Transformatorius šilumos siurblių elektrifikavimui: komercinės rekonstrukcijos transformatoriaus talpos nustatymas įjungimo srovėms ir žiemos viršūnėms

Mokyklos kompleksas Pietų Ontarijoje 2026 m. vasarą pašalino dujų katilus ir juos pakeitė 420 kW oro šaltinio šilumos siurbliais. Mechaninis inžinierius teisingai apskaičiavo kompresorių talpas. Vis dėlto elektros įranga nepavyko pirmąja šalta rytine diena: pirminio kompresoriaus paleidimas sumažino 1200 A pagrindinę srovę iki 398 V, o du stogo montuojami kintamosios srovės variklių valdymo įrenginiai (VFD) išsijungė dėl per mažos įtampos dar prieš tai, kai būtų įjungta antra pakopa. transformatorius šilumos siurblių elektrifikavimui dažniausiai nėra tos pozicijos, dėl kurios kas nors ginčytųsi rekonstruojamo objekto brėžinyje, ir būtent todėl ji dažnai būna netinkamai parinkta.

 

Elektrifikavimo rekonstrukcijos pažeidžia transformatorių prielaidas

Dujų katilas ir šilumos siurblys tiekia tą pačią šilumą. Elektrinėje schemoje jie neturi nieko bendro. Katilas suvartoja kelišimtus vatų cirkuliaciniam siurbliui ir degiklio valdymui. Šilumos siurblys sunaudoja šimtus kilovatų per hermetiškus variklių-kompresorių įrenginius ir tai vyksta etapais: paleidimas, apkrovos padidinimas, atitirpinimas, apkrovos sumažinimas.

Esamos elektros sistemos buvo suprojektuotos remiantis vasaros aušinimo viršūne ir įvairiomis apšvietimo apkrovomis. Šildymo modernizavimas perkelta viršūnę į žiemos rytą, kai apšvietimo ir kištukinių prietaisų apkrovos taip pat artimos maksimumui, o šiluminė apkrova pakeičiama variklinės apkrovos tipu. Tai yra tas transformatorius šilumos siurblių elektrifikavimui sprendimo pradžios taškas, o ne kompresoriaus parinkimo lentelė.

Yra trečiasis pokytis, kurio apkrovos skaičiavimai dažnai nepastebi. Pradinis paslaugos skaičiavimas taikė naudingumo koeficientus, kuriuos naudingumo tiekėjas patvirtino dujų šildomam pastatui su trumpu žiemos smailiuoju apkrovos laikotarpiu ir mažu variklių kiekiu. Taikant tuos pačius įvairovės prielaidas šilumos siurblių sistemai, apkrova įvertinama per maža, nes etapinio valdymo kompresoriai neįvairina apkrovos taip, kaip tai daro rozetės ir apšvietimo apkrovos.

 

Apkrovos matematika: kokios iš tikrųjų yra šilumos siurblių reikalavimų paslaugos įtampa

Pradėkite nuo projektinės dienos galios, o ne nuo techninių charakteristikų plokštėje nurodytos galios. Nominali 420 kW oro šaltinio šilumos siurblių sistema Pietų Ontarijoje gali išduoti 420 kW esant 8,3 °C temperatūrai ir tik apie 68 % tos galios esant projektinei -15 °C temperatūrai. Paskelbtose galios lentelėse parodytas šis sumažėjimas; tačiau jose mažiau aiškiai rodoma, kad elektros energijos sąnaudos tuo pačiu metu didėja, nes COP krenta nuo maždaug 3,4 iki 1,8.

Štai skaičiavimai iš aukščiau minėto kampo, kurie būdingi vidutinio dydžio komercinės rekonstrukcijos projektui 480 V įtampai:

• Šilumos siurbliai, 2 moduliai × 210 kW: 233 kW elektrinės galios esant -15 °C, COP 1,8
• Cirkuliacijos siurbliai, 4 pastovaus greičio: 22 kW, nuolat
• Valdymo sistema ir BMS: 4 kW, nuolat
• Varžos atsarginis šildymas, 4 etapai: 120 kW, tik žemesnėje nei projektuota temperatūroje
• Projektuota bendroji elektros galia: 379 kW, apie 407 kVA su 0,93 galių koeficientu

 

 

Šios 407 kVA yra apkrova. Tai nėra transformatoriaus dydis. Šių dviejų skaičių skirtumas – tai vieta, kurioje rekonstrukcijos biudžetai klaidingai sudaromi abiem kryptimis, o kitame skyriuje paaiškinama, kaip šį tarpą užpildyti be papildomos 40 % vario pirkimo, kurio pastatas niekada nebus naudojęs.

