Trasformatore per l'elettrificazione delle pompe di calore: dimensionamento degli interventi commerciali esistenti per la corrente di spunto e il picco invernale

Un campus scolastico nel sud dell'Ontario ha rimosso le proprie caldaie a gas nell'estate 2026 e le ha sostituite con pompe di calore ad aria da 420 kW. L'ingegnere meccanico ha dimensionato correttamente i compressori. Tuttavia, l'impianto elettrico ha comunque fallito nella prima mattina fredda: l'avviamento del compressore principale ha abbassato la corrente principale da 1.200 A a 398 V, e due inverter per tetti hanno subito un intervento per sottotensione ancor prima che entrasse in funzione il secondo stadio. Il trasformatore per l'elettrificazione delle pompe di calore è raramente la voce su cui si discute in un disegno di retrofit, ed è proprio per questo che finisce spesso sottospecificata.

 

I retrofit di elettrificazione invalidano le ipotesi sui trasformatori

Una caldaia a gas e una pompa di calore forniscono lo stesso calore. Su un disegno elettrico, però, non hanno nulla in comune. La caldaia assorbiva poche centinaia di watt per la pompa di circolazione e il comando del bruciatore; la pompa di calore assorbe invece centinaia di chilowatt attraverso motori-compressori ermetici, e li assorbe a blocchi: avviamento, aumento di potenza, sbrinamento, riduzione di potenza.

Le linee esistenti erano dimensionate in base al picco estivo di raffreddamento e a un carico di illuminazione diversificato. Un retrofit per il riscaldamento sposta il picco al mattino invernale, quando anche l’illuminazione e i carichi da prese sono prossimi al massimo, e trasforma un carico termico in un carico motore. È qui che inizia effettivamente la trasformatore per l'elettrificazione delle pompe di calore decisione, non alla tabella di selezione del compressore.

Esiste un terzo cambiamento che i calcoli del carico trascurano di routine. Il calcolo originale del servizio applicava fattori di contemporaneità approvati da un’azienda di distribuzione per un edificio riscaldato a gas, con il suo picco invernale breve e il basso contenuto di motori. Riapplicare quelle stesse ipotesi di diversificazione a un impianto a pompa di calore sottostima il carico, perché i compressori a stadi non si diversificano nello stesso modo dei carichi di prese e illuminazione.

 

La matematica del carico: cosa richiedono effettivamente le pompe di calore al servizio elettrico

Partire sempre dalla capacità prevista per il giorno di progetto, mai dalla capacità nominale riportata sulla targhetta. Un impianto a pompa di calore ad aria da 420 kW nominale nell’Ontario meridionale può erogare 420 kW a 8,3 °C e solo circa il 68 % di tale valore alla condizione di progetto di -15 °C. Le tabelle di capacità pubblicate indicano tale riduzione; ciò che mostrano meno chiaramente è che l’assorbimento elettrico aumenta contemporaneamente, poiché il COP scende da circa 3,4 a 1,8.

Ecco i calcoli relativi al campus sopra citato, tipici di un intervento di riqualificazione commerciale di medie dimensioni a 480 V:

• Pompe di calore, 2 moduli × 210 kW: 233 kW elettrici a -15 °C, COP 1,8
• Pompe di circolazione, 4 a velocità costante: 22 kW, continuo
• Comandi e sistema di gestione batterie (BMS): 4 kW, continuo
• Riscaldamento di riserva a resistenza, 4 stadi: 120 kW, attivo solo al di sotto della temperatura di progetto
• Potenza elettrica totale di progetto: 379 kW, circa 407 kVA con fattore di potenza pari a 0,93

 

 

Quei 407 kVA rappresentano il carico effettivo. Non corrispondono alla potenza del trasformatore. La differenza tra questi due valori è esattamente dove i budget per interventi di riqualificazione falliscono in entrambe le direzioni; la sezione successiva spiega come colmare tale divario senza acquistare il 40% in più di rame rispetto a quanto l’edificio utilizzerà mai.

