 0,46 + 0,3 + 7,0 + 1,0 + 0,88 = 10,64 кВА.

Для длительной безаварийной работы генерирующего устройства необходимо, чтобы максимальная длительно действующая мощность нагрузки была на 20% - 30% меньше номинальной мощности генератора. В нашем случае запас по мощности составляет (1,0 - 10,64 / 18,45) х 100% = 42%, что более, чем достаточно.

Версия расчета для резервного энергоснабжения

Предположим, тот же объект подключен к централизованной электросети, но периодически случаются перебои в энергоснабжении максимум на 2 - 3 часа. В этом случае источник автономной энергии подбирается по логике резервного обеспечения. Некритическая группа объединит в себе нагрузки N4, N5 и N6. Требуемые значения пиковой и длительной производительностей генерирующего устройства составят:

Рр = Рр1 + Рр2 + Рр3 + Рр7 + Рр8 = 1,0 + 1,62 + 0,3 + 1,0 + 2,19 = 6,11 кВА
                                                                        и
Ррд = Ррд1 + Ррд2 +  Ррд3 + Ррд7 + Ррд8 = 1,0 + 0,46 + 0,3 + 1,0 + 0,88 = 3,64 кВА.

Предположим, для обеспечения резерва рассматривается агрегат с Ргенmax = 6,5 кВА и Ргенnom = 5,85 кВА. Тогда запас по мощности будет равен (1,0 - 3,64 / 5,85) х 100% = 37,8%, что превосходит рекомендуемые значения.

Если приведенные примеры не вносят ясность в решение конкретной ситуации, звоните по телефонам 093-277-15-68, 066-899-63-07. Наши профильные специалисты готовы оказать Вам помощь по этому и другим вопросам, связанным с резервным и основным автономным энергообеспечением.

Вместо заключения. Немного о «лишней» мощности

В большинстве случаев максимальный КПД генераторы демонстрируют при уровнях загрузки около 80% от номинальной мощности. Поэтому рекомендации по запасу производительности в 20% - 30%  следует учитывать не только с точки зрения увеличения ресурса машин. Не менее важным (особенно в случае постоянного автономного электроснабжения) для потребителя является минимизация удельного расхода топлива, выражаемая в л / кВт.

Из приведенных расчетов  видно, что  характеристики нагрузок не всегда позволяют вписаться в рекомендованный диапазон мощностей. Некоторые генерирующие устройства оборудованы системами оптимизации производительности. Это подразумевает снижение вырабатываемой мощности при снижении мощности нагрузки. В частности, подобными системами оборудованы газовые машины категории «дом» и почти все бензиновые и дизельные генераторы инверторного типа.

Если выбранный генератор не оборудован системой оптимизации, целесообразно использовать буферный накопитель электроэнергии в виде аккумуляторных батарей.

Автор: Андрей Луспенков | Google
Комментарии
Оставить свой комментарий
Ваши имя и фамилия:
Ваш комментарий:
Введите цифры с изображения:
Загружаю...