 

Transformatoriaus parinkimas šilumos siurbliams elektrifikuoti

NEC straipsnis 440 reglamentuoja variklio-kompresoriaus grandines ir reikalauja naudoti kompresoriaus įvertintą darbinę srovę, o ne techninės plokštelės nurodytą srovę hermetiškuose šaldymo skysčio kompresoriuose. Maitinimo linijų ir tiekimo grandinių bendros apkrovos vis dar apskaičiuojamos pagal straipsnį 220, o NFPA 70 tai tekstas, kurį iš tikrųjų perskaitys inspektoriui. Praktiškai: transformatoriaus dydis turėtų būti nustatomas remiantis apskaičiuota apkrova, kurioje įtraukta kompresorių įvertinta darbinė srovė, etapinis atsarginis šildymas, „ įjungimo srovė kurios suspaudėjų paleidimas sukuria ir pastato apkrova, kuri lieka prijungta.

Ontariuje po katilo pašalinimo išlikusi pastato apkrova buvo 520 kVA. Bendra apkrova sudarė 927 kVA. Esamas 750 kVA žemės plokštumoje montuojamas transformatorius jau veikė beveik 98 % pajėgumų didžiausiomis vasaros dienomis, todėl jo pakartotinio naudojimo nebuvo įmanoma. Mes nurodėme 1500 kVA, 13,8 kV delta iki 480Y/277 V, 5,75 % varžos transformatorių, kuris yra kitas standartinis dydis ir palieka apytiksliai 35 % rezervo antrajam to paties programos etapui.

Toliau pateikiami trys skaičiai, kiekvienas iš jų keičia žemesniųjų lygių įrangą. Pirminė srovė – 62,8 A. Antrinės grandinės pilnosios apkrovos srovė – 1804 A. Prie terminų esanti maksimali antrinė trumpojo jungimo srovė yra apytiksliai 31 kA, o šis skaičius nulemia, ar jungiklių įranga bus užsakoma 42 kA ar 65 kA nominaline srove. Tai taip pat skaičius, kurį rangovai dažniausiai pamiršta paprašyti.

Viena atsargumo priemonė dėl apkrovos. „ sautasis transformatorius negali ilgai veikti virš apkrovos taip, kaip tai gali padaryti aliejumi užpildytas transformatorius. IEEE C57.12.01 sausųjų tipų įrenginių naudingumo rodikliai nustatyti remiantis 30 °C vidutine ir 40 °C maksimalia aplinkos temperatūra, o liepos mėnesį stoginėje patalpoje temperatūra dažnai žymiai viršija šiuos rodiklius. Sausojo tipo įrenginio eksploatavimas 100 % nominalios galios režimu 50 °C temperatūroje esančioje patalpoje – tai neatsargus sprendimas, kuris tik apsireiškia kaip konservatyvus.

 

Įjungimo srovė ir įtampos kritimas: čia dažniausiai nepavyksta modernizuoti esamų sistemų

Transformatoriaus įtampos kritimas, kai paleidžiamas variklis, apytiksliai lygus paleidimo kVA, padalytai iš transformatoriaus kVA, ir padaugintai iš jo procentinės varžos. 90 kW kompresorius su 140 A vardinės apkrovos srove ir 6 kartų didesne užbloškimo srove vartoja apie 840 A 480 V įtampoje, kas atitinka maždaug 698 kVA paleidimo apkrovą. Tokia apkrova per 1500 kVA transformatorių su 5,75 % varža sukelia apytiksliai 2,7 % įtampos kritimą – ši vertė gerokai žemesnė už 10 % ribą, kurią dauguma energijos tiekėjų leidžia paslaugos taške.

Sumažinus transformatorių iki 1000 kVA, tas pats kompresorius sukelia 4,0 % įtampos kritimą. Dabar prijungus du kompresorius prie tos pačios etapinio įjungimo komandos, įtampos kritimas trumpam (trumpiau nei sekundės dalis) padvigubėja – būtent tokia sąlyga aktyvina kintamosios srovės variklių valdymo įrenginius (VFD) ir iš naujo paleidžia valdymo sistemas. Pigūs modernizavimo seansai dažnai būtent tai ir daro, nes etapinio įjungimo logiką parašo mechaninis rangovas, o elektros specialistai jos neperžiūri.