 

Dimensionamento del trasformatore per l’elettrificazione con pompe di calore

L’articolo 440 del NEC disciplina i circuiti motore-compressore e richiede la corrente a carico nominale anziché la corrente indicata sulla targhetta per i compressori ermetici a refrigerante. I totali per alimentatori e servizi seguono comunque l’articolo 220, e NFPA 70 è il testo che l’ispettore leggerà effettivamente. In pratica: dimensionare la potenza del trasformatore partendo da un carico calcolato che includa le correnti a carico nominale dei compressori, il riscaldamento di riserva a stadi, il corrente di inrush che genera l’avviamento di quei compressori e il carico dell’edificio che rimane collegato.

Nel caso dell’Ontario, il carico dell’edificio conservato dopo la rimozione delle caldaie era di 520 kVA. Il totale è risultato pari a 927 kVA. L’unità esistente da 750 kVA montata su basamento era già in funzione al 98 % circa nelle giornate estive di picco, quindi il suo riutilizzo non era contemplabile. Abbiamo specificato un trasformatore da 1.500 kVA, 13,8 kV triangolo / 480Y/277 V, impedenza del 5,75 %: si tratta della successiva dimensione standard, che lascia una riserva di potenza di circa il 35 % per una seconda fase dello stesso programma.

Seguono direttamente tre valori, ciascuno dei quali influenza le apparecchiature a valle. La corrente primaria è di 62,8 A. La corrente secondaria a pieno carico è di 1.804 A. La corrente di cortocircuito secondaria disponibile ai morsetti è di circa 31 kA; questo valore determina se l’apparecchiatura di interruzione venga ordinata con potere di interruzione di 42 kA o di 65 kA. È inoltre il dato che gli appaltatori dimenticano più spesso di richiedere.

Un avvertimento relativo al sovraccarico. trasformatore a secco non sopporta sovraccarichi prolungati come invece fa un’unità immersa in olio. IEEE C57.12.01 le classi di potenza dei trasformatori a secco si basano su una temperatura ambiente media di 30 °C e massima di 40 °C; tuttavia, un involucro installato sul tetto nel mese di luglio supera agevolmente tali valori. Far funzionare un trasformatore a secco al 100% della potenza nominale all’interno di un involucro a 50 °C equivale a prendere una decisione sul ciclo di vita del prodotto, mascherata da scelta conservativa.

 

Picco di corrente all’avviamento e caduta di tensione: i punti critici nei casi di sostituzione retroattiva

La caduta di tensione all’avviamento di un motore attraverso un trasformatore è approssimativamente pari alla potenza di avviamento in kVA divisa per la potenza nominale del trasformatore in kVA, moltiplicata per l’impedenza percentuale. Un compressore da 90 kW con corrente nominale di carico pari a 140 A e corrente di spunto pari a 6 volte la corrente nominale assorbe circa 840 A a 480 V, ovvero una richiesta di potenza all’avviamento di circa 698 kVA. Su un trasformatore da 1.500 kVA con impedenza del 5,75 %, tale valore corrisponde a una caduta di tensione di circa il 2,7 %, ben al di sotto del limite del 10 % generalmente consentito dalle aziende di distribuzione elettrica presso il punto di consegna.

Ridurre il trasformatore a 1.000 kVA e lo stesso compressore provoca un calo di tensione del 4,0%. Ora collegare due compressori allo stesso comando di messa in servizio e il calo di tensione raddoppia per una frazione di secondo, condizione che fa scattare gli inverter a frequenza variabile (VFD) e azzera i controlli. Le sequenze di retrofit economiche fanno esattamente questo, poiché la logica di messa in servizio è redatta dall’appaltatore meccanico e non viene revisionata da alcun tecnico elettrico.

Corrente di inrush l’assorbimento alla messa in tensione è un evento distinto e di entità maggiore. Un’unità fredda da 1.500 kVA può assorbire, nei primi 0,1 secondi, una corrente pari a 8–12 volte quella nominale; a 480 V ciò corrisponde a 14.000–21.000 A. Lasciare l’impostazione istantanea dell’interruttore generale al valore predefinito di fabbrica comporta, nel giorno di collaudo, un intervento intempestivo seguito da una discussione sull’eventuale difetto del trasformatore.

