ディーゼル発電機のサイズを決定する方法: 完全なステップバイステップ ガイド

サイズを指定するには ディーゼル発電機 、同時に電力を供給する必要があるすべての負荷の合計動作ワット数を計算し、単一モーターの最大始動サージ (通常は動作ワット数の 3 倍) を追加し、20 ～ 25% の容量バッファを適用してから、高度と周囲温度に応じて出力を下げます。 その結果、必要な最小発電機 kVA 定格が得られます。例: 40 kW の運転負荷、最大の単一スターターとして 15kW モーター (45kW のサージが必要)、および高度 1,500 m での運用を行う施設には、少なくとも定格の発電機が必要です。 68～75 kVA すべての調整が終わった後。サイズが小さすぎると、過負荷トリップやエンジン損傷が発生します。サイズを大きくしすぎると燃料が無駄になり、ディーゼル エンジンでウェットスタッキングが発生します。このガイドでは、実際の例、負荷テーブル、および補正係数を使用して、サイジング プロセスの各ステップを説明します。

ステップ 1 — すべての電気負荷を特定してリストする

発電機のサイジングの基礎は、完全な負荷インベントリです。コンプレッサー、エレベーター モーター、中央空調ユニットといっ​​た大きな負荷が 1 つでも欠けていると、サイジング計算全体が無効になる可能性があります。負荷は、電気的動作に基づいて 3 つのカテゴリに分類されます。

• 抵抗負荷 — 白熱照明、電気ヒーター、トースター、給湯器;これらは力率 1.0 で定常電流を消費し、始動サージはありません。実行ワット = ネームプレートのワット
• 誘導負荷（モーター） — エアコン、ポンプ、コンプレッサー、ファン、電動工具;これらは、起動時に 0.5 ～ 3 秒間、3 ～ 7 倍の動作電流を消費します。この始動サージが、ほとんどの用途で発電機のサイズ決定の主な要因となります。
• 電子負荷/非線形負荷 — コンピューター、VFD (可変周波数ドライブ)、UPS システム、LED ドライバー、バッテリー充電器。これらは、高調波歪みを引き起こす非正弦波電流を引き込みます。高調波サービスに対応した定格の発電機オルタネータが必要です (通常、全負荷時の THD <5%)

各負荷について、銘板に動作中のワット数 (または kW)、電圧、および位相 (単相または三相) を記録します。銘板データが入手できない場合は、定格アンペア数を使用して次のように計算します。 ワット = ボルト × アンペア × 力率 (力率が明記されていない場合、ほとんどのモーターには 0.85 ～ 0.90 を使用します)。

ステップ 2 — 総運転負荷とモーターの始動要件を計算する

総走行負荷

同時に動作するすべての負荷の実行ワット数を合計します。同時に使用されることのない負荷は含めないでください。公共施設の停電後に建物に電力を供給する予備発電機は、異なる季節に稼働する場合、冷水プラントと暖房システムの両方に同時に電力を供給する必要はありません。ただし、保守的であり、異常であっても理論的に重複する可能性のある負荷を含めてください。

モーター始動電流: 臨界サージ需要

電気モーターが始動すると、通常は次のようなロックローター電流 (LRC) が流れます。 全負荷運転電流の 3 ～ 7 倍 。発電機のサイジングでは、このサージは始動ワット、つまりモーター始動時の瞬間的な電力需要として表されます。モーターの種類ごとに最も一般的に使用される乗算器は次のとおりです。

• ダイレクトオンライン (DOL) スタートモーター — 開始ワット = 3× 実行ワット数 (一般的に使用される保守的な値。大型モーターの場合、実際の LRC は最大 7 倍になる可能性があります)
• コンデンサースタートモーター — 開始ワット = 1.5 ～ 2 倍の実行ワット数 ;始動コンデンサは突入電流を大幅に削減します
• ソフトスターターまたは VFD を備えたモーター — 開始ワット ≈ 実行ワット;ソフトスターターと可変周波数は、電圧または周波数を徐々にランプし、突入電流を制限します。 動作電流の 110 ～ 150% ;これにより、モーターを多く使用する施設の発電機のサイズ要件が大幅に軽減されます。

発電機は、他のすべての稼働負荷がすでに電力を消費している間に最大のモーターが始動するというシナリオに対応する必要があります。重要な計算は次のとおりです。 発電機のサイジング負荷 = (すべての負荷の合計動作ワット) (最大の単一モーターの始動サージ − その動作ワット) 。これは、最大のモーターが始動する瞬間のピーク瞬間需要を表します。

