ترانسفورماتور برای الکتریفیکاسیون پمپ حرارتی: اندازه‌گیری بازسازی‌های تجاری برای جریان ورودی ناگهانی و اوج زمستانی

یک محوطه مدرسه در جنوب انتاریو در تابستان ۲۰۲۶ دیگ‌های گازی خود را حذف کرد و آن‌ها را با ۴۲۰ کیلووات پمپ حرارتی منبع هوا جایگزین نمود. مهندس مکانیک ظرفیت کمپرسورها را به‌درستی محاسبه کرد. با این حال، بسته برقی همچنان در اولین صبح سرد شکست خورد: راه‌اندازی کمپرسور اصلی جریان اصلی ۱۲۰۰ آمپری را به ۳۹۸ ولت کاهش داد و دو درایو فرکانس متغیر روی سقف به دلیل کاهش ولتاژ قطع شدند، پیش از اینکه مرحله دوم حتی فعال شود. ترانسفورماتور برای الکتریفیکاسیون پمپ حرارتی معمولاً مورد بحث قرار نمی‌گیرد و این دقیقاً دلیل آن است که در بازسازی‌ها اغلب کم‌ظرفیت تعیین می‌شود.

 

بازسازی‌های الکتریفیکاسیون فرضیات مربوط به ترانسفورماتور را نقض می‌کنند

یک دیگ گازی و یک پمپ حرارتی مقدار یکسانی گرما تأمین می‌کنند. در یک نقشه برقی هیچ شباهتی به یکدیگر ندارند. دیگ تنها چند صد وات برای یک پمپ گردش‌دهنده و یک کنترل‌کننده مشعل مصرف می‌کند. اما پمپ حرارتی صدها کیلووات را از طریق کمپرسورهای موتوری دربسته مصرف می‌کند و آن را در قالب بلوک‌هایی مصرف می‌کند: روشن‌شدن، افزایش ظرفیت، دورهٔ ذوب یخ و کاهش ظرفیت.

سرویس‌های موجود بر اساس اوج بار سرمایشی تابستانی و بار روشنایی تقسیم‌شده طراحی شده‌اند. اجرای یک ارتقاء سیستم گرمایشی اوج بار را به صبح زمستانی منتقل می‌کند، زمانی که بار روشنایی و بار پریزها نیز نزدیک به حداکثر است، و بار حرارتی را به بار موتوری تبدیل می‌کند. این جاست که ترانسفورماتور برای الکتریفیکاسیون پمپ حرارتی تصمیم واقعاً آغاز می‌شود، نه در جدول انتخاب کمپرسور.

تغییر سومی وجود دارد که محاسبات بار معمولاً از قلم می‌اندازند. محاسبهٔ اولیهٔ خدمات، ضرایب تقاضا را بر اساس تأیید شرکت توزیع برق برای ساختمانی با گرمایش گازی انجام داده است؛ ساختمانی که اوج بار زمستانی کوتاهی دارد و محتوای موتوری پایینی. به‌کارگیری مجدد همین فرضیه‌های تنوع برای نیروگاه پمپ حرارتی، بار را کم‌تخمین می‌زند؛ زیرا کمپرسورهای مرحله‌ای به‌همان شیوه‌ای که بارهای پریز و روشنایی تنوع نمی‌یابند، تنوع ایجاد نمی‌کنند.

 

محاسبهٔ بار: آنچه پمپ‌های حرارتی واقعاً از شبکهٔ برق می‌خواهند

با ظرفیت روز طراحی شروع کنید، نه ظرفیت نام‌پلاک. یک نیروگاه منبع هوایی اسمی ۴۲۰ کیلوواتی در جنوب انتاریو ممکن است در دمای ۳/۸ درجهٔ سانتی‌گراد، ۴۲۰ کیلووات تأمین کند و در شرایط طراحی ۱۵- درجهٔ سانتی‌گراد تنها حدود ۶۸ درصد آن را تأمین نماید. جداول ظرفیت منتشرشده افت ظرفیت را نشان می‌دهند؛ اما آنچه را که کمتر به‌وضوح نشان می‌دهند این است که مصرف الکتریکی در همان زمان افزایش می‌یابد، زیرا ضریب عملکرد (COP) از تقریباً ۴/۳ به ۸/۱ کاهش می‌یابد.