Questa è la parte del pacchetto che gli acquirenti raramente vedono in un preventivo. Ogni unità che spediamo per retrofit viene accompagnata da un inviluppo di corrente di spunto calcolato, allegato al rapporto di prova standard, affinché l’appaltatore possa impostare il ritardo a breve termine o specificare la chiusura in corrispondenza del punto d’onda prima dell’arrivo del camion. In un progetto scolastico nel Vermont, la specifica elettrica indicava gli ampere a rotore bloccato per i compressori, ma i fogli tecnici presentati riportavano soltanto gli ampere a carico nominale. La revisione dei documenti presentati ha rilevato l’incongruenza tre settimane prima della consegna, anziché alle 6 del mattino durante l’avviamento di gennaio.

 

Armoniche provenienti dai compressori ad inverter e il loro effetto sull’avvolgimento

I compressori scroll e a vite azionati ad inverter non si comportano come i motori collegati direttamente alla rete. I loro stadi di ingresso assorbono corrente non sinusoidale, tipicamente con una distorsione armonica totale della corrente compresa tra il 25% e il 40% a carico parziale; tale spettro si traduce nell’avvolgimento in ulteriori perdite per correnti parassitarie ed in riscaldamento localizzato. trasformatore a secco selezionato esclusivamente in base alla potenza apparente in kVA funzionerà a una temperatura superiore a quella indicata sulla targhetta proprio nelle ore in cui l’impianto opera al 30% della sua capacità.

Esistono due soluzioni praticabili: specificare un’unità con classificazione K (K-4 nel caso di pochi azionamenti, K-13 quando prevalgono unità esterne VRF o ampi gruppi di variatori di frequenza), oppure ridurre la potenza nominale dell’unità convenzionale applicando il metodo del fattore di perdita armonica. Entrambe le soluzioni sono valide; ignorare il problema non lo è, soprattutto negli impianti VRF, dove venti piccoli azionamenti ad inverter sommano la loro distorsione nello stesso punto di distribuzione.

L’effetto secondario è un fattore di potenza in anticipo a carico ridotto. I condensatori del collegamento in corrente continua immettono corrente in anticipo rispetto alla tensione quando l’impianto funziona al 20% della sua capacità in una giornata mite, quindi un trasformatore per l'elettrificazione delle pompe di calore trasformatore specificato per un fattore di potenza 0,93 in ritardo opera ora con un fattore di potenza 0,85 in anticipo. Nulla si guasta immediatamente, ma i sistemi di misura dell’utility, i banchi di condensatori e i controlli per il parallelo dei generatori cominciano a comportarsi in modo anomalo. Informare l’ingegnere dell’utility prima che lo rilevi durante una lettura del contatore.

 

Clima freddo, riscaldamento di riserva e il problema della gestione graduale

Sotto -12 °C, le unità standard a pompa di calore ad aria erogano dal 55% all’80% della capacità nominale. Le unità per climi freddi mantengono invece dal 70% all’80% e tengono il COP vicino a 1,8. Qualunque sia il divario, il riscaldamento elettrico per resistenza lo copre, e tale riscaldamento arriva a step di carico. Una banca di riserva da 120 kW suddivisa in quattro step da 30 kW aggiunge 36 A per ogni step a 480 V. Singolarmente, ciò non rappresenta un problema. Tuttavia, l’attivazione simultanea di tutti e quattro gli step in una sola richiesta comporta una variazione di carico di 120 kW in meno di un secondo; un trasformatore dimensionato esattamente sulla base del carico calcolato non è in grado di gestire tale sollecitazione.

La sbrinatura è il picco nascosto. Durante la sbrinatura a ciclo inverso, il calore viene estratto dal circuito edificio mentre i compressori continuano a funzionare; in una mattina umida a 2 °C, un impianto composto da otto moduli può sbrinare in sequenza. Progettare per il caso di sbrinatura simultanea, non per la tabella di capacità a regime stazionario, e includere nella stessa analisi la corrente di spunto dei riavvii.