施工事例：オフィスビルの待機発電機

次のような待機電力が必要なオフィス ビルを考えてみましょう。

• 照明とコンセント: 12,000 W (12 kW)
• サーバールームUPS：8,000W（8kW）
• エレベーターモーター (DOL スタート): 動作時 15,000 W (15 kW)、始動サージ = 3 × 15,000 = 45,000 W
• HVAC ファン モーター: 動作時 10,000 W (10kW)、始動サージ = 3 × 10,000 = 30,000 W
• 消火ポンプモーター (DOL 始動): 動作時 7,500 W (7.5 kW)、始動サージ = 3 × 7,500 = 22,500 W

総走行負荷: 12 8 15 10 7.5 = 52.5 kW
最大モータ始動サージ： 45 kW 始動時のエレベーター モーター − 15 kW 運転中 = 30 kW の追加サージ需要
ピーク瞬間需要: 52.5 30 = 82.5 kW

ステップ 3 — kVA に変換し、力率を適用する

発電機容量の定格は kVA (キロボルトアンペア) — 皮相電力 — kW (キロワット) ではなく — 実電力。関係は次のとおりです。

kVA = kW ÷ 力率

ほとんどのディーゼル発電機の力率は次の通りです。 0.8 遅れ — 特に指定がない限り、これが標準的な仮定です。力率 0.8 で定格 100kVA の発電機は、 80kWの実電力 。これは、必要な kVA 定格を求めるには、kW 要件を 0.8 で割る必要があることを意味します。

動作例の続き:

• ピーク瞬間需要: 82.5 kW
• 必要なkVA: 82.5 ÷ 0.8 = 103kVA

負荷が主に抵抗性 (ヒーター、照明) で、モーターの数が非常に少ない場合、実際の力率は 0.9 ～ 1.0 に近い可能性があり、0.8 で割るのは過度に保守的です。負荷が主に誘導モーターである場合、実際の力率は次のようになります。 0.7以下 、0.8 という仮定では、ジェネレーターのサイズが小さすぎる可能性があります。正確なサイジングを行うには、すべての負荷にわたる加重平均力率を測定または計算します。

ステップ 4 — 容量バッファー (ヘッドルーム係数) を適用する

ディーゼル発電機を定格容量の 100% で継続的に運転すると、過剰な熱応力が発生し、摩耗が促進され、負荷の追加や計算エラーの余地がなくなります。業界の慣例では、ディーゼル発電機を次の条件で稼働させます。 最大運転負荷時の定格容量の 70 ～ 80% 、20〜30%のヘッドルームを残します。

計算された kVA 要件を目標負荷率で除算して、ヘッドルーム係数を適用します。

• 80% 負荷時: 必要な発電機 kVA = 計算された kVA ÷ 0.80
• 75% 負荷時: 必要な発電機 kVA = 計算された kVA ÷ 0.75

80% 負荷での例を続ける: 103 kVA ÷ 0.80 = 129 kVA 最小定格発電機 。これを超える最も近い標準ジェネレータ サイズは通常、 150kVAユニット .

最小負荷に関する注意: ディーゼル エンジンにも 最小負荷要件は定格容量の 30 ～ 40% 。このしきい値を下回るディーゼル発電機を長期間運転すると、ウェットスタッキングが発生します。つまり、不完全燃焼によって未燃焼の燃料と炭素が排気システムとシリンダー内に堆積し、メンテナンスコストが増加し、エンジン寿命が短くなります。予想される運転負荷が発電機の定格の 30% を下回ることが多い場合は、ユニットが大きすぎるため、より小型の発電機を選択するか、ロード バンキング (最小限のエンジン負荷を維持するために人工的な抵抗負荷を接続する) を実装する必要があります。

ステップ 5 — 高度と周囲温度のディレーティング

ディーゼル発電機の出力は標準条件で定格されます。 海面 (標高 0m)、周囲温度 25°C (77°F)、相対湿度 30% ISO 8528-1 または SAE J1349 に準拠。海面より高い場所や周囲温度が高い場所で動作すると、エンジンに到達する空気密度が減少し、燃焼効率と出力が低下します。発電機の定格を下げる必要があります。発電機の実効出力は銘板の定格より小さいため、銘板の定格は計算値よりも高くなければなりません。

