Hőszivattyús elektromosítás transzformátora: Kereskedelmi utólagos felszerelések méretezése bekapcsolási áramra és téli csúcsra

Egy iskolatábor déli Ontarióban 2026 nyarán eltávolította gázkazánjait, és levegő-víz hőszivattyúkkal cserélte le őket, összesen 420 kW teljesítménnyel. A gépészmérnök helyesen méretezte a kompresszorokat. Az elektromos rendszer mégis meghibásodott az első hideg reggelen: a vezető kompresszor indítása a 1200 A-es főáramkört 398 V-ra csökkentette, és két tetőn elhelyezett frekvenciaváltó (VFD) alulfeszültség miatt lekapcsolt, mielőtt a második fokozat bekapcsolhatott volna. A hőszivattyús elektromos átalakításhoz szükséges transzformátor ritkán az a tétel, amelyről vita támad egy felújítási tervrajzon – éppen ezért végül gyakran alulméretezett.

 

Az elektromos átalakítások megszüntetik a transzformátorokra vonatkozó feltételezéseket

Egy gázkazán és egy hőszivattyú ugyanannyi hőt szolgáltat. Egy elektromos rajzon semmi közösük nincs. A kazán néhány száz wattot vett fel egy cirkulációs szivattyú és egy égővezérlő működtetéséhez. A hőszivattyú száz kilowattot húz hermetikus motor-kompresszorain keresztül, és ezt blokkokban teszi: indítás, fokozatfelkapcsolás, olvadás, fokozatlekapcsolás.

A meglévő villamos hálózatot a nyári hűtési csúcs- és egy diverzifikált világítási terhelés alapján méretezték. Egy fűtési átalakítás a csúcsfogyasztást téli reggelre helyezi át, amikor a világítás és a dugaljterhelések is közel a maximumhoz érnek, és egy hőterhelést motoros terheléssé alakít át. Itt kezdődik valójában a hőszivattyús elektromos átalakításhoz szükséges transzformátor döntés, nem a kompresszorválasztási táblázatnál.

Van egy harmadik változás is, amelyet a terhelésszámítások rendszeresen figyelmen kívül hagynak. Az eredeti szolgáltatási számítás a villamosenergia-szolgáltató által egy gázzal fűtött épületre jóváhagyott terhelési tényezőket alkalmazta, amelynek rövid télis csúcsa és alacsony motoros terhelése van. Ugyanezeknek a diverzitási feltételezéseknek a újrafelhasználása egy hőszivattyús berendezésre alábecsüli a terhelést, mert a fokozatosan kapcsolódó kompresszorok nem diverzifikálódnak ugyanúgy, mint a dugalj- és világítási terhelések.

 

A terhelésszámítás: Mit igényelnek valójában a hőszivattyúk a szolgáltatástól

Induljon ki a tervezési napi teljesítményből, soha ne a névleges teljesítményből. Egy névlegesen 420 kW-os levegő-víz hőszivattyús rendszer déli Ontarióban akár 420 kW-ot is szolgáltathat 8,3 °C-on, de csak kb. a 68%-át a –15 °C-os tervezési hőmérsékleten. A közzétett teljesítménytáblázatok mutatják ezt a csökkenést; kevésbé egyértelmű azonban, hogy ugyanakkor az elektromos bemeneti teljesítmény nő, mert a COP értéke kb. 3,4-ről 1,8-ra csökken.

Itt az aritmetika a fent említett kampuszról, amely tipikus egy közepes méretű kereskedelmi felújításra 480 V-on:

• Hőszivattyúk, 2 modul × 210 kW: 233 kW elektromos teljesítmény –15 °C-on, COP 1,8
• Keringető szivattyúk, 4 darab állandó fordulatszámú: 22 kW, folyamatos üzemmód
• Szabályozók és BMS: 4 kW, folyamatos üzemmód
• Ellenállásos tartalékfűtés, 4 fokozat: 120 kW, kizárólag a tervezési hőmérséklet alatt
• Tervezési összes elektromos teljesítmény: 379 kW, kb. 407 kVA 0,93 teljesítménytényező mellett

 

 

Ez a 407 kVA a terhelés. Nem a transzformátor mérete. A két szám közötti különbség az, ahol a felújítási költségvetések mindkét irányban eltérnek, és a következő szakasz arról szól, hogyan zárjuk ezt a rést anélkül, hogy 40%-kal több rézvezetéket vásárolnánk, mint amennyit az épület valaha is használna.