L'involucro e l'ambiente circostante meritano maggiore attenzione rispetto a quanto solitamente previsto dalle specifiche per climi freddi. La condensa che si forma su un avvolgimento di tipo a secco, non alimentato, a -25 °C, seguita da un rapido incremento del carico al mattino, rappresenta un effettivo percorso di guasto; riscaldatori elettrici e un termostato che funzioni effettivamente non sono optional, bensì componenti obbligatori.

 

Dalla specifica alla spedizione: ciò che costruiamo e ciò che testiamo

Ryan Electric è una Fornitore di trasformatori certificato UL azienda che produce unità da 1.500 kVA come questa in uno stabilimento di 120.000 m² nello Jiangsu, dotato di oltre 180 insiemi di attrezzature per la produzione e i test e di 37 brevetti. Dal 2023, in qualità di partner congiunto di Eaton, applichiamo gli stessi criteri rigorosi riguardo alle perdite e all'impedenza adottati dai principali produttori nordamericani, e pubblichiamo integralmente i dati dei test di routine anziché riassumerli.

Ogni unità esegue la sequenza standard IEEE C57.12.90: resistenza degli avvolgimenti, rapporto di trasformazione, polarità, perdite a vuoto, perdite a carico, impedenza, tensione applicata e tensione indotta, oltre a una prova di innalzamento della temperatura sul progetto. L’impedenza è mantenuta entro ±7,5% del valore specificato, parametro fondamentale quando un gestore di rete analizza la corrente di cortocircuito prima di approvare un potenziamento del servizio. Tale analisi è anche il motivo per cui trasformatore a secco un preventivo deve indicare esplicitamente l’impedenza, anziché lasciarla al valore predefinito dello stabilimento.

La certificazione è un aspetto binario: o si possiedono i documenti richiesti o non li si possiede. UL 1561 per unità general-purpose a secco, CSA C22.2 No. 66 per il Canada, cULus nei casi in cui valgano entrambi i mercati. Sul campus dell’Ontario, il gestore di rete richiedeva che il marchio CSA fosse leggibile sulla targhetta e che il rapporto di prova fosse riconducibile al numero di serie. Entrambi gli elementi erano presenti nella busta di spedizione e l’ispezione fu superata al primo sopralluogo. Fornitore di trasformatori certificato UL un fornitore

 

 

La consegna è avvenuta in 16 settimane a partire dagli elaborati approvati, con l’ispettore terzo incaricato dal proprietario che ha assistito alle prove di routine. Dopo la nostra nota di messa in servizio, il riscaldamento elettrico a resistenza è stato riconfigurato per un controllo a due livelli e l’abbassamento di tensione misurato sul servizio, durante l’attivazione della riserva, è sceso dal 3,9% all’1,8%. Tale modifica ha comportato il costo di un contattore e di due ore di lavoro di un elettricista.

 

Passo successivo

Se si sta convertendo un edificio riscaldato a gas, inviare quattro elementi: il carico termico previsto per il giorno più freddo, con la relativa tabella delle capacità; la corrente assorbita a regime e la corrente di spunto del compressore; il carico residuo dell’edificio; e la temperatura ambiente dell’involucro. In risposta, forniamo un foglio di dimensionamento contenente la potenza apparente calcolata (kVA), l’abbassamento di tensione previsto, la corrente di cortocircuito disponibile e una raccomandazione sul fattore K, generalmente entro due giorni lavorativi.

Chiedi il Fornitore di trasformatori certificato UL insieme di documenti rilasciati contestualmente: rapporto delle prove di routine, riferimento alla certificazione UL o CSA, e dichiarazione di tolleranza sull’impedenza. I revisori dell’azienda elettrica richiedono questi tre documenti e averli pronti accelera notevolmente l’approvazione di un potenziamento della fornitura, molto più di qualsiasi trattativa sui prezzi.

Sull'autore — Questo articolo è stato redatto dal team di ingegneria dei trasformatori di Ryan Electric, un produttore certificato UL/CSA e partner congiunto di Eaton con sede nello Jiangsu, Cina, che fornisce trasformatori in resina, ad olio e montati su basamento a progetti per data center, sistemi di accumulo di energia, energie rinnovabili, settore sanitario e infrastrutture energetiche in Nord America, Medio Oriente, Asia Sudorientale e Africa.