Трансформатор за електрифициране чрез топлинни помпи: Определяне на размерите на комерсиални ретрофит проекти спрямо пикови стойности при включване и зимни пикове

Учебен кампус в южна Онтарио премахнал газовите си котли през лятото на 2026 г. и ги заменил с въздушни топлинни помпи с обща мощност 420 kW. Механичният инженер коректно определил размерите на компресорите. Въпреки това електрическата инсталация се повредила още при първата студена сутрин: стартирането на водещия компресор намалило напрежението в главната 1200 A линия до 398 V, а два инвертора за управление на скоростта (VFD) на покрива прекъснали работата си поради недостатъчно напрежение, преди втората ступен изобщо да се активира. трансформатор за електрифициране чрез топлинни помпи рядко е елементът, по който се водят дискусии в ретрофит проектната документация, и точно затова често се оказва недостатъчно зададен.

 

Ретрофит електрификационни проекти нарушават предположенията за трансформаторите

Газовият котел и топлинният помп обезпечават едно и също количество топлина. На електрическа схема те нямат нищо общо. Котелът консумира няколкостотин вата за циркулационна помпа и управление на горелката. Топлинният помп пък консумира стотици киловата чрез херметични мотор-компресори и ги използва в блокове: стартиране, увеличаване на мощността, размразяване, намаляване на мощността.

Съществуващите електрически инсталации са проектирани спрямо лятната връхна охладителна мощност и диверсифицирана осветителна натовареност. Ретрофитът за отопление премества връхната натовареност към зимно сутрешно време, когато осветлението и розетъчните натоварвания също са близо до максимума, и преобразува термично натоварване в моторно натоварване. Това е мястото, където трансформатор за електрифициране чрез топлинни помпи реално започва решението, а не в таблицата за избор на компресор.

Има и трета промяна, която обикновено се пропуска при изчисляването на натоварването. Първоначалното изчисление за електроснабдяване е използвало коефициенти на спад на натоварването, одобрени от електрическата компания за газово отопляема сграда с кратък зимен пик и ниско съдържание на електродвигатели. Прилагането на същите предположения за разнообразие към централна топлинна помпа води до занижаване на оценката на натоварването, тъй като ступенчатите компресори не проявяват разнообразие по начина, по който го правят розетките и осветлението.

 

Математиката на натоварването: какво всъщност изискват топлинните помпи от електроснабдителната система

Започнете с капацитета за проектния ден, а не с номиналния капацитет. Номинална въздушна топлинна помпа с мощност 420 kW в южна Онтарио може да осигури 420 kW при температура 8,3 °C и само около 68 % от това при проектна температура -15 °C. Публикуваните таблици с капацитет показват това намаляване; по-малко ясно е, че електрическият вход едновременно нараства, тъй като коефициентът на производителност (COP) спада от приблизително 3,4 до 1,8.

Ето изчисленията от кампуса по-горе, които са типични за средно голям комерсиален проект за модернизация при 480 V:

• Топлинни помпи, 2 модула × 210 kW: 233 kW електрическа мощност при -15 °C, COP 1.8
• Циркулационни помпи, 4 с постоянна скорост: 22 kW, непрекъснато
• Контролни системи и BMS: 4 kW, непрекъснато
• Резистивен резервен отоплителен елемент, 4 стъпала: 120 kW, само при температури под проектната
• Проектна обща електрическа мощност: 379 kW, около 407 kVA при коефициент на мощността 0.93

 

 

Тези 407 kVA представляват товара. Те не са размерът на трансформатора. Разликата между тези две числа е мястото, където бюджетите за модернизация се провалят в двете посоки; следващият раздел разглежда как да се намали тази разлика, без да се закупува 40 % повече мед, отколкото сградата някога ще използва.

 

Оразмеряване на трансформатора за електрификация с топлинни помпи

Статия 440 на NEC регулира веригите на мотор-компресори и изисква ток при номинален товар, а не ток по табелката, за херметични компресори за охладителни агенти. Общите токове за фидъри и електрозахранване все още се изчисляват според Статия 220, а NFPA 70 това е текстът, който инспекторът всъщност ще прочете. На практика: определете размера на трансформатора въз основа на изчислен товар, включващ токовете при номинален товар на компресорите, стъпалния резервен отоплителен елемент, начален ток които възникват при стартиране на тези компресори, и товарът на сградата, който остава свързан.

В онтариотския случай запазеният товар на сградата след премахването на котлите е бил 520 kVA. Общият товар е достигнал 927 kVA. Съществуващата 750 kVA наземна трансформаторна станция вече работела на около 98 % от капацитета си през върховите лятни дни, поради което повторното използване не било възможно. Ние посочихме трансформатор с мощност 1 500 kVA, 13,8 kV делта до 480Y/277 V, импеданс 5,75 % — това е следващият стандартен размер и осигурява приблизително 35 % резервен капацитет за втора фаза на същата програма.

Следват три числа, като всяко от тях влияе върху подобренията на по-долния етап на оборудването. Първичният ток е 62,8 A. Вторичният ток при пълна натовареност е 1 804 A. Достъпният вторичен ток при късо съединение в клемите е около 31 kA; тази стойност определя дали разпределителното табло ще бъде поръчано за 42 kA или за 65 kA. Това е също така стойността, която изпълнителите най-често забравят да поискат.

Едно предупреждение относно натоварването. Един съдов трансформатор не може да понася продължително надтоварване по начина, по който го прави масленият трансформатор. IEEE C57.12.01 сухите трансформатори се оценяват при средна температура 30 °C и максимална температура 40 °C, а температурата в покривното помещение през юли значително надвишава тези стойности. Експлоатацията на сух трансформатор при 100 % от номиналната му мощност в помещение с температура 50 °C е решение, което засяга сроковете на експлоатация, а не консервативно инженерно решение.

 

Включителен ток и спад на напрежението: основната причина за неуспех при модернизации

Спадът на напрежението при пускане на двигател чрез трансформатор е приблизително равен на частното от kVA при пускане, разделено на kVA на трансформатора, умножено по процентното съпротивление. Компресор с мощност 90 kW и номинален ток при пълна товарност 140 A, който има шесторен ток при заключен ротор, изисква при пускане ток от около 840 A при 480 V, което съответства на 698 kVA. При трансформатор с мощност 1 500 kVA и съпротивление 5,75 % това води до спад на напрежението от приблизително 2,7 %, което е добре в рамките на 10 %, разрешени от повечето електроснабдители в точката на присъединяване.

Свийте трансформатора до 1000 kVA и същият компресор предизвиква спад от 4,0 %. Сега включете два компресора с една и съща ступенна команда и спадът се удвоява за част от секундата – това е условието, при което честотните преобразуватели (VFD) изключват и контролите се нулират. Евтините модернизационни последователности правят точно това, защото логиката за ступенуване се пише от механичния подизпълнител и никой от електротехническия екип не я преглежда.

Начален ток токът при включване е отделно и по-голямо събитие. Студен трансформатор 1500 kVA може да консумира 8–12 пъти номиналния ток през първите 0,1 секунди, което при 480 V означава 14 000–21 000 A. Ако оставите мигновената настройка на главния прекъсвач на фабричната стойност, първият ден от пускането ще започне с нежелано изключване, последвано от спор дали трансформаторът е дефектен.

Това е част от пакета, която купувачите рядко виждат в оферта. Всеки единица, изпратена за модернизиране, напуска производството с прикачен изчисления профил на пусковия ток към стандартния протокол за изпитания, така че подизпълнителят да може да зададе кратковременно забавяне или да специфицира затваряне в определена точка от вълната преди пристигането на камиона. При проект за училище във Вермонт електрическата спецификация е посочвала амперите при заключен ротор за компресорите, но представените технически листове са цитирали само амперите при номинален товар. Прегледът на документацията разкри несъответствието три седмици преди доставката, а не в 6:00 часа сутринта през януари по време на пускане в експлоатация.

 

Хармоници от инверторни компресори и тяхното въздействие върху намотката

Скрол и винтови компресори с инверторно управление не се държат като директно свързани електродвигатели. Техните входни вериги консумират несинусоидален ток, обикновено с общо хармонично изкривяване на тока от 25 % до 40 % при частична натовареност, а този спектър се проявява в намотката като допълнителни загуби от вихрови токове и локално нагряване. A съдов трансформатор избрано само според kVA ще работи по-горещо от указаното на табелката точно в часовете, когато производствената мощност е 30%.

Има два изпълними отговора. Специфицирайте уред с клас K (K-4 при наличие на няколко инверторни устройства и K-13 при преобладаване на външни блокове VRF или големи комплекта от променливи честотни преобразуватели), или намалете номиналната мощност на конвенционален уред чрез метода за хармонични загуби. И двата подхода са коректни; игнорирането на въпроса не е допустимо, особено при системи VRF, където двадесет малки инверторни уреда добавят своето изкривяване в една и съща разпределителна точка.

Вторичният ефект е водещ коефициент на мощност при слаба натовареност. Кондензаторите в DC-връзката подават ток пред напрежението, когато производствената мощност е 20% при умерено време, така че трансформатор за електрифициране чрез топлинни помпи указаният при 0.93 индуктивен коефициент на мощност сега работи при 0.85 водещ коефициент. Нищо не се поврежда незабавно, но уредите за електроизмерване на електроснабдителя, кондензаторните батерии и контролите за паралелно свързване на генератори започват да се държат аномално. Уведомете инженера на електроснабдителя преди той да го установи при редовното четене на показанията.

