斯坦福发电机选型手册课件.ppt

1、无锡新时代无锡新时代交流发电机有限公司交流发电机有限公司发电机的选型发电机的选型发电机的型号正确选择应按以下几个方面进行全面考虑?一.发电机的基本参数?二.运用环境?三.负载情况一.发电机的基本参数?1.发电机满足的标准?2.功率，备用功率?3.电压,频率,转速,相数?4.效率及输入功率?5.温升?6.控制系统二.运用环境?1.相对湿度?2.海拔高度?3.环境温度?4. 特殊气候及环境三.负载情况?1.稳态负载?2.瞬态负载(电动机负载)?3.非线性负载,如UPS,SCR等负载1.发电机满足的标准发电机满足的标准?各个国家都有自己的相关的发电机标准,斯坦福发电机能够满足大多数的通用国际标准和一

2、些国家的相关标准?1.陆用标准?I,E,C,34-1 国际电工技术协会标准?GB755 中国旋转电机通用技术条件?BC5000 英国标准?NEMA MG 1-22 北美标准?C.S.A C22-2 加拿大标准,电动机和发电机?UDE 0530 德国1.发电机满足的标准发电机满足的标准?2.船用标准?Lloyds Registen of Shipping 英国劳氏船级社?Det Norske Veritas 挪威船级社?Bureau Veritas 法国船级社?Germemischer Lloyd 德国劳氏船级社?R.I.N.A. 意大利船级社?3.其他相关要求?军用通讯计算机等相关要求2.功率

3、,备用功率?发电机的容量(功率)?不同的发电机型号(机座号)对应着不同的功率,顾客往往按照其负载的总功率来选择发电机的功率,顾客应全面了解其负载的性质,大小。对特殊的负载应独立考虑（这在后面会讨论）?一般我们会以视在功率的形式给出KVA，我们发电机出厂一般都按额定功率因素为0.8计算则：?KW0.8KVA2.功率,备用功率?通常情况下,我们对每一种型号的发电机给出以下三种功率?1.持续最大陆用功率:指陆用发电机连续运行的最大功率，所有电机的技术数据都以此为标准?2.备用功率:此功率比持续运行最大功率大,故温升会升高,性能变坏。他允许常时间输出，但这将会降低电机的使用寿命?3.持续船用功率:船用

4、功率比陆用的低,性能满足各种标准要求且比陆用更好3.电压,频率,转速,相数?电压,相数,频率及转速极数?1.在大多数情况下,发电机是作为备用或应急电源用,或与电网并网使用。故发电机的电压频率及相数应取决于各个不同国家区域的电网要求。对没有电网，用发电机作为主电源来使用的，发电机的电压频率应由其负载的状况来决定，或根据负载选择发电机，或根据发电机来选择负载的电压，频率等。?2.频率:一般为50HZ或60HZ两种(工频)?3.相数:一般商业安装都为3相,单相可以从中取得3.电压,频率,转速,相数?4.电压:电压根据具体来选择,斯坦福发电机能够提供并满足客户的电压要求?A.低电压范围从110V-69

5、0V?从BC到HC5都有12个引出线头到接线柱,客户可以根据其不同接法而改变电压并可接成单相,HC5以上为6个头引到接线柱,并可根据接法改变电压?B.中压范围 2400V-4160V?C.高压范围 6000V以上?5.频率,转速,极数?F=(N极对数)/60 N=RPM4.效率及输入功率效率及输入功率?发电机的效率是指输出的千瓦数(电能)于输入发电机的机械功之比?即:效率=(发电机出线端输出功率)/输入发电机的机械功率?故原动机输入到发电机轴上的功率应大于等于发电机的输入功率,此输入功率除柴油机与发电机的连接效率,就应该为柴油机的输出功率最小值。发电机的效率在不同电压和负载下不同，具体可参见效

6、率曲线表。5.湿度和瞬态特性湿度和瞬态特性?1.温度:由于发电机的绕组电阻产生铜耗,铁心中铁耗和其他机械磨损等原因,发电机在工作时会产生热量,引起发电机绕组的温度升高,从而引起发电机绕组的绝缘老化或损坏。?我们定义发电机的绕组温度的升高值（相对值）为发电机的温升。基于环境温度为40摄氏度时，各种绝缘等级的允许温升如下：?绝缘等级?A E B F H?60 75 80 105 125 ?允许最大的温升环境温度40摄氏度?所有的斯坦福发电机都采用H级的绝缘材料绝缘等级与温升?H级绝缘用H级温升=绕组寿命20000小时?H级绝缘用H级温升=绕组寿命X2?H级绝缘用B级温升=绕组寿命X6?备用使用（

7、H级温升+15度）=绕组寿命/36.控制系统控制系统?斯坦福发电机可以选择如下一些控制系统:?A.系列3-能够提供持续的短路电流?-由永磁发电机他励来提供励磁电源给AVR?-高性能的闭环控制系统?B.系列4/6 -自励靠剩磁来建压,依靠AVR来控制发电机的电压?-闭环控制系统?C.系列5.-仅适用于小发电机?-自励靠剩磁来建压,依靠变压器来控制发电机的电压?-开环控制系统1. 相对湿度?1.湿度主要指空气中水分的含量,通常以相对湿度来表示?2.对于高湿度的地区,我们必须仔细选择发电机的绝缘和浸漆系统,以使发电机适应热带的气候?3.所有的斯坦福发电机均能适应热带气候2、海拔高度、海拔高度?由于海

8、拔高度超过1000米后,空气会变得稀薄,而发电机是靠风扇进行空气冷却的,故发电机的冷却效果将会变差,所以对超过1000米的海拔高度要求发电机降功率使用,以避免发电机过热。但这并不表示海拔低于1000米时，发电机功率可以增加。?对超过1000米时，发电机的实际输出功率应乘以以下修正系数:?海拔高度（M）修正系数?1,500 0.97?2,000 0.94?2,500 0.91?3,000 0.85?3,500 0.823、环境温度、环境温度?按照国际通用的技术要求,一般定义发电机的使用环境温度为40摄氏度,所有的设计及功率都按照这一环境温度而言。?事实上，对发电机而言，环境温度应该为发电机的进风

9、温度。由于发电机是与柴油机一起工作，柴油机发热会使整个空间内温度超过40摄氏度。?实际运行时发电机的环境温度不应该超过40摄氏度，这一点非常重要。若实际使用环境温度超过40摄氏度，那么发电机应该降功率运行。?对环境温度而言，若其低于40摄氏度，则发电机的功率可以比额定功率大3、环境温度?当环境温度超过40摄氏度时发电机的功率修正系数：?环境温度(摄氏度) 系数?45 0.97?50 0.94?55 0.91?60 0.884、特殊气候及环境、特殊气候及环境?前面我们讨论了湿度,高度以及温度等对发电机的影响,但这都是独立讨论的。在实际运用时情况要复杂得多，并且另外一些因素也会影响发电机的正常工作

10、。?如下所列一些情况都会对发电机产生影响：?空气中含有其他气体为化学性质的腐蚀气体?(在海边)有盐水(雾)?灰尘或风沙?雨水4、特殊气候及环境、特殊气候及环境?故我们必须全面考虑各种复杂的气候对发电机的影响,保证发电机的正常工作。斯坦福发电机推荐以下三种选项以适应不同的气候：?1.防冷凝加热器: 用于空气中湿度较大且易发生冷凝的环境中,当发电机不运行时接通加热器,使发电机的机身温度大于环境温度约5K,运行时切断加热器电源?2.IP23防护等级: 标准IP22为防垂直下滴的雨水进入电机内部,斯坦福提供IP23防止垂直方向或60度的雨水不能进入电机内部?3.空气过滤器: 一些地方由于风沙比较大或空

