【發電機設計】發電機容量計算之發電機負載的分階段啓動（Generator Starting Stage and kVA）

上一篇我們介紹了容量計算應按火災和非火災兩種情況分別計算，這篇我們重點看一看發電機負載分級啓動對容量計算的影響。

如何考慮發電機負載的分階段啓動

我們都知道電動機負載與非電動機負載不同，其啓動功率（Starting kVA）是大於其穩定功率（Steady kVA），對於不同的啓動方式，啓動時倍數差距很大。設計初期，一般采取下面的數值，具體數據也可根據廠家數據進行調整：

直接（DOL）啓動：                                  6~7 倍

星角（Star/Delta）啓動：                        2.33 倍

降壓（Auto-transformer）啓動：         2.5~3 倍 （LRC x (% of tapping) 2）

變壓變頻（VVVF）啓動：                  1.8~2.5 倍（多用於升降機驅動器）

變速（VSD）啓動：                              1~2.33 倍

從感應電機的啟動特性來看，當電機轉速上升到其同步轉速的80%左右，功率因數為0.65，輸入電流為其初始電流的75%時，電機將消耗最大的輸入功率（Input Power）。因此，對於直接（DOL）或降壓（Auto-Tx）啟動的感應電動機：

電動機輸入功率峰值（kW）＝0.65 × 0.75 × 電動機啟動功率（kVA）    （0）

（Peak motor input power (kW) = 0.4875* × Motor starting kVA）

注：0.4875又被稱爲電動機啓動的功率因數，一般取0.5計算。

通過計算最壞情況下的電動機輸入功率（Input Power）峰值和電阻負載輸入功率峰值，即发電機最重的負載（無論有無順序啟動），我們可以計算出发電機所需的kVA，如下公式一所示： 

~ 為滿足穩態功率要求，

发電機額定功率（kVA）> 穩態負載功率（kVA）    （1）

（Rated power of generator > Steady-state load power）

~ 為滿足瞬態功率要求，发電機的額定功率的110% > 瞬態負載功率（110 % Rated power of generator > Transient state load power）。因此公式二，

发電機額定功率（kVA）> 瞬態負載功率（kVA）/ 1.1         (2)

（Rated power of generator > Transient state load power/1.1）

~ kW轉換kVA公式三，

发電機額定功率（kVA）= 发電機額定功率（kW）/ p.f.          (3)

(Rated kVA of generator = Rated kW of generator / p.f.)

為滿足穩態和瞬態功率要求，應滿足公式1和公式2。然後用計算3計算出发電機的額定功率kVA。在選擇发電機的尺寸時，我們必須保證发電機能夠滿足穩態和瞬態的要求。

對於穩態要求，我們可以簡單地將所有輸入kW值相加。但是，有些負載可能會在短時間內運行，如電梯强制運行一段時間停在某層。在這種情況下，我們可以利用发電機10%的過載能力，但我們應該確保10%的能力不會被長時間運行（也就是公式2的含義）。

對於瞬態要求，我們必須決定負載是同時還是分階段連接到发電機上。出於經濟原因，我們可能不得不采用分階段起動來優化发電機的大小，如果我們確定預先設定的分階段起動對所有正常和緊急狀態都有效的話。我們還應該仔細注意所接負載的類型。如果負載的大型部分是非線性的，並產生大量的諧波電流（Harmonic Current），則勵磁系統將不穩定。在這種情況下，我們必須把发電機容量調整的大一些。

原動機（发動機）的連續額定功率必須等於或大於交流发電機。此外，對於渦輪增壓发動機，分階段啓動能承受的負載能力通常為額定功率（kW）的60~70%。因此，檢查发電機組啟動時負載的總輸入功率不超過這個限度，即：

0.65 × 0.75 × 電動機啟動功率(kVA) < (60%~70%) × 發電機額定輸出功率(kW)      (4)

對於消防發電機（香港項目），由於火災時所有消防負載必須以最快的速度第一時間啓動，因此，一般不會考慮分階段啓動。因此，所有負載都在第一階段啓動。舉例説明同時間啓動消防發電機的計算，如下表：