این محاسبات مربوط به پردیس فوق است که برای یک بازسازی تجاری متوسط در ولتاژ ۴۸۰ ولت نمونه‌ای رایج است:

• پمپ‌های حرارتی، ۲ ماژول × ۲۱۰ کیلووات: ۲۳۳ کیلووات الکتریکی در دمای ۱۵- درجهٔ سانتی‌گراد، ضریب عملکرد ۸/۱
• پمپ‌های گردشی، ۴ عدد با سرعت ثابت: ۲۲ کیلووات، پیوسته
• سیستم‌های کنترل و BMS: ۴ کیلووات، پیوسته
• سیستم پشتیبان مقاومتی، ۴ مرحله‌ای: ۱۲۰ کیلووات، فقط در دماهای پایین‌تر از دمای طراحی
• مجموع بار الکتریکی طراحی: ۳۷۹ کیلووات، معادل تقریبی ۴۰۷ کیلوولت‌آمپر در ضریب توان ۰٫۹۳

 

 

آن ۴۰۷ کیلوولت‌آمپر بار واقعی است. این عدد اندازه ترانسفورماتور را نشان نمی‌دهد. فاصله بین این دو عدد جایی است که بودجه‌های بازسازی (Retrofit) در هر دو جهت دچار خطا می‌شوند، و بخش بعدی درباره پُر کردن این شکاف بدون خرید ۴۰ درصد مس اضافی‌ست که ساختمان هرگز از آن استفاده نخواهد کرد.

 

تعیین اندازه ترانسفورماتور برای الکتریکی‌سازی پمپ‌های حرارتی

مقاله ۴۴۰ NEC مدارهای موتور-فشرده‌کننده را تنظیم می‌کند و برای فشرده‌کننده‌های مهرشده سیال خنک‌کننده، جریان بار اسمی (Rated-load current) را در مقابل جریان صفحه مشخصات (Nameplate current) الزامی می‌داند. با این حال، محاسبه کل بار فیدر و سرویس همچنان از طریق مقاله ۲۲۰ انجام می‌شود و NFPA 70 متنی است که بازرس شما در عمل مطالعه خواهد کرد. از نظر کاربردی: اندازه ترانسفورماتور را بر اساس بار محاسبه‌شده‌ای تعیین کنید که شامل جریان‌های بار اسمی فشرده‌کننده‌ها، گرمایش پشتیبان مرحله‌ای و ... جریان ورودی اولیه که راه‌اندازی این فشرده‌کننده‌ها ایجاد می‌کند و بار ساختمان که به‌صورت پیوسته متصل باقی می‌ماند.

در مورد انتاریو، بار ساختمان پس از حذف دیگ‌ها ۵۲۰ کیلوولت‌آمپر بود. جمع کل ۹۲۷ کیلوولت‌آمپر شد. واحد موجود با ظرفیت ۷۵۰ کیلوولت‌آمپر که روی زمین نصب شده بود، در روزهای اوج تابستانی قبلاً تقریباً در ۹۸ درصد ظرفیت خود کار می‌کرد؛ بنابراین استفاده مجدد از آن امکان‌پذیر نبود. ما ترانسفورماتوری با ظرفیت ۱۵۰۰ کیلوولت‌آمپر، ولتاژ ورودی ۱۳٫۸ کیلوولت (مثلثی) و خروجی ۴۸۰Y/۲۷۷ ولت، با امپدانس ۵٫۷۵ درصد مشخص کردیم که بزرگترین اندازهٔ استاندارد بعدی است و حدود ۳۵ درصد ظرفیت اضافی برای مرحلهٔ دوم همین برنامه فراهم می‌کند.

سه عدد به‌طور مستقیم پس از این جمله آمده‌اند و هر یک از آن‌ها بر تجهیزات سخت‌افزاری پایین‌دست تأثیر می‌گذارد. جریان اولیه ۶۲٫۸ آمپر است. جریان نامی ثانویه ۱۸۰۴ آمپر است. جریان اتصال کوتاه قابل‌دسترس در ترمینال‌های ثانویه تقریباً ۳۱ کیلوآمپر است و این مقدار تعیین‌کنندهٔ این است که تابلوی برق را با ظرفیت تحمل اتصال کوتاه ۴۲ کیلوآمپر یا ۶۵ کیلوآمپر سفارش دهیم. همچنین این عددی است که پیمانکاران اغلب فراموش می‌کنند آن را درخواست کنند.