高度ディレーティング

自然吸気ディーゼルエンジンの標準ディレーティングルールは次のとおりです。 海抜 300m (1,000 フィート) ごとに約 3 ～ 4% の電力損失 。ターボチャージャー付きエンジンは出力低下が少なくなります - 通常 300mごとに1～2% — ターボチャージャーは空気密度の低下を設計限界まで補償し、それを超えるとディレーティングが急激に増加するためです。常にメーカー固有のディレーティング曲線を使用してください。以下の値は代表的なものです。

温度ディレーティング

標準定格温度 25°C を超えると、発電機は約 100 ℃ で出力を低下させます。 25°C を超える場合は 5.5°C (10°F) ごとに 1% ほとんどのターボエンジンに対応。ピーク周囲温度が 45°C (標準より 20°C 高い) の熱帯環境では、追加の温度が予想されます。 3 ～ 4% の電力削減 。高度と温度を組み合わせたディレーティングは乗算的であり、両方の要素が同時に適用されます。

ディレーティング後に必要な銘板 kVA を確認するには、次の手順を実行します。 必要な銘板 kVA = 必要な実効 kVA ÷ (高度係数 × 温度係数)

例: 高度 1,500 m (係数 0.94) および周囲 40°C (係数 0.97) での 129 kVA の実効要件には、次のものが必要です: 129 ÷ (0.94 × 0.97) = 129 ÷ 0.912 = 141 kVA 銘板以上 ので、次の標準サイズを選択します。 150kVA .

一般的な負荷タイプとそのサイジング乗数

プライム電力とスタンバイの定格: 適切な定格クラスの選択

ディーゼル発電機は、エンジンが特定の出力をどの程度持続できるか、どのくらいの時間維持できるかを定義する複数の定格分類で販売されています。意図された定格クラスを超えて発電機を使用すると、エンジンの早期故障が発生します。 ISO 8528 の主要な 4 つの評価クラスは次のとおりです。

• スタンバイ (ESP — 緊急スタンバイ電源) — 停電時の緊急使用のみの最大出力。 過負荷は許可されません ;通常の使用は年間 200 時間に制限されます。これは銘板に記載されている最高の kVA 定格ですが、主電源や頻繁に使用する用途には適していません
• プライム電力 (PRP — プライム定格電力) — 公共電源が存在しない場合、無制限の時間連続稼働。 12 時間以内に 10% の過負荷が許容される ;同じエンジンのスタンバイ定格の約 80 ～ 90% で定格されます。オフグリッドサイト、建設電力、採掘作業に適しています
• 継続電力 (COP) — 一定の電力でベースロード動作を時間無制限で行うことができます。 過負荷は許可されません ;スタンバイ定格の約 70 ～ 80%。島内発電およびベースロード用途で使用される
• 制限時間ランニングパワー (LTP) - 非緊急用途における定義された限られた期間の動作。通常、年間最大 500 時間

「100 kVA スタンバイ / 90 kVA プライム」として販売されている発電機には、 使用方法に応じた 2 つの異なる電力制限 。停電時にのみ使用される病院のバックアップ発電機の場合は、100 kVA の待機定格が適用されます。唯一の電源として継続的に稼働する採掘キャンプの発電機の場合、90 kVA の主定格が決定され、サイジングの計算では 100 kVA ではなく 90 kVA を基準として使用する必要があります。

三相発電機と単相発電機および負荷分散

約 15 ～ 20 kVA を超える発電機は、ほとんどの場合、三相 (3Φ) です。これは、三相電力の方が効率的な電力供給が可能であり、三相モーターに必要であるためです。混合負荷 (一部の三相モーターと単相負荷) 用に三相発電機のサイズを決定する場合、位相バランスが重要な考慮事項になります。

三相発電機は、バランス負荷、つまり各相の電力が等しいように定格されています。単相負荷が 3 相間で不均等に分散されている場合、最も負荷の高い相が発電機の総出力を制限し、電圧の不均衡が発生してモーターや電子機器に損傷を与える可能性があります。ほとんどの発電機メーカーは次のように指定しています。 任意の 2 相間の単相負荷の不均衡は、相あたり発電機の定格電流の 25% を超えてはなりません .

三相発電機の負荷リストを作成するときは、各単相負荷を特定の相に割り当て、どの相にもおよそ以上の負荷がかかっていないことを確認します。 総負荷の 1/3 総 kVA の 12.5% 。実際には、負荷をできるだけ均等に分散し、設置中に電気技師とバランスを確認してください。

非線形負荷のサイジング: UPS システムと VFD

非線形負荷 (UPS システム、可変周波数ドライブ、スイッチモード電源、バッテリー充電器) は、非正弦波電流を引き込み、 高調波歪み 発電機の電圧出力に入力します。この高調波成分により、オルタネーターの巻線がさらに加熱され、発電機の自動電圧調整器 (AVR) に干渉して電圧が不安定になる可能性があります。

主に非線形負荷を供給する発電機のサイジングに関する業界ガイドラインは次のとおりです。

• UPSシステム — ジェネレーターのサイズを次のように設定します。 UPS kVA 定格の 1.5 ～ 2 倍 ; 50 kVA UPS には少なくとも 75 ～ 100 kVA の発電機が必要です。これは、高調波ディレーティング、UPS 入力力率、発電機始動後の最初の数分間のバッテリ再充電需要を考慮しています。
• 可変周波数ドライブ (VFD) — VFD はモーターの始動サージを低減しますが、高調波が発生します。ジェネレーターのサイズを次のように設定します。 すべての VFD 負荷に必要な kVA の 1.25 倍 ; VFD 負荷が発電機の総負荷の 50% を超える場合は、「12 パルス」または低 THD オルタネータを備えた発電機を指定します。
• データセンター/サーバーの負荷 — 最新のサーバー電源の力率は 0.95 ～ 0.99 で、高調波成分は中程度です。サイズで 合計 IT 負荷の 1.25 ～ 1.5 倍 配電ユニット (PDU) の損失と冷却装置を考慮するため

完全なサイジング例: 産業用ワークショップ

山間部のものづくり工房 標高1,200m ピーク周囲温度が 38℃ 次の負荷に対して主発電機が必要です。

サイズ計算:

1. 総走行負荷: 53.6 kW
2. 最大のモーターサージ加算: エアコンプレッサーサージ (45 kW) − 運転中 (15 kW) = 30 kW
3. ピーク瞬間需要: 53.6 30 = 83.6 kW
4. PF 0.8 での kVA への変換: 83.6 ÷ 0.8 = 104.5 kVA
5. 80% の負荷ヘッドルームを適用: 104.5 ÷ 0.8 = 130.6 kVA
6. 1,200m での高度ディレーティング (ターボチャージ、係数 ≈ 0.953): 130.6 ÷ 0.953 = 137 kVA
7. 38°C での温度ディレーティング (係数 ≈ 0.975): 137 ÷ 0.975 = 140.5 kVA
8. 標準の発電機サイズを選択してください: 150 kVA プライム定格

よくあるサイズ間違いとその回避方法

• モーター始動サージを無視する — サイズ不足の最も一般的な原因。運転負荷を容易に処理できる発電機は、大型モーターが始動するとすぐにトリップする可能性があります。最大のモーター始動を含むピーク需要を常に計算します
• kWとkVAの混同 — 力率 0.8 の「100 kW 発電機」を引用しているサプライヤーは 125 kVA を提供しています。 25% の過小化を避けるために、引用された数値が kW であるか kVA であるかを確認してください。
• 主電源アプリケーションにスタンバイ定格を使用する — オフグリッドで継続的に稼働する発電機は、（より高い）スタンバイ定格ではなく、その主電力定格に合わせてサイズを設定する必要があります。連続運転にスタンバイ数値を使用すると、エンジンの過負荷や早期故障につながります
• 最低積載量を確認せずに「安全のため」にオーバーサイジング — 50 kW の負荷用に設置された 500 kVA の発電機は 10% の容量で動作し、深刻な湿式スタッキングを引き起こします。 最小動作負荷は定格容量の 30 ～ 40% である必要があります
• 高度と温度のディレーティングを省略 — 高度 2,000 メートルにある 100 kVA の発電機は、91 kVA しか供給できません。これを考慮しないと、標高の高い場所で慢性的な過負荷が発生する可能性があります
• 将来の負荷の増加を考慮していない — 今日の負荷にぴったり合ったサイズの発電機には拡張の余地がありません。現実的な成長予測を追加します（通常は 10 ～ 20% の追加容量 5 年以内の拡張が見込まれる施設向け)