 

Студен климат, резервно отопление и проблемът с последователното включване

При температури под -12 °C стандартните въздушни топлоизточници осигуряват 55 % до 65 % от номиналната си мощност. Топлоизточниците за студени климатични условия запазват 70 % до 80 % и поддържат КПД близо до 1,8. Каквото и да е това отклонение, то се компенсира чрез резистивно отопление, което се включва стъпаловидно според натоварването. Резервна банка от 120 kW, разделена на четири стъпала по 30 kW, добавя по 36 A на всяко стъпало при 480 V. Поотделно това не е нищо. Но ако всички четири стъпала се включат едновременно при един и същи сигнал, това води до стъпаловидно изменение на натоварването с 120 kW за по-малко от секунда, а трансформатор, размерен точно според изчисленото натоварване, няма как да реагира на това.

Отталяването е скритият пиков режим. Отталяването чрез обратен цикъл отнема топлина от контура на сградата, докато компресорите продължават да работят, а инсталация с осем модула може да се отталява последователно дори при влажна утрин с температура 2 °C. Проектирайте за случая на съвпадащо отталяване, а не за таблицата с постоянни стойности на мощността, и включете пусковия ток при повторното стартиране в същото изчисление.

Корпусът и околна среда заслужават по-голямо внимание, отколкото обикновено им се отделя в спецификациите за студени климатични условия. Кондензацията върху изключена суха намотка при -25°C, последвана от бързо увеличаване на товара сутринта, е реален път към повреда; нагревателните елементи и термостат, който действително функционира, не са допълнителни опции.

 

От спецификация до доставка: какво произвеждаме и какво тестваме

Ryan Electric е UL listed transformer supplier производител на 1 500 kVA класови трансформатори като този в производствена база с площ 120 000 m² в провинция Цзянсу, която разполага с над 180 комплекта производствено и изпитателно оборудване и 37 патента. Като партньор в съвместно предприятие с Eaton от 2023 г., ние спазваме същите изисквания относно загуби и импеданс, които прилагат по-големите северноамерикански производители на оригинално оборудване, и публикуваме данните от рутинните изпитания, а не ги обобщаваме.

Всеки агрегат изпълнява стандартната последователност IEEE C57.12.90: съпротива на намотките, съотношение, полярност, загуби при празен ход, загуби при натоварване, импеданс, приложено напрежение и индуцирано напрежение, както и типов тест за повишаване на температурата върху конструкцията. Импедансът се поддържа в рамките на ±7,5 % от зададената стойност, което е важно, когато електроснабдителна компания анализира тока при късо съединение преди одобряване на модернизация на услугата. Този анализ е също така причината съдов трансформатор в оферта да се посочва импедансът изрично, а не да се оставя на фабричната подразбираща се стойност.

Сертифицирането е област, в която един UL listed transformer supplier или притежава документите, или ги няма. UL 1561 за сухи общи трансформатори, CSA C22.2 No. 66 за Канада, cULus – когато се прилагат и двата пазара. На кампуса в Онтарио електроснабдителната компания искаше маркировката CSA да е четлива върху табелката за данни и тестовият протокол да е проследим по серийния номер. И двете бяха в товарния плик и инспекцията беше одобрена при първото посещение.

 

 

Доставката продължи 16 седмици от одобрените чертежи, като инспекторът на собственика от трета страна присъства при рутинните изпитвания. След нашата бележка за пускане в експлоатация стъпалното съпротивително отопление беше препроведено за управление в два етапа и измереното намаляване на напрежението при превключване към резервния източник спадна от 3,9 % до 1,8 %. Тази промяна струва един контактор и два часа работа на електротехник.

 

Следваща стъпка

Ако преобразувате сграда, отоплявана с газ, изпратете четири неща: топлинната мощност за проектиран ден с приложената таблица на мощностите, номиналния ток и тока при заключено роторно положение на компресора, запазената топлинна мощност на сградата и температурата на външната среда около обвивката. Ние връщаме лист за размери с изчислена kVA, прогнозирано намаляване на напрежението, наличен ток при късо съединение и препоръка за коефициент K, обикновено в рамките на два работни дни.

Поискайте UL listed transformer supplier набора документи едновременно: доклад за рутинни изпитвания, справка за сертифициране според UL или CSA и изявление за толеранс на импеданса. Проверяващите от електроснабдителната компания изискват тези три документа, а тяхното предварително подготвяне ускорява одобрението за модернизация на електроснабдяването далеч повече, отколкото всяко преговаряне по цена.

За автора — Тази статия е написана от екипа по проектиране на трансформатори в Ryan Electric, производител, сертифициран от UL/CSA, и партньор в съвместно начинание с Eaton, базиран в Цзянсу, Китай, който доставя сухи, маслени и монтирани на платформа трансформатори за проекти в центрове за обработка на данни, системи за съхранение на енергия, възобновяеми енергийни източници, здравни заведения и електроенергийни мрежи в Северна Америка, Близкия изток, Югоизточна Азия и Африка.