我們可以看出，對於消防發電機，由於火災時所有消防負載都會同一時間且full load啓動及運行，所以分流係數diversity都假定爲1.0。在初步設計時，11kW以下的泵一般都認爲是直接啓動(DOL)，11kW到55kW一般都認爲是星角啓動，55kW以上一般都認爲是降壓啓動，電梯則爲VVVF啓動。緊急照明和消防動力負載為綫性負載，其他均爲電動機非綫性負載。因此，非綫性啓動的啓動功率因數為0.4875（參考公式0）。

由於全部是第一階段啓動，啓動Peak motor input power (kW) 如上表相加所得為475.9kW，要小於發電機功率（kW）的60%。（檢查可知，發電機功率800kW的60%為480kW，大於475.9kW，滿足公式0和公式4要求）。啓動千伏安kVA如上表相加所得為856kVA，要小於發電機功率1000kVA的110%。（檢查可知，發電機功率1000kVA的110%為1100kVA，大於856kVA，滿足公式2要求）。縂穩態功率334.6kW小於發電機功率800kW（滿足公式1要求）。另外，800kW發電機可通過查Voltage dip curve表對應啓動千伏安找出電壓降百分比，最大不應該超過15％至25％。

如圖，下面是1000kVA交流发電機（Stamford HCI634J1 Alternator Catalogue）在50Hz下運行時的瞬態電壓下降曲綫。

（大圖Link）

5條曲綫代表发電機運行在不同電壓下的電壓降。以380V爲例水平X軸可看作連接到發電機上的啓動kVA或者瞬時kVA。雖然發電機額定功率為1000kVA，但啓動時的瞬時功率為856kVA，由垂直Y軸可以讀出電壓降百分比為14.7%。

對於這個交流发電機，如果假設有分階段啓動，根據這個表格我們可以求出每個階段的電壓降。假設在380V電壓下運行，如果我們在某個階段中總共施加1000kVA的負載，我們將得到16.8%的電壓降。同理，如果我們在某個階段中總共施加1250kVA的負載，我們將得到20%的電壓降。如果我們在某個階段中總共施加1650kVA的負載，我們將得到25%的電壓降。

因此最大允許連接的負載最大的啓動千伏安不應該超過1650kVA。我們可以做個小小的反運算，對於1000kVA的發電機。僅通過計算電壓降，如果假定全部為DOL的電動機，電動機的總功率不應該超過247.5kW（1650kVA/6*p.f）。如果假定全部為star/delta的電動機，電動機的總功率不應該超過637.3kW（1650kVA/2.33*p.f）。由此可見如果發電負載内連接了過多的電動機，即使已經選用了啓動kVA不大的星角啓動，電壓降也會是非常驚人的。

負載分階段啓動的發電機計算

對於分階段啓動的發電機，我們則要計算每個階段時的Peak motor input power 要小於發電機功率（kW）的60%；要計算每個階段時的啓動千伏安kVA要小於發電機功率1000kVA的110%；以及要計算每個階段時的電壓降百分比不應該超過15％至25％。

其他注意事項：

• 在升降機滿載下降或空載上升時，升降機電機的再生功率必須由電阻負載或其他電機負載吸收，否則，发電機組的速度將上升到危險的水平。請確認負載的再生功率是否超過发電機組的再生功率容量。
• 如果啟動一個大電動機的同時啟動多個小電動機，會導致发電機組端子上的電壓明顯下降。因此，除了使用輔助啟動方法外，應當先安排大型電動機運行。
• 電壓調整器（Voltage Regulator）應能在規定的恢覆時間內將電壓恢覆到額定值。然而，對於正常的工業負載，15％至25％的電壓降是可以接受的。然而，對於電腦等設備作爲負載，最多只可承受15％的電壓降。在任何情況下，電壓降不可以超過25%。
• 對於發電機連接非線性負載，絕不允許超過发電機總容量的1/3（最大）。