یک هشدار دربارهٔ باردهی: یک ترانسفورماتور نوع خشک توانایی تحمل بار اضافی طولانی‌مدت را مانند ترانسفورماتورهای پر شده با روغن ندارد. IEEE C57.12.01 رتبه‌بندی ترانسفورماتورهای خشک بر اساس دمای محیطی متوسط ۳۰ درجه سانتی‌گراد و حداکثر ۴۰ درجه سانتی‌گراد است؛ و در ماه جولای، دمای محیط در محفظه‌های روی سقف معمولاً بسیار بالاتر از این مقادیر است. کارکرد ترانسفورماتور خشک در ۱۰۰ درصد ظرفیت اسمی درون محفظه‌ای با دمای ۵۰ درجه سانتی‌گراد، تصمیمی درباره طول عمر دستگاه است که به شکلی محافظه‌کارانه ارائه شده است.

 

جریان راه‌اندازی اولیه و افت ولتاژ: جایی که نصب‌های اصلاحی معمولاً شکست می‌خورند

افت ولتاژ ناشی از راه‌اندازی موتور در عرض ترانسفورماتور تقریباً برابر است با تقسیم kVA راه‌اندازی بر kVA ترانسفورماتور، ضرب‌در درصد امپدانس. یک فشرده‌کننده ۹۰ کیلوواتی با جریان نامی ۱۴۰ آمپر و جریان قفل‌شده‌ای معادل ۶ برابر جریان نامی، در ولتاژ ۴۸۰ ولت جریانی حدود ۸۴۰ آمپر مصرف می‌کند که معادل تقاضای راه‌اندازی ۶۹۸ kVA است. این مقدار در عرض ترانسفورماتوری با ظرفیت ۱۵۰۰ kVA و امپدانس ۵٫۷۵ درصد، منجر به افتی تقریبی ۲٫۷ درصد می‌شود که به‌راحتی در محدوده ۱۰ درصدی قابل قبول توسط اکثر شرکت‌های توزیع انرژی در نقطه تأمین قرار می‌گیرد.

تранسفورماتور را به ظرفیت ۱۰۰۰ کیلوولت‌آمپر کوچک‌تر کنید؛ در این حالت، همان کمپرسور باعث افت ولتاژ ۴٫۰ درصدی می‌شود. اکنون دو کمپرسور را تحت یک دستور مرحله‌بندی (staging) قرار دهید و افت ولتاژ برای کسری از ثانیه دو برابر می‌شود — این دقیقاً شرایطی است که درایوهای فرکانس متغیر (VFD) را قطع کرده و سیستم‌های کنترل را ریست می‌کند. رویه‌های ارتقاء ارزان‌قیمت (retrofit) دقیقاً چنین رفتاری را از خود نشان می‌دهند، زیرا منطق مرحله‌بندی توسط پیمانکار مکانیکی نوشته می‌شود و از سوی هیچ‌کس در بخش برقی بررسی نمی‌گردد.

جریان ورودی اولیه جریان جذب‌شده در لحظه روشن‌شدن (at energization) پدیده‌ای جداگانه و بزرگ‌تر است. یک ترانسفورماتور سرد ۱۵۰۰ کیلوولت‌آمپری ممکن است در اولین ۰٫۱ ثانیه، جریانی معادل ۸ تا ۱۲ برابر جریان نامی خود را بکشد؛ که در ولتاژ ۴۸۰ ولت، این مقدار معادل ۱۴۰۰۰ تا ۲۱۰۰۰ آمپر است. اگر تنظیم لحظه‌ای (instantaneous setting) قطع‌کننده اصلی را در مقدار پیش‌فرض کارخانه نگه دارید، روز راه‌اندازی با یک قطع غیرضروری آغاز می‌شود و سپس بحثی دربارهٔ اینکه آیا ترانسفورماتور معیوب است یا خیر، پیش می‌آید.

این بخشی از بسته‌بندی است که خریداران معمولاً در پیش‌فاکتورها آن را نمی‌بینند. هر واحدی که ما برای نصب مجدد (رترو فیت) ارسال می‌کنیم، همراه با گزارش آزمون روتین، یک «پوشش جریان ورودی محاسبه‌شده» ضمیمه می‌شود تا پیمانکار بتواند زمان تأخیر کوتاه‌مدت را تنظیم کند یا بسته‌شدن مدار را در لحظهٔ مشخصی از موج (point-on-wave closing) تعیین کند—پیش از اینکه کامیون به مقصد برسد. در یک پروژهٔ مدارس ورمانت، مشخصات الکتریکی جریان قفل‌شدهٔ روتور (locked-rotor amps) برای فشرده‌کننده‌ها ذکر شده بود، اما برگه‌های فنی ارائه‌شده تنها جریان در حالت بار اسمی (rated-load amps) را گزارش کرده بودند. بازبینی اسناد ارائه‌شده، ناسازگانی را سه هفته قبل از تحویل—و نه در ساعت ۶ صبح یک روز ژانویه در زمان راه‌اندازی اولیه—آشکار کرد.

 

همگن‌ها (هارمونیک‌ها) ناشی از فشرده‌کننده‌های اینورتری و تأثیر آن‌ها بر سیم‌پیچ

فشرده‌کننده‌های اینورتری از نوع اسکرول و پیچی (اسکرو)، رفتاری شبیه موتورهای متصل مستقیم به شبکه (across-the-line) ندارند. ورودی آن‌ها جریان غیرسینوسی می‌کشد که معمولاً در بار جزئی، میزان کل اعوجاج جریان هارمونیک بین ۲۵ تا ۴۰ درصد است؛ این طیف هارمونیکی در سیم‌پیچ به‌صورت افزایش تلفات جریان گردابی و گرمایش موضعی ظاهر می‌شود. الف ترانسفورماتور نوع خشک دستگاهی که تنها بر اساس کیلوولت‌آمپر انتخاب شده باشد، در دقیقاً همان ساعاتی که ظرفیت نیروگاه به ۳۰ درصد می‌رسد، بیشتر از آنچه روی پلاک نامی آن درج شده است گرم می‌شود.

دو راه‌حل عملی وجود دارد: اول، تخصیص یک دستگاه با رتبه‌بندی K، یعنی K-۴ در مواردی که تعداد کمی درایو وجود دارد و K-۱۳ در مواردی که واحدهای خارجی VRF یا بسته‌های بزرگ VFD غالب هستند؛ و دوم، کاهش ظرفیت دستگاه معمولی با استفاده از روش ضریب تلفات هارمونیک. هر دو روش معتبر هستند؛ اما صرف‌نظر کردن از این سؤال غیرقابل قبول است، به‌ویژه در سیستم‌های VRF که بیست واحد کوچک اینورتر در یک نقطه توزیع مشترک، اعوجاج خود را جمع می‌کنند.

اثر ثانویه، عامل توان پیش‌فاز در بار سبک است. خازن‌های لینک مستقیم (DC-link) در زمانی که نیروگاه در روزی ملایم با ظرفیت ۲۰ درصدی در حالت بیکاری قرار دارد، جریان را پیش از ولتاژ هل می‌دهند؛ بنابراین یک ترانسفورماتور برای الکتریفیکاسیون پمپ حرارتی دستگاه که برای عامل توان ۰٫۹۳ پس‌فاز مشخص شده است، اکنون با عامل توان ۰٫۸۵ پیش‌فاز کار می‌کند. هیچ قطعه‌ای بلافاصله از کار نمی‌افتد، اما سیستم‌های اندازه‌گیری برق شرکت تأمین‌کننده، بانک‌های خازنی و کنترل‌های موازی‌سازی ژنراتور رفتارهای غیرعادی از خود نشان می‌دهند. پیش از آنکه مهندس شرکت تأمین‌کننده این موضوع را در طی یک خواندن کنتور کشف کند، به او اطلاع دهید.

 

آب‌وهوای سرد، گرمایش پشتیبان و مسئلهٔ مرحله‌بندی

زیر دمای ۱۲- درجه سانتی‌گراد، واحدهای معمولی منبع هوایی ۵۵ تا ۶۵ درصد از ظرفیت اسمی خود را تأمین می‌کنند. واحدهای سازگان‌یافته با آب‌وهوای سرد، ۷۰ تا ۸۰ درصد از ظرفیت اسمی را حفظ می‌کنند و ضریب عملکرد (COP) را نزدیک به ۱٫۸ نگه می‌دارند. هر فاصله‌ای که وجود داشته باشد، با گرمای مقاومتی پر می‌شود و این گرما به‌صورت افزایش‌های گام‌به‌گام بار وارد می‌شود. یک بانک پشتیبان ۱۲۰ کیلوواتی که در چهار گام ۳۰ کیلوواتی مرحله‌بندی شده است، در هر گام ۳۶ آمپر جریان اضافی در ولتاژ ۴۸۰ ولت ایجاد می‌کند. به‌تنهایی این مقدار چیز چشمگیری نیست؛ اما فعال‌شدن همهٔ چهار گام در یک فراخوان، تغییر ناگهانی ۱۲۰ کیلوواتی در زمانی کمتر از یک ثانیه ایجاد می‌کند و ترانسفورماتوری که دقیقاً بر اساس بار محاسبه‌شده طراحی شده است، پاسخی برای این وضعیت ندارد.

دورهٔ ذوب یخ نقطهٔ اوج پنهان است. در روش ذوب یخ با معکوس‌سازی چرخه، گرما از حلقهٔ ساختمان گرفته می‌شود در حالی که کمپرسورها همچنان در حال کار هستند؛ و یک نیروگاه با هشت ماژول می‌تواند در صبحی مرطوب و ۲ درجه‌ای به‌صورت متوالی ذوب یخ انجام دهد. طراحی را بر اساس حالت همزمان ذوب یخ انجام دهید، نه بر اساس جدول ظرفیت در حالت پایدار، و جریان راه‌اندازی (inrush current) پس از توقف و راه‌اندازی مجدد را نیز در همین محاسبه لحاظ کنید.

پوشش و محیط اطراف نیازمند توجه بیشتری هستند تا آنچه که معمولاً در مشخصات مربوط به آب‌وهوای سرد در نظر گرفته می‌شود. ایجاد رطوبت روی پیچش خشک غیرفعال در دمای ۲۵- درجه سانتی‌گراد، همراه با افزایش سریع بار در صبح روز بعد، واقعاً می‌تواند منجر به خرابی شود؛ بنابراین استفاده از گرم‌کننده‌های فضایی و ترموستاتی که به‌درستی کار می‌کند، اختیاری نیست. برای ترانسفورماتورهای روی پایه با روغن در همان آب‌وهوای سرد، نقطه ریزش مایع و ویسکوزیته در زمان راه‌اندازی در دمای پایین باید در بخش اصلی مشخصات ذکر شوند، نه در یادداشت پایین صفحه.

 

از مشخصات تا ارسال: آنچه ما می‌سازیم و آنچه ما آزمایش می‌کنیم

رایان الکتریک یک تامین‌کنندگان ترانسفورماتورهای فهرست‌شده توسط UL شرکتی است که ترانسفورماتورهایی با ظرفیت ۱۵۰۰ کیلوولت‌آمپر از این دست را در یک مجتمع تولیدی به مساحت ۱۲۰۰۰۰ مترمربع در جیانگسو ساخته و به‌کار می‌برد؛ این مجتمع مجهز به بیش از ۱۸۰ ست تجهیزات تولیدی و آزمایشی و دارای ۳۷ اختراع ثبت‌شده است. از سال ۲۰۲۳، ما به‌عنوان شریک مشترک اتن (Eaton) فعالیت می‌کنیم و از همان استانداردهای دقیق در زمینه تلفات و امپدانس که سازندگان اصلی تجهیزات برقی در آمریکای شمالی رعایت می‌کنند، پیروی می‌کنیم؛ همچنین داده‌های آزمایش‌های دوره‌ای را منتشر می‌کنیم، نه اینکه آنها را خلاصه کنیم.

هر واحد، دنبالهٔ معمولی استاندارد آی‌ای‌ای‌ای (IEEE) C57.12.90 را اجرا می‌کند: مقاومت سیم‌پیچ، نسبت تبدیل، قطبیت، تلفات بدون بار، تلفات باردار، امپدانس، ولتاژ اعمال‌شده و ولتاژ القایی، علاوه بر آزمون نوع افزایش دما روی طراحی. مقدار امپدانس در محدودهٔ ±۷٫۵ درصد از مقدار مشخص‌شده نگه داشته می‌شود؛ این موضوع زمانی اهمیت پیدا می‌کند که شرکت توزیع برق جریان اتصال‌کوتاه را پیش از تصویب ارتقای سرویس بررسی می‌کند. همین بررسی دلیل آن است که ترانسفورماتور نوع خشک پیش‌فاکتور باید امپدانس را به‌صورت صریح ذکر کند و نه اینکه آن را به مقدار پیش‌فرض کارخانه واگذار کند.

گواهی‌نامه جایی است که یک تامین‌کنندگان ترانسفورماتورهای فهرست‌شده توسط UL یا مستندات لازم را دارد یا ندارد. UL 1561 برای واحدهای خشک‌نوع عمومی، CSA C22.2 No. 66 برای کانادا، و cULus در مواردی که هر دو بازار اعمال می‌شود. در پردیس انتاریو، شرکت توزیع برق نیاز داشت که نشان CSA روی پلاک نام واضح باشد و گزارش آزمون قابل ردیابی به شمارهٔ سریال باشد. هر دو مورد در پاکت حمل و نقل موجود بود و بازرسی در اولین بازدید موفقیت‌آمیز بود.

 

 

تحویل در طول ۱۶ هفته از زمان تأیید نقشه‌ها انجام شد، و بازرس مستقل سوم مالک حین انجام آزمون‌های معمول حضور داشت. پس از یادداشت راه‌اندازی ما، مقاومت حرارتی مرحله‌ای مجدداً به کنترل دو مرحله‌ای بازآرایی شد و افت ولتاژ سرویس اندازه‌گیری‌شده در هنگام فعال‌سازی پشتیبان از ۳٫۹٪ به ۱٫۸٪ کاهش یافت. این تغییر شامل خرید یک کنتاکتور و دو ساعت زمان الکتریسیان بود.

 

مرحلهٔ بعدی

اگر ساختمانی را که با گاز گرم‌شده است تبدیل می‌کنید، چهار مورد را ارسال کنید: بار گرمایشی روز طراحی‌شده همراه با جدول ظرفیت پشت سر آن، جریان نامی و جریان قفل‌شده کمپرسور، بار باقی‌مانده ساختمان و دمای محیط پوشش ساختمان. ما در عرض دو روز کاری، برگه‌ای برای تعیین اندازه‌گیری ارسال می‌کنیم که شامل kVA محاسبه‌شده، افت ولتاژ پیش‌بینی‌شده، جریان اتصال کوتاه قابل‌دسترس و توصیه‌ای برای ضریب K است.

درخواست تامین‌کنندگان ترانسفورماتورهای فهرست‌شده توسط UL مجموعه اسناد را همزمان بدهید: گزارش آزمون‌های معمول، مرجع لیست‌شدن UL یا CSA و بیانیه تحمل امپدانس. بازرسان شرکت توزیع برق این سه مورد را درخواست می‌کنند و آماده‌بودن آن‌ها فرآیند تأیید ارتقاء سرویس را بسیار بیشتر از هر مذاکره‌ای درباره قیمت کوتاه می‌کند.

درباره نویسنده — این مقاله توسط تیم مهندسی ترانسفورماتور شرکت رایان الکتریک نوشته شده است، یک سازندهٔ دارای گواهینامهٔ UL/CSA و شریک مشترک اتون در جیانگسو، چین، که ترانسفورماتورهای خشک، روغنی و پد-مونت را برای پروژه‌های مراکز داده، ذخیره‌سازی انرژی، انرژی‌های تجدیدپذیر، مراقبت‌های بهداشتی و برق‌رسانی در آمریکای شمالی، خاورمیانه، جنوب شرق آسیا و آفریقا عرضه می‌کند.