Įjungimo srovė įjungimo metu vyksta atskiras ir dar didesnis reiškinys. Šaltas 1500 kVA transformatorius pirmąsias 0,1 sekundės gali imti 8–12 kartų didesnę nominaliąją srovę, kas 480 V įtampoje reiškia 14 000–21 000 A. Jei pagrindinio jungiklio momentinės apsaugos nuostata paliekama gamyklinėje reikšmėje, įdiegimo dieną prasideda netikėta apsauginė išjungtis, kurią tuoj pat lydi ginčas dėl to, ar transformatorius yra defektinis.

Tai yra paketo dalis, kurią pirkėjai retai mato pasiūlyme. Kiekvienas vienetas, kurį išsiunčiame į modernizavimą, išvyksta su apskaičiuota įsijungimo srovės charakteristika, pridedama prie įprasto bandymų ataskaitos, kad rangovas galėtų nustatyti trumpalaikį atidėjimą arba nurodyti bangos fazės uždarymą dar prieš atvažiuojant sunkvežimiui. Vermano mokyklos projekte elektros techninėse sąlygose buvo nurodytos kompresorių užstrigusio rotoriaus amperų reikšmės, tačiau pateiktuose techniniuose lapuose buvo nurodytos tik nominalios apkrovos amperų reikšmės. Pateikto dokumentų peržiūra aptiko neatitikimą tris savaites prieš pristatymą, o ne sausio mėnesį, 6 val. ryto, paleidžiant sistemą.

 

Harmonikos iš invertorinių kompresorių ir jų poveikis apvijoms

Invertoriniais varikliais varomi sukamojo ir sraigtiniai kompresoriai elgiasi ne taip kaip tiesioginės jungties varikliai. Jų priekinės dalys vartoja nesinusinę srovę, kuri dažniausiai sudaro 25–40 % bendros harmoninės srovės iškraipymo dalinėje apkrovoje, o šis spektras į aplinkinę apviją patenka kaip papildoma sūkurių srovės nuostoliai ir vietinis įkaitimas. A sautasis transformatorius pasirinktas tik pagal kVA reikšmę vienetas veiks karščiau nei nurodyta jo techninėje charakteristikoje būtent tais laiko momentais, kai gamybos įmonės našumas siekia 30 %.

Yra du veiksmingi sprendimai. Pirmasis – nurodyti K-klasės vienetą: K-4, jei yra keletas variklių valdymo įrenginių, arba K-13, jei dominuoja VRF išoriniai vienetai ar dideli kintamosios srovės dažnio reguliatoriai (VFD). Antrasis – sumažinti įprasto vieneto naudingąją galią, taikant harmonikų nuostolių koeficiento metodą. Abiem atvejais sprendimai yra teisėti; ignoruoti šį klausimą – ne, ypač VRF sistemose, kur dvidešimt mažų inverterių vienu metu sukuria iškraipymus tame pačiame skirstymo taške.

Antrinis poveikis – operacinė galia su priekyje einančiu galingumu esant mažam apkrovimui. Nuolatinės srovės jungties kondensatoriai suteikia srovę prieš įtampą, kai gamybos įmonė dirba tik 20 % našumo režimu švelnią dieną, todėl transformatorius šilumos siurblių elektrifikavimui nurodytas 0,93 atsiliekančiojo galingumo vienetas dabar veikia su 0,85 priekyje einančiu galingumu. Nieko nedėlsto sugenda, tačiau tiek elektros energijos tiekimo įmonės skaitikliai, tiek kondensatorių bankai ir generatorių lygiagretinimo valdymo sistemos pradeda elgtis netipiškai. Apie tai praneškite elektros energijos tiekimo įmonės inžinieriui dar prieš tai aptinkant skaitiklio rodmenyse.

 

Šaltos klimato sąlygos, papildomasis šildymas ir etapinis įjungimas

Žemesnėje nei –12 °C temperatūroje standartiniai oro šaltinio įrenginiai išduoda 55–65 % nominalios galios. Šaltuoju metų laiku veikiantys įrenginiai išlaiko 70–80 % nominalios galios ir COP reikšmę arti 1,8. Nepriklausomai nuo šio skirtumo, jį kompensuoja pasipriešinimo šildymas, kuris įjungiamas pakopomis. 120 kW atsarginės galios bankas, suskirstytas į keturias 30 kW pakopas, kiekvienoje pakopoje prideda po 36 A esant 480 V įtampai. Atskirai tai nieko nereiškia. Visos keturios pakopos vienu metu įjungiamos per mažiau nei sekundę – tai 120 kW galios šuolis, kuriam transformatorius, suprojektuotas tik tiksliai apskaičiuotai apkrovai, neturi atsakymo.

Ištirpinti ledo sluoksnį – tai paslėptasis viršūninis apkrovos taškas. Atvirkštinio ciklo ledo tirpintