Tekniikkaa ja tietoa

Varavoimayksikön hankkiminen edellyttää suunnittelua – näin selvität, mikä on oikeankokoinen aggregaatti tarpeitasi varten

Aggregaattien tarve on hiljalleen kasvanut. Kysymys on sähköstä riippuvaisten toimintojen lisääntymisestä monilla aloilla. Sähkökatkon seuraukset saattavat myös joissain tapauksissa olla niin vakavia ja kalliita, että aggregaatti on lähes välttämätön hankinta. Esimerkiksi kotieläintuotannossa aggregaatti on nykyisin usein itsestäänselvyys.
Valmistaja

Varavoima-aggregaatin valinta ei ole aivan helppo tehtävä. Tarvittavan tehon määritteleminen edellyttää tehon tarpeen laskemista sekä usein koko rakennuksen sähköjärjestelmään liittyvää pohdintaa ja uudelleenjärjestelyä.

Kaikkein ensimmäiseksi on kuitenkin mietittävä, mitkä kaikki sähkölaitteet on tarpeen saada toimimaan varavirran avulla. Olisi eduksi, jos vähemmän tärkeät toiminnot voidaan jättää pois aggregaatin piiristä.

Näin voidaan mahdollisesti selvitä pienemmällä aggregaatilla kuin siinä tapauksessa, että kaikkia pääkeskuksen takana olevia sähkölaitteita olisi pyritty pitämään käynnissä aggregaatin avulla.

Aina tämä ei ole mahdollista eikä muutenkaan järkevää. Usein tilanne on sellainen, että joidenkin virrankuluttajien erottaminen tuotantorakennuksen muista sähköistä on yksinkertaisesti liian kallista ja työlästä.

Kun kaikki aggregaatin avulla käytettävät sähkölaitteet on tunnistettu ja listattu, voidaan laskea se kuorma, josta aggregaatin on selviydyttävä. Tämän kuorman suhteen ei saa sortua alimitoitukseen, sillä se johtaa toistuviin katkoksiin ja epäluotettavuuteen.

Kun varavirtageneraattorin tehoa aletaan arvioida, törmätään heti alussa hankaluuteen, joka liittyy tehon määrittämiseen. Sähkölaitteissa ilmoitetaan niiden tehontarve watteina (W) tai kilowatteina (kW). Generaattoreiden tiedoissa on sen sijaan yksikkönä volttiamppeeri (VA).

Kaksi tapaa ilmoittaa teho

Kysymys on kahdesta eri tehosta eli pätötehosta ja näennäistehosta (tekstissä esiintyviä sähkötermejä on selitetty sivulla 41). Jälkimmäinen ilmaisee kokonaistehontarpeen ja sitä käytetään varavoimakoneen tehoa määritettäessä.

Tässä tapauksessa ei ole mitenkään välttämätöntä ymmärtää näitä käsitteitä sen syvällisemmin. Riittää, että tietää pätötehosta voitavan johtaa näennäisteho sopivalla kertoimella. Tehokerrointa tarvitaan, jos aggregaatilla käytetään sellaisia sähkölaitteita, joiden toiminta perustuu sähkömagneetteihin. Niissä syntyy loistehoa, joka on eräänlaista hyödytöntä hukkatehoa.

Loistehoa ei synny puhtaasti vastuskuormaa muodostavista virrankuluttajista kuten esimerkiksi lämmityslaitteet. Sähkömoottorit sen sijaan ovat tyypillisiä loistehoa aiheuttavia induktiivisia sähkökoneita ja niiden kohdalla tehokerrointa tarvitaan korjaamaan muuten liian alhainen tehontarpeen lukema.

Käytännössä pelkkää vastuskuormaa tuottavien sähkölaitteiden osalta riittää, että katsotaan niihin merkitty suurin ottoteho ja lasketaan nämä luvut yhteen.

Näin saatua lukua ei kuitenkaan voi pitää minään tarkkana arvona. Todellinen ottoteho ei useinkaan ole kaikissa tilanteissa sama asia kuin laitteeseen merkitty ottoteho. Kysymys on enemmän keskiarvosta ja tehontarve voi olla joissain tilanteissa suurempi tai pienempi.

Oikosulkumoottoreiden tehovaatimukset

Suurin ongelma aggregaatin mitoituksen kannalta ovat oikosulkuperiaatteella toimivat sähkömoottorit eli induktiomoottorit. Kolmivaiheisella vaihtovirralla toimivat sähkömoottorit ovat käytännössä aina oikosulkumoottoreita, myös suuri osa yksivaiheisista sähkömoottoreista. Vain pienikokoiset hiiliharjalliset sähkömoottorit eivät kuulu tähän ryhmään.

Kaikki oikosulkumoottoreiden valmistajat ilmoittavat moottoreilleen tehokertoimen arvon teknisissä tiedoissa. Sen avulla on helppo laskea moottoreiden tarvitsema näennäisteho.

Generaattorilta vaadittavan näennäistehon määrittämiseksi sähkömoottorin kuluttama pätöteho jaetaan tehokertoimella cos φ. Sen lukuarvo on alle yhden, tavallisesti luokkaa 0,8. Näin esimerkiksi 100 kW:n virrankuluttaja tarvitsee toimiakseen aggregaatin, jolle ilmoitetaan teholukema 125 kVA, kun tehokerroin on 0,8.

Tällä laskutoimituksella saadaan tietää moottorin käydessä tarvittava näennäisteho. Käytännössä tätäkin suurempi merkitys on oikosulkumoottorin käynnistyksen aikana esiintyvällä suurella hetkellisellä tehon tarpeella. Kysymys on virran moninkertaistumisesta moottorin käynnistymisen aikana (kun moottori ei ole vielä saavuttanut sille ominaista kierroslukua). Jos aggregaatti ei selviydy tästä hetkellisestä tehontarpeesta, ei moottori lähde pyörimään.

Seuraava kaava on käyttökelpoinen apuväline tehtäessä arviota tehontarpeesta silloin, kun tehonkuluttajia on useita ja samalla otetaan huomioon sähkömoottorin käynnistymisen vaatima teho.

(3 x M1 + M2 + M3)/0,8 + R1 + R2 = kokonais- tehontarve kVA.

Tässä kaavassa on kolme erikokoista sähkömoottoria (M) ja kaksi sähkövastuksen muodostamaa virrankuluttajaa (R). M1 on moottori, joka tarvitsee suurimman käynnistystehon ja vain sen osalta käynnistysteho otetaan huomioon kertomalla sen teho kolmella. Kaavaa on yksinkertaistettu jättämällä eräitä tekijöitä pois.

Valmistaja
JCB G115QS CITY -aggregaatti

Väärin mitoitettu aggregaatti voi aiheuttaa vahinkoa

Laskenta vaatii perehtyneisyyttä sähkötekniikkaan ja onkin suositeltavaa, että varavoiman hankkimista mietittäessä otetaan ensimmäiseksi yhteys sähkösuunnittelijaan. Hän pystyy tekemään riittävän tarkan arvion generaattorin mitoitusta varten.

Arvioinnissa on otettava huomioon muun muassa hetkelliset tehon tarpeen huiput. Esimerkiksi monet sähkömoottorit saattavat käynnistyessään ottaa aggregaatin tehoon nähden liian suuren virran, mikä voi johtaa jännitteen tai taajuuden alenemiseen.

Varsinkin jännitteen aleneminen on haitallista monille sähkölaitteille ja siitä syystä on mietittävä, onko järjestelmään kytketty sellaisia laitteita, jotka ovat vahingoittumisvaarassa ja jotka olisi siten jollain tavoin suojattava.

Moottorin käynnistysvirtaa voi tarvittaessa rajoittaa esimerkiksi taajuusmuuttajan avulla.

Mitä aggregaatin tiedot merkitsevät?

Aggregaattien teknisissä tiedoissa ilmoitetaan muun muassa jatkuva teho, nimellisjännite ja nimellisvirta, usein myös maksimiteho.

Jatkuva teho tarkoittaa tehoa, jonka generaattori kykenee tuottamaan vaaditulla 50 Hz taajuudella ja 230 tai 400 V jännitteellä. Kuorman lisääminen tätä suuremmaksi johtaisi taajuuden ja jännitteen putoamiseen.

Generaattori pystyy hetkellisesti tuottamaan tätä suuremman tehon. Aggregaatille ilmoitettu maksimiteho on yhtä kuin hetkellinen teho. Kysymys on kuitenkin hyvin lyhytaikaisesta tehosta, jonka määrä ja kesto on hyvin erilainen eri koneissa. Tämä seikka osaltaan vaikuttaa siihen, kuinka hyvin aggregaatti kykenee käynnistämään sähkömoottoria.

Miten aggregaatti liitetään sähköjärjestelmään?

Aggregaatin liittäminen sähköjärjestelmään pitää tehdä asiantuntevasti ja ehdottoman turvallisella tavalla. Kaikkein tärkeintä on erottaa aggregaatin ylläpitämät osuudet sähköjärjestelmässä täydellisesti muusta verkosta.

Tämä tarkoittaa sitä, että missään tilanteessa ei saa käydä niin, että aggregaatin muodostama jännite pääsisi yleisen verkon puolelle. Jos näin kävisi, joutuisivat esimerkiksi sähköverkon vauriota korjaavat asentajat vaaraan.

Aggregaatin erottamiseksi yleisestä sähköverkosta on rakennuksen pääkeskukseen asennettava verkonvaihtokytkin, joka on kolmiasentoisesti toimiva kytkin: kytketty verkkoon – pois päältä – kytketty aggregaattiin. Kytkimen asentaminen on sähköurakoitsijalle kuuluva työ.

Käytännössä varavoimakone on lähes aina virrantuottokyvyltään heikompi kuin normaaliverkko.

On lisäksi huomioitava, että normaalit sähkön käyttäjää sekä sähkölaitteita suojaavat turvalaitteet eivät välttämättä toimi lainkaan, kun kysymyksessä on generaattori. Tästä syystä varavirtalähteen hankinnan yhteydessä on ehdottoman välttämätöntä tilata sähköliikkeeltä tarpeellinen sähkösuunnitelma sekä luonnollisesti myös sen toteutukseen liittyvät asennustyöt.

Valmistaja
Varavoima-aggregaatteja valmistavan Agco Powerin julkaisemassa tyypillisen varavoimahuoneen ohjekuvassa on esitetty minimi- ja suositusarvoja konehuoneelle ja konetoimituksen asennukselle: 1. Muototeräsalusta 2. Tärinäneristimet 3. Diesel 4. Generaattori 5. Ohjaus- ja valvontakojeisto 6. Akusto käynnistykseen ja ohjaukseen 7. Polttonesteen käyttösäiliö 8. Käyttösäiliön täyttö- pumppu 9. Puhallin 10. Kennojäähdytin 11. Joustava paljeputki, päällä kosketussuoja tai irrotettava lämmöneriste 12. Lämpöeristetty äänenvaimennin 13. Kiilapultti (tarvittaessa) 14. Poistoilmakanava 15. Palautusilmapelti 16. Poistoilman sulkupelti 17. Tuloilman sulkupelti 18. Ulkosäleikkö 19. Pakoputki, huonetilassa lämpöeristetty 20. Lämpöeristetty läpivienti 21. Pakokaasun suuntaaja

Välttämätön vaiko lähes välttämätön

Aggregaatin valinnassa vaikuttaa myös se, miten nopeasti varavoima on saatava käyttöön. Kiinteällä automaattisella varavoimakoneella tavallinen käynnistysaika on lyhyimmillään noin 10 sekuntia.

Kiinteästi asennettu varavoima-aggregaatti on välttämättömyys kotieläintuotannossa aina silloin, kun eläimet ovat riippuvaisia sähköisesti järjestetyistä toiminnoista. Kysymys on yleensä lypsyrobottinavetoista tai ilmastoiduista siipikarjarakennuksista.

Sähkökatkoilta suojaava varavirta on välttämätöntä myös esimerkiksi puupolttoainetta käyttävissä kattilalaitoksissa, jotta katkostilanteessa riskinä olevat kattilavauriot olisi mahdollista välttää.

Puuta polttavassa kattilassa sähkökatkos voi johtaa hyvin kalliiseen kattilavaurioon, jos katkos pysäyttää kiertovesipumput kattilan ollessa täynnä palavaa polttoainetta. Häiriötilanteessa varavoimalla voidaan pitää kiertovesipumput käynnissä ja hoitaa tarvittaessa kattilalaitoksen sähköisiä ohjaustoimintoja.

Traktorigeneraattori voi olla järkivalinta

Traktorikäyttöinen generaattori on monesta syystä järkevä ratkaisu varavoimakysymykseen. Sen käyttäminen edellyttää tietysti, että sopiva voimanlähde on käytettävissä ja varavoiman käyttöönottamiselle on enemmän aikaa, eikä jatkuva tehontarve ole enempää kuin 60–70 kW.

Traktorikäytöllä poistuvat varavoimakoneen moottorille tehtävät säännölliset huollot, jotka on pakko tehdä, käytettiin varavoimakonetta tai ei. Traktorikäyttöinen varavoimakone on investointina varsin kohtuullinen, joten se saattaa olla järkevä hankinta estämään esimerkiksi jäätymisvaurioita talviaikaan. Lisäksi tämäntyyppisellä varavoimakoneella voi hoitaa myös sähköntuottamisen esimerkiksi maastossa tehtäviin hitsaustöihin.

On tärkeää ottaa huomioon, että myös traktorikäyttöisen varavoimakoneen ollessa kyseessä, täytyy rakennukseen tehdä valmiiksi varavoimakoneen käytön mahdollistavat sähköasennukset. Verkonvaihtokytkin on siis välttämätön hankinta tässäkin tapauksessa.

Varavoiman tuottaminen traktoriin liitetyllä generaattorilla eroaa monessa käytännön asiassa valmiiden aggregaattien kanssa toimimisesta. Tästä syystä tulemme Koneviestissä käsittelemään traktorigeneraattoreita ja niiden käyttöä erillisen artikkelin muodossa myöhemmin tänä vuonna.

Pitkien sähkökatkosten todennäköisyys on vähentynyt maakaapeloinnin yleistyttyä, mutta kokemukset meiltä ja muualta osoittavat, että laajoista ja pitkäaikaisista sähkökatkoista ei luultavasti koskaan voi päästä kokonaan eroon.

Arto Turpeinen
Aggregaatteja joudutaan käyttämään myös rakennustyömailla, kiviainesmurskaamoilla ja kierrätysmateriaalien käsittelylaitoksilla. Työmaa tai esimerkiksi mullanseulontalaitos saattaa sijaita paikassa, jonne ei ole johdettu riittävän vahvaa sähkölinjaa. Myös puhtaasti tariffeista johtuvat syyt saattavat aiheuttaa tilanteen, jossa dieselaggregaatilla tuotettu sähkö tulee halvemmaksi kuin verkosta ostettu sähkö. Väliaikainen sähköistys asettaa kalustolle omat vaatimuksensa. Työmaan koot vaihtelevat, joten esim. vuokra-aggregaatilla hankittaessa tehontarve on tärkeää määrittää jo säästösyistä. Etenkin suuremmissa kohteissa on vaikeaa arvioida lopullinen sähköntarve, sillä käytettävä kalusto lisääntyy työmaan edetessä. Nyrkkisääntönä voisi kuitenkin pitää, että sähkökeskuksia tulisi olla mieluummin liikaa kuin liian vähän, millä vältetään linjojen liikakuormitus. Lisäksi tulee huomioida sähkön tarve eri työmaan kolkissa.
Lue lisää