康明斯动力（深圳）有限公司

 

 

新闻主题	康明斯发电机型号字母编号的代表含义和选择

 

摘要：斯坦福发电机（Stamford）属于康明斯公司旗下品牌之一，其凭借钢丝缠绕技术以及从7.5到5000kVA的输出，在连续或备用发电机组应用中提供卓越的效率。斯坦福交流发电机可选择SAE适配器，以确保与各种主动机保持轻松的耦合。康明斯发电机型号主要有经典款的PI044、PI144、UCI224、UCI274、UCDI274、HCI444、HCI544、HCI634、LVI634、PI734、P80以及新款的S0、S1、S4、S5、S6、S7、S9系列，其中S系列所有斯坦福均采用CoreCooling™技术。

 

一、产品型号识别

 

1、自励磁机型编号含义解读

      以斯坦福发电机UCI224E14为例，如图1所示。UC为发电机家族系列，I为陆用，22是轴的中心高度，4指4极机，E指铁芯长度，1指轴承数为1个，4指励磁系统。

       UC系列特征：

● 波形失真（线性负载）小于3。

● 波形失真（非线性负载，12脉冲整流器）-8。

● 发动机转速取决于负载控制。

● 节省燃料的25%。

● 同时交直流输出。

● 可编程输出电压和频率。

2、永磁机型编号含义解读

      以斯坦福发电机HCI646G1为例，如图2所示。HC为发电机家族系列，I为陆用，6是机座号，4指4AVR型号数字缩写，G指铁芯长度，1指轴承数为1个。

      HC系列特征：

● 2/3的绕组节距抑制过多的中线电流。

● 单支点或双支点结构。

● 易于安装和维护。

● 标准免维护密封轴承。

● 标准IP23防护等级。

● 标准MX321AVR及永磁发电机励磁使控制系统与输出隔离。

● 三相感应检测和±0.5%的电压调整率。

 

图1  斯坦福自励磁发电机型号识别

图2  斯坦福永磁发电机型号识别

 

 

二、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：

1、计算所有的稳态负载（连续的）

（1）电动机、机械设备及电气设备（负载运行）

① 全部容量：估计所有同时连续运行的电动机和其它任何电气设备。

② 功率（电动机）=马力X0.746。

③ 电动机输入的容量=功率/（电动机效率X电动机功率因素）。

（2）加热器或空调

       可能同时接入的全部加热器的。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1kVA=kWatt 。

（3）照明

      估算可能同时接入的照明设备的全部，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。

2、计算所有降低功率的因素

（1）高海拔

      海拔（ASL）1000米以上每升高500米降低3%。

（2）功率因素

      功率因素影响性能万向图如图3所示。

 

图3  功率因素对发电机功率的影响万向图

 

① 滞后功率因素的负载

      滞后功率因素（感性）负载通常为：

● 电动机和变压器。

● 非线性负载。

● 照明设备（不是功率因素可调的）。

② 超前功率因素负载

      超前功率因素负载通常为（容性）：

● 功率因素调节器（电容）。

● 非线性负载过滤器（用于减小谐波电压畸变（THD）。

● 照明设备（过调，对于PF调节）。

      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。功率因素引起降低的曲线如图4所示。

（3）温度是指发电机进气口的环境温度，通风示意图如图5所示。

      请注意降低系数是累加的过程（如果有多过一个的降低因素），也许上述影响功率的因素会同时存在。

 

图4  柴油发电机功率因素降容曲线.

图5  康明斯斯坦福发电机通风流向

 

3、计算瞬态负载的要求

      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）。

      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。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）。这些曲线是基于发电机带时间常数的瞬态电抗（X'd），和次瞬态电抗（X''d）（共同值Xg）。如图6所示。

 

图6  发电机瞬间冲击负载曲线图

 

（1）电动机启动容量

      这是可能同时启动的电动机的容量总和

① 直接启动（DOL)

● 电动机在线电压启动：启动电流为6至9X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×额定容量。

      电动机容量大于250 kW：假定为6×额定容量。

② 星形-三角形（SD)

● 电动机以星形启动=线电压/V3（线电压/1.73)。

● 电动机短时停留在星形状态=30-100毫秒（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2.5×额定容量

      三角形：（瞬态冲击）假定为3×额定容量

（2）电动机的启动方法

      电动机启动容量取决于电动机的启动方法，其启动特性和曲线如图7、图8所示。

①  直接启动

② 星形-三角形启动

③ 自藕变压器启动

④ 电子软启动

 

图7  电动机功率角启动特性

图8  发电机瞬态直接启动特性曲线图

 

（3）电动机额定值计算

● 电动机kW=马力X0.746；

● 电动机kVA=kW÷功率因素；

● 电动机kVA（用于3相电动机）=线电压×满载电流×√3÷1000；

● 电动机kVA（用于单相电动机）=相电压×满载电流÷1000；

● 电动机输入kVA=电动机运行kVA÷效率。

① 典型案例一：

      一座采石厂有4 X 15马力直接启动（DOL）进料电动机，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.P X 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

答：从图9中可以看出，电压下降为21%。

图9  250KVA发电机堵转曲线图（50HZ）

 

② 典型案例二：

      一位客户需要用一台190 kVA发电机，启动一台150 HP，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kVA =159 X 2.5（对于星形三角形） =398 kVA

答：从图10中可以看出，电压下降为23%。

 

图10  190KVA发电机堵转曲线图（60HZ）

 

③ 典型案例三：

      客户有2 ×14 kW直接启动（DOL）电动机，每台的效率为80%功率因素为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台电动机）=72.3 kVA

● 电动机启动kVA（对于每台电动机） =19.5 X 7（DOL） =136 kVA

答：从图11中可以看出，电动机启动的允许最大电压下降为20%，要求一台85 KVA发电机。

 

图11  80KVA发电机堵转曲线图（50HZ）

 

4、计算非线性负载的要求

      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正弦。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（曲线如图12所示）。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。

（1）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。

表1    发电机典型非线性负载电流和电压畸变表

（2）注意事项

① 全部谐波电流畸变（THD），是作为基波的一个百分数来测量。

② 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波形畸变同时在绕组中产生额外的热量。

③ F级容量额定值为（105°C）应被采用，以避免绕组绝缘因为过热而损坏。

④ 发电机在选形时应考虑负载谐波畸变的情况。

（3）产生谐波电压的原因

      谐波电压畸变由以下因素决定。

① 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%。

② 发电机阻抗，次瞬态电抗（X''d)

      该数字来源于超瞬态短路试验的结果，更低的值X''d将改善电压畸变情况。当发电机运行在最高的磁通值时，X''d电抗是最低的。

③ 非线性负载的容量（kVA），发电机的容量（kVA)

X''d（pu）=（输入非线性负载容量/ 发电机容量）× X''d

注意：输入kVA必须包括负载效率和功率因素。

 

图12  发电机非线性负载谐波畸变

 

5、发电机的选择

（1）检查启动步骤和负载分配

      通过启动步骤的选择，可以减小过容量（在此可能）：

① 首先应用基本负载，稳定发动机/发电机控制系统。

② 相继启动电动机负载将减小启动kVA的要求。

③ 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。

④ 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。

⑤ 平衡单相负载，减小每相的不平衡电流的大小。

（2）发电机参数对不对称运行的影响

① 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。

② 增加阻尼绕组可以减小负序磁通，提高端电压对称程度。

（3）不对称运行对发电机的影响

① 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。

② 负序磁场对电机转子产生热破坏作用。

③ 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。

④ 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。

（4）同步发电机短路特性

      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，与额定电流等级相，所以取决于发电机电抗和励磁系统。

① 短路时绕组特性

      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（L－N）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155℃；不到5秒钟，定子温度可以升至300℃。

● 在该温度条件下定子线圈将烧损。

● 不平衡线－线（L－L）短路，定子线圈温度升至300℃的时间要长几秒；而三相平衡短路需要的时间更长。

② 自励磁发电机短路特性

      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“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8－10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。

● 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3－4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。

（5）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。

表2    发电机允许过载电流（三相平衡）和时间关系

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