 

Transzformátor méretezése hőszivattyús villamosításhoz

A NEC 440. cikke a motoros kompresszorköröket szabályozza, és hermetikusan zárt hűtőközeg-kompresszorok esetén a névleges terhelési áramot (nem a névplátékos áramot) írja elő. A tápláló vezetékek és a szolgáltatási összegek továbbra is a 220. cikk alapján számíthatók ki, és NFPA 70 ez az a szöveg, amelyet az ellenőr valójában el fog olvasni. Gyakorlatilag: a transzformátor méretét olyan számított terhelésből kell meghatározni, amely tartalmazza a kompresszorok névleges terhelési áramait, a fokozatos tartalékfűtést, a bekapcsolási áram amelyet ezek a kompresszorok indítása okoz, valamint a továbbra is csatlakoztatva maradó épületi terhelés.

Az ontariói esetben a kazán eltávolítása után megmaradt épületi terhelés 520 kVA volt. Az összterhelés 927 kVA-ra jött ki. A meglévő 750 kVA-os padmount egység már nyári csúcsidőszakban is 98%-os terheléssel működött, így újrahasznosítása nem jöhetett szóba. 1500 kVA, 13,8 kV delta–480Y/277 V, 5,75% belső impedancia értékű transzformátort adtunk meg, amely a következő szabványos méret, és körülbelül 35%-os tartalékot biztosít ugyanennek a programnak egy második fázisához.

Három szám következik közvetlenül, és mindegyik befolyásolja a lefelé irányuló felszereléseket. A primer áram 62,8 A. A szekunder névleges áram 1804 A. A szekunder oldali rövidzárási áram a kivezetéseknél körülbelül 31 kA, és ez az érték dönti el, hogy a kapcsolóberendezést 42 kA vagy 65 kA névleges rövidzárási áramra rendeljük-e. Ez az érték az is, amelyet a kivitelezők leggyakrabban elfelejtenek kérni.

Egy figyelmeztetés a terhelésre vonatkozóan. Egy száraz típusú transzformátor nem bírja el a hosszantartó túlterhelést úgy, mint egy olajjal töltött egység. IEEE C57.12.01 a száraz típusú készülékek névleges teljesítményét 30 °C átlaghőmérsékletre és 40 °C maximális környezeti hőmérsékletre alapozzák, és egy júliusi tetőtéri burkolat könnyen meghaladja ezt az értéket. Egy száraz típusú készülék 100%-os névleges teljesítményen történő üzemeltetése 50 °C-os burkolatban egy szolgáltatási élettartamra vonatkozó döntés, amelyet konzervatívnak tüntetnek fel.

 

Bekapcsolási áram és feszültségcsökkenés: ahol a visszatelepítések általában kudarcot vallanak

A transzformátoron keresztüli motorindításkor fellépő feszültségcsökkenés közelítőleg egyenlő a motor indítási kVA-értékének és a transzformátor kVA-értékének hányadosával, szorozva a transzformátor impedanciájának százalékos értékével. Egy 90 kW-os kompresszor, amelynek névleges terhelési árama 140 A, és zárt forgórész-árama a névleges érték hatszorosa, kb. 840 A-t vesz fel 480 V-on, ami kb. 698 kVA indítási igényt jelent. Egy 1500 kVA-os transzformátoron, amelynek impedanciája 5,75 %, ez kb. 2,7 %-os feszültségcsökkenést eredményez, ami jól belefér a legtöbb közüzemi szolgáltató által a szolgáltatási ponton megengedett 10 %-ba.

Csökkentse a transzformátort 1000 kVA-ra, és ugyanaz a kompresszor 4,0 %-os feszültségesést okoz. Most kapcsoljon be két kompresszort ugyanazzal a fokozatbeállítási parancsal, és az esés másodperc tört része alatt megkétszereződik – ez az állapot aktiválja a VFD-ket és újraindítja a vezérlőket. A olcsó utólagos felszerelési sorrendek pontosan ezt teszik, mert a fokozatbeállítási logikát a gépészeti kivitelező írja, és senki sem ellenőrzi az elektromos oldalon.

Bekapcsolási áram a bekapcsoláskor fellépő áramfelvétel külön, nagyobb esemény. Egy hideg 1500 kVA-os egység az első 0,1 másodpercben a névleges áram 8–12-szeresét veszi fel, ami 480 V-on 14 000–21 000 A-t jelent. Ha a fő megszakító azonnali beállítását a gyári alapértelmezés szerint hagyja, akkor a üzembe helyezés napján egy zavaró megszakítás következik be, majd vita alakul ki arról, hogy a transzformátor hibás-e.

Ez a csomag része, amit a vásárlók ritkán látnak egy árajánlatban. Minden egység, amelyet utólagos felszerelésre szállítunk, a rutin tesztjelentéshez csatolt, kiszámított bekapcsolási áramgörbével hagyja el a gyártót, így a kivitelező beállíthatja a rövid idejű késleltetést vagy megadhatja a hullámforma adott pontján történő zárását még a teherautó érkezése előtt. Egy Vermont állambeli iskolai projektben az elektromos műszaki leírásban a kompresszorok zárt forgórész-áramai szerepeltek, de a benyújtott adatlapon csak a névleges terhelési áramok voltak megadva. A benyújtott dokumentumok felülvizsgálata három héttel a szállítás előtt észlelte a nem egyezést, nem pedig január elsején, reggel hat órakor, a rendszer indításakor.

 

Inverteres kompresszorokból származó harmonikusok és hatásuk a tekercselésre

Az inverteres vezérelt spirál- és csavaros kompresszorok nem úgy viselkednek, mint a közvetlen hálózati kapcsolású motorok. Előoldaluk nem szinuszos áramot vesz fel, általában 25–40 százalékos összes harmonikus áramtorzulással részterhelésnél, és ez a spektrum további örvényáram-veszteséget és helyi melegedést okoz a tekercselésben. száraz típusú transzformátor a kVA érték alapján kiválasztott készülék forróbb lesz, mint amit a névleges adatlapja sugall, éppen akkor, amikor a gyár 30%-os terheléssel üzemel.

Két működőképes megoldás létezik. Megadhatunk egy K-értékkel jelölt egységet: K-4-et, ha csak néhány frekvenciaváltó van jelen, illetve K-13-at, ha VRF kültéri egységek vagy nagy teljesítményű VFD-csomagok dominálnak; vagy lecsökkenthetjük a hagyományos egység névleges teljesítményét a harmonikus veszteségtényező módszerével. Mindkét megoldás elfogadható; azonban a kérdés figyelmen kívül hagyása nem az, különösen VRF-rendszerek esetében, ahol húsz kis inverteres egység ugyanazon elosztási ponton adja hozzá torzítását.

A másodlagos hatás a könnyű terhelésnél fellépő vezető teljesítménytényező. A DC-kapcsoló kondenzátorok áramot tolnak a feszültség elé, amikor a gyár enyhe időjárás mellett 20%-os terheléssel áll üresjáratban, így egy hőszivattyús elektromos átalakításhoz szükséges transzformátor 0,93-as, hátráló teljesítménytényezőre méretezett készülék 0,85-ös, vezető teljesítménytényezőn működik. Semmi sem megy tönkre azonnal, de a villamosenergia-szolgáltató mérőberendezései, a kondenzátorbankok és a generátorok párhuzamos kapcsolásának vezérlői furcsán kezdenek viselkedni. Értesítsük erről a villamosenergia-szolgáltató mérnökét, mielőtt ő maga észlelné a mérőóra leolvasásakor.

 

Hideg éghajlat, tartalékfűtés és a fokozatos indítás problémája

–12 °C alatt a szokásos levegőforrású egységek a névleges teljesítmény 55–65 százalékát adják le. A hideg éghajlati körülményekhez tervezett egységek 70–80 százalékot tartanak meg, és a COP értékük közel 1,8 marad. Bármekkora is a hiány, azt ellenállásos fűtés pótolja, és az ellenállásos fűtés terheléslépésekben érkezik. Egy 120 kW-os tartalék rendszer, amelyet négy darab 30 kW-os lépésben kapcsolnak be, 480 V feszültségnél lépésenként 36 A-t ad hozzá. Egyedileg ez semmi. Ha azonban mind a négy lépés egyetlen parancsra indul be, akkor kevesebb mint egy másodperc alatt 120 kW-os ugrás történik a terhelésben, és egy olyan transzformátor, amelyet pontosan a kiszámított terhelésre méreteztek, erre nem tud válaszolni.

A felolvasztás a rejtett csúcsfogyasztás. A fordított ciklusú felolvasztás közben a hőt a épület hőcserélő köréből vonják el, miközben a kompresszorok tovább működnek, és egy nyolc modulból álló rendszer páratlan 2 °C-os reggelen sorban tud felolvasztani. A tervezésnél a egyidejű felolvasztási esetet kell figyelembe venni, nem a folyamatos üzemi teljesítménytáblázatot, és a újraindítások bekapcsolási áramát is ugyanabba a számításba kell bevonni.