11、气中灰尘较多三.负载情况?1.稳态负载?2.瞬态负载(电动机负载)?3.非线性负载,如UPS,SCR等负载发电机选型步骤选择发电机的规格 ,常按以下的标准步骤来选择 :步骤 1. 计算所有的稳态负载 (连续的)步骤 2. 计算所有降低功率的因素步骤 3. 计算瞬态负载的要求步骤 4. 计算非线性负载的要求步骤 5. 选择发电机步骤 1. 计算全部稳态负载 (连续的)1. 电动机、机械设备及电气设备 (负载运行)全部 Kva 估计所有同时连续运行的电动机和其它任何电气设备kW (电动机)= 马力 X 0.746电动机输入的 kVA= KW /( 电动机效率 X 电动机功率因素 )2.加热器或空调

12、可能同时接入的全部加热器的 kVA 例如 : 电气房或热水房 ,加热用具,例如:烤箱,电饭锅,或其它形式的电加热器件加热器的功率因素为 1, kVA=kWatt 3. 照明估算可能同时接入的照明设备的全部 KVA, 照明设备的功率因素为0.9 至 1.0注意: 在此的照明设备是高效的负载:照明设备的功率因素通常为 0.9,如果不是 ,假设功率因素为 0.5发电机选型步骤温度导致的降低温度oC降低系数1.0 0.95 0.9 0.856055504540功率因素导致的降低功率因素COS ?降低系数1.0 0.95 0.90 0.85 0.10.20.30.40.50.60.70.8步骤 2. 计

13、算任何稳态时可能导致功率降低的因素海拔因素导致的降低海拔高度降低系数1.0 0.95 0.9 0.85 0.845004000350030002500200015001000注 1 : 海拔( ASL) 1000米以上每升高 500米降低 3%发电机选型步骤注 2 : 功率因素是指滞后的注 3 : 温度是指发电机进气口的环境温度注 4 : 降低系数是累加的 (如果有多过一个的降低因素 )发电机选型步骤超前功率因素负载超前功率因素负载通常为 (容性):1. 功率因素调节器 (电容)2. 非线性负载过滤器 (用于减小谐波电压畸变 (THD)3. 照明设备 (过调, 对于 PF 调节)滞后功率因素的

14、负载滞后功率因素 (感性)负载通常为 :1. 电动机和变压器2. 非线性负载3. 照明设备(不是功率因素可调的 )对于低功率因素负载 ,发电机必须运行在安全的范围内这些范围是通过发电机运行曲线来定义的每台发电机的 Xd值,决定发电机运行曲线上的安全区域步骤 2. 计算任何降低功率的因素- 功率因素当启动一台电动机 , 电压下降的百分数将取决于电动机的启动容量(或同时启动的电动机的全部容量的总和)每台发电机的电压下降值 ,均可使用堵转曲线来计算 (每台发电机均有相应的曲线 )最大允许下降值 (一般情况) :25% 电压下降在发电机接线端 , 30% 电压下降在电动机接线端发电机选型步骤步骤 3.

15、 计算瞬态 (冲击) 负载要求下降值过量值AVR 输出 直流电压典型负载电压 40 至 50 V直流.80 - 120 V典型空载电压 11 至 14 V直流.415VVOLTS零负载负载加载380V340V0.3 秒次瞬态电抗 Xd瞬态电抗 Xd这些曲线是基于发电机带时间常数的瞬态电抗(Xd), 和次瞬态电抗 (Xd) (共同值 Xg)步骤 3. 计算瞬态 (冲击) 负载要求电动机启动容量这是可能同时启动的电动机的容量总和电动机启动容量取决于电动机的启动方法:发电机选型步骤电动机额定值计算电动机 kW= 马力 X 0.746电动机 kVA= kW / 功率因素电动机 kVA ( 用于3相电动

16、机) = 线电压 X 满载电流 X ?3 / 1000电动机 kVA ( 用于单相电动机 ) = 相电压 X 满载电流 / 1000电动机 输入 kVA= 电动机运行 kVA / 效率a)直接启动b)星形-三角形启动c)自藕变压器启动d)电子软启动kVArkVAkW ( H.P)kVAr步骤 3. 典型电动机启动特性kW ( H.P)kVArkVArkVAkW ( H.P)kVAr连续满载运行星形三角形直接启动启动 kVA= X 6 运行启动 kVA = X 2.5 运行kVA= kW / P.FkW = H.P X 0.746发电机选型步骤步骤 3. 典型直接启动的电动机启动特性电流 (kV

17、A)功率 (kW)功率因素电动机扭矩6543210电流功率扭矩(标么值)1.00.80.60.40.20功率因素(滞后)1.00.80.60.40.20转速 (标么值)注意: 发电机和发动机同时承受冲击负载发电机选型步骤电动机启动容量a) 直接启动 (DOL)电动机在线电压启动启动电流为 6 至 9 X 电动机的满载电流典型的电动机启动电流 :电动机容量达 250 kW : 假定为 7 X 额定容量电动机容量大于 250 kW:假定为 6 X 额定容量b) 星形 - 三角形 (SD)电动机以星形启动= 线电压/?3 ( 线电压 / 1.73)电动机短时停留在星形状态= 30 - 100 毫秒(

18、典型)电动机切换到三角形= 全线电压典型电动机启动电流 :星形假定为 2.5X 额定容量三角形 (瞬态冲击 )假定为 3 X 额定容量发电机选型步骤步骤 3. 计算瞬态 (冲击) 负载要求电动机启动容量c) 自藕变压器启动 (AT)电动机的启动通过一台抽头变压器一步或多步启动启动电流为 2.5 至 4.0 X 电动机的满负载电流典型的电动机启动电流 :对于一台 80% 抽头的自藕变压器 : 假定为 4.0 X 额定容量对于一台 60% 抽头的自藕变压器 : 假定为 2.5 X 额定容量d) 电子软启动 (SS)电动机无极调压启动启动电流 可以在 1.1 X 满负载电流 , 至更高水平 , 这取

19、决于 :达到额定转速的时间在启动时电机的轴上带负载 (高轴扭矩 )典型电动机启动电流 :启动时轴上未带负载假定为1.5 至 2 X 额定容量注意 : 非线性负载导致波形畸变发电机选型步骤步骤 3. 计算瞬态 (冲击) 负载要求250 Kva HC434C 在 50 Hz时的堵转曲线堵转 kVA0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 电压下降百分数4035302520151050380V400V 415V 440V 例如 1: 一座采石厂 有 4 X 15 马力直接启动 (D.O.L ) 进料电动机

20、 , 它们的效率为 88%及功率因素为0.89，电动机同时启动现场由一台 HC434C, 250 kVA, 415V, 50Hz 发电机供电电动机启动时电压下降值为多少? 电动机 KW= 4 X 15 H.P = 60 H.PX 0.746= 44.8 kW电动机输入 kVA= 44.8kW / 功率因素 (0.89) & 效率(0.88) = 57.2 kVA电动机启动 kVA= 57.2 X 7 ( 对于直接启动 ) = 400 kVA从以上图表 , 电压下降为21%步骤 3. 计算瞬态 (冲击) 负载要求190 kVA UCI274F 在 60 Hz的堵转曲线堵转 kVA0 40 80

21、120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680电压下降百分数4035302520151050416V440V 460V 480V 例如 2:- 一位客户需要用一台 UCI274F 190 kVA 发电机, 启动一台 150 H.P, 60 Hz, 440V星形/三角形电动机，电动机的效率为 88 %, 功率因素为 0.8电动机启动时的电压下降为多少 ?电动机 kW= 150 H.P X 0.746 = 112 kW电动机输入 kVA= 112 kW / 效率 (0.88)功率因素 (0.8) = 159 kVA电动机启动

22、kVA= 159 X 2.5 (对于星形三角形) = 398 kVA 从以上图表得知, 电压下降为 23% 步骤 3. 计算瞬态 (冲击) 负载要求80 kVA UCI224G 在 50 Hz堵转曲线堵转转子 kVA0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340电压下降百分数4035302520151050380400V 415V 440V 例如 3 :- 一台 415V 50Hz 30 kW 功率因素为 0.9 时的稳态负载客户有 2 X 14 kW 直接启动(DOL) 电动机, 每台的效率为 80% 功率因

23、素为 0.9 同时启动,允许电压下降的最大值为 20%.该种情况需要发电机的容量为多少 ? 电动机输入 kVA= 14 kW / 0.9 ( PF)0.8 (效率) = 19.5 kVA全部基本负载 kVA= 30 kW / 0.9p.f = 33.3 kVA + 39 kVA (2 电动机) = 72.3 kVA 电动机启动 kVA (对于每台电动机) = 19.5 X 7 ( DOL) = 136 kVA电动机启动的允许最大电压下降为20%, 要求一台85 KVA UCI224G步骤步骤 3. 计算瞬态 (冲击) 负载要求非线性负载是电子控制系统 , 在此负载电流通过电子设备取得其波形为非

24、正弦正常电压波形谐波电压畸变半导体电子设备例如可控硅 /整流管, 在电流波形中产生谐波 , 进而产生电压波形畸变发电机选型步骤步骤 4. 非线性负载 - 谐波畸变当它们的电源中电压波形畸变 ,电子控制系统可能变的不稳定步骤步骤 4. 非线性负载 - 谐波畸变典型的非线性负载 : 电动机软启动不间断电源 (UPS)、逆变器、电池充电器变频器、起重机、电梯、风扇、水泵生产过程 (控制电炉、电炉、加热器 )传媒 - TV/收音机/电影(发射器 )、控制灯通讯、整流设备注意: 他励 AVR 系统带永磁发电机 (PMG), 三相检测 , 推荐用于所有非线性负载发电机选型步骤发电机选型步骤0.70.60.

25、50.40.30.20.100.70.60.50.40.30.20.100.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0标么值kW0.951.000.950.90.90.80.8功率因素0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0输出 (滞后)输入(超前)标么值 kVAR0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0标么值kW定子损害转子损害极距滑动不稳定安全运行区域发动机过载同步电抗Xd = 3.0, (300%)发电机选型步骤步骤 2. 计算任何降低功率的因素- 功率因素12 脉冲6 脉冲

26、4 脉冲典型的非线性负载电流畸变14 %30 %45 %UPS变频器软启动的电动机工业电炉典型的可以接受的电压畸变10 %10 %10 %传媒电信15 %15 %20-25 %如果电压畸变超过了控制系统的接受极限,非线性负载 可能变得不稳定全部谐波电流畸变 (THD), 是作为基波的一个百分数来测量发电机在选形时应考虑负载谐波畸变的情况波形畸变同时在绕组中产生额外的热量发电机选型步骤步骤 4. 非线性负载 - 谐波畸变F级 kVA 额定值为 (105 o C ) 应被采用,以避免绕组绝缘因为过热而损坏谐波电压畸变由以下因素决定:非线性负载谐波电压畸变情况全部谐波电流畸变 (THD) 是作为基波

27、的百分数来表示的(50Hz 或 60Hz ). 作为一个指导 :12 脉冲 14% 对于 6 脉冲 30%对于 4 脉冲 45%发电机阻抗 , 次瞬态电抗 ( Xd)该数字来源于超瞬态短路试验的结果更低的值 Xd 将改善电压畸变情况当发电机运行在最高的磁通值时Xd 电抗 是最低的非线性负载的容量 (kVA), 发电机的容量 (kVA)Xd (pu) = ( 输入 kVA 非线性负载 kVA / 发电机 kVA) X Xd注意: 输入 kVA 必须包括 负载效率和功率因素发电机选型步骤发电机选型步骤步骤步骤 4. 非线性负载 - 谐波畸变步骤步骤 5. 发电机的容量通过启动步骤的选择 ,可以减小

28、 过容量 (在此可能) :首先应用基本负载 , 稳定发动机 /发电机控制系统相继启动 电动机负载 将减小启动 kVA 的要求首先启动最大容量的电动机 , 避免电流互感器在加入其它负载时退出工作频率敏感负载 (例如非线性负载 ),应该最后接入 , 避免由于电动机启动而导致电压和转速的下降平衡单相负载 , 减小每相的不平衡电流的大小检查启动步骤和负载分配检查启动步骤和负载分配发电机选型步骤发电机选型步骤发电机的不对称运行?电机参数对不对称运行的影响?发电机的不对称运行使端电压出现负序和零序分量。其大小与不对称电流大小有关，与发电机的负序阻抗和零序阻抗有关。?增加阻尼绕组可以减小负序磁通,提高端电压

29、对称程度?不对称运行对电机的影响?同步发电机带不对称负载时，定子绕组会产生飞转的旋转磁场，在转子本体和转子绕组产生感应电势、电流和损耗；使励磁绕组散热困难。?负序磁场对电机转子产生热破坏作用。?定子的稳态不对称电流可以比定子额定电流小，对定子温升影响不大。但可以烧损转子。?发电机的瞬态短路电流冲击可能是额定电流的十倍。冲击电流产生的机械力可以损坏电枢绕组。同步发电机的短路特性同步发电机的短路特性I?流过发电机的故障电流取决于发电机的电抗，励磁系统和发电机与故障点之间网络的电抗。?远离发电机发生的故障电流大于线路额定电流，促使线路保护装置动作。而靠近发电机端子的故障电流对于供电网络来说 ,与额定

30、电流等级相，所以取决于发电机电抗和励磁系统短路时绕组的温升短路时绕组的温升?考虑承受短路电流的原因是发电机有可能在断路器分断故障之前已经被损坏；?短路电流可以使发电机定子线圈快速过热；例如：?不平衡线地（ LN）短路，短路电流是额定电流的 7.5倍，假定定子初始温度大约为155C；不到5秒钟，定子温度可以升至 300C?在该温度条件下定子线圈将烧损。?不平衡线线（ LL）短路，定子线圈温度升至 300C的时间要长几秒；?而三相平衡短路需要的时间更长。同步发电机的短路特性同步发电机的短路特性II?自励和它励发电机的短路故障响应是不同的；?当发电机输出端短路时，其磁场随之崩溃；所以自励发电机称之为

31、“崩溃磁场”发电机。而它励发电机的励磁是由永磁发电机提供的，所以当发电机短路时，其励磁电流可以维持流动。?一般情况下，当三相同时短路时，无论自励还是它励发电机，其初始短路电流大约是发电机额定电流的810倍，而且与发电机的超瞬态电抗成反比；?在头几个周期（ A）内，自励和它励发电机的响应相同，随着磁场能量的消耗，具有相同的短路电流衰减曲线；?而经过几个周期（ B）后，自励发电机将持续跟随短路电流衰减曲线直至电流趋近于零。同步发电机的短路特性同步发电机的短路特性III?对于自励发电机，当短路电流超过曲线拐点时，电压和电流将会”崩溃“，直至衰减到零。?由于它励发电机的磁场不是取自发电机输出电压,而来源于其他电源，所以能够承受 34倍额定电流的短路电流。?现在电机设计采用性能更好的绝缘材料和电压调整器；其结果是使单位材料的输出功率增加，发电机具有相对高的电抗；其故障电流等级相对于发电机额定电流减小了。?低等级故障电流就必须使用严格的保护装置。发电机过载与温升?通常发电机过载使用会使发电机绕组温度迅速升高?长时间使用将影响发电机使用寿命和发电机绕组烧毁?发电机允许过载电流（三相平衡）和时间关系?时间电流?1小时110%?30 分111%?15 分114%?5 分125%?2 分150%?30秒200%?10秒300%