A burkolat és a környezeti feltételek több figyelmet érdemelnek, mint amennyit általában a hideg éghajlatra vonatkozó műszaki leírások szoktak szentelni nekik. A -25 °C-os hőmérsékleten kikapcsolt száraz típusú tekercsen keletkező kondenzvíz, majd egy gyors reggeli terhelésnövekedés valós hibamód; a fűtőellenállások és egy ténylegesen működő termosztát nem választható kiegészítők. Ugyanebben az éghajlati övezetben olajjal töltött talajra szerelhető transzformátorok esetében a folyadék fagyáspontja és a hidegindítási viszkozitás a műszaki leírásba tartozik, nem pedig egy lábjegyzetbe.

 

A műszaki leírástól a szállításig: Amiket gyártunk, és amiket tesztelünk

Ryan Electric egy UL-listázott transzformátor-szálító ryan Electric 1500 kVA-os osztályú egységeket gyárt ebben a Jiangsu tartománybeli, 120 000 m²-es létesítményben, ahol 180-nál több gyártási és vizsgálati berendezéspár és 37 szabadalom található. 2023 óta az Eaton közös vállalkozási partnere, ezért ugyanazt a veszteség- és impedancia-szabályozást alkalmazzuk, mint amit az észak-amerikai nagyobb OEM-gyártók használnak, és a rutin teszteredményeket összefoglalás helyett részletesen közzétesszük.

Minden egység az IEEE C57.12.90 szokásos vizsgasorozatát futtatja: tekercs-ellenállás, áttétel, polaritás, üresjárási veszteség, terheléses veszteség, impedancia, alkalmazott feszültség és indukált feszültség, valamint a tervezésre hőemelkedés típusú vizsgálat is elvégzésre kerül. Az impedancia értékét ±7,5 %-os tűréshatáron belül kell tartani a megadott értékhez képest, ami fontos szempont, amikor egy közművállalat a szolgáltatási bővítés jóváhagyása előtt rövidzárlati áramot vizsgál. E vizsgálat az is oka, hogy egy száraz típusú transzformátor ajánlatban az impedanciát kifejezetten meg kell adni, ne pedig a gyári alapértelmezésre bízni.

Tanúsításnál egy UL-listázott transzformátor-szálító vállalatnak vagy rendelkeznie kell a dokumentumokkal, vagy nem. Szárazfokozatú általános célú egységek esetén UL 1561, Kanadában CSA C22.2 No. 66, mindkét piacra vonatkozóan cULus. Az ontariói kampuszon a közművállalat a névleges táblán jól olvasható CSA-jelölést és a sorozatszámhoz nyomon követhető vizsgálati jelentést követelt. Mindkét dokumentum a szállítási borítékban volt, és az ellenőrzés az első látogatáskor sikeresen lezárult.

 

 

A szállítás 16 hetet vett igénybe az elfogadott rajzoktól kezdve, miközben a tulajdonos harmadik félként kijelölt ellenőre jelen volt a rutinpróbák során. A beüzemelési jegyzetünk után a fokozatos ellenállásos fűtést kétlépcsős vezérlésre átalakítottuk, és a mérhető üzemi feszültségcsökkenés a tartaléküzembe kapcsoláskor 3,9%-ról 1,8%-ra csökkent. Ez a módosítás egy érintkezőt és két óra villanyszerelő-munkaidejét igényelte.

 

Következő lépés

Ha gázzal fűtött épületet alakítanak át, küldjön négy dolgot: a tervezési napi fűtési terhelést a mögöttes teljesítménytáblázattal, a kompresszor névleges terhelési és reteszelt rótoráramát, az épület megtartott terhelését, valamint a burkolat környezeti hőmérsékletét. Mi egy méretezési lapot küldünk vissza, amely tartalmazza a kiszámított kVA-t, az előre jelzett feszültségcsökkenést, a rendelkezésre álló rövidzárási áramot és egy K-tényezőre vonatkozó ajánlást, általában két munkanapon belül.

Kérjen UL-listázott transzformátor-szálító dokumentumkészlet ugyanabban az időben: rutinpróba-jelentés, UL- vagy CSA-listázási hivatkozás, valamint impedancia-tűrést kimutató nyilatkozat. A közmű-ellenőrök ezeket a három dokumentumot kérik, és azok rendelkezésre állása sokkal jobban gyorsítja a szolgáltatási bővítés jóváhagyását, mint bármely áralku.

A szerzőről — Ezt a cikket a Ryan Electric transzformátor-mérnöki csapata írta, amely egy UL/CSS- és CSA-certifikált gyártó, valamint az Eaton közös vállalkozási partnere Kínában, Jiangsu tartományban, száraz típusú, olajtöltésű és pad-montált transzformátorokat szállít adatközpontoknak, energiatároló rendszereknek, megújuló energiaforrásoknak, egészségügyi létesítményeknek és közműprojekteknek Észak-Amerikában, a Közel-Keleten, Délkelet-Ázsiában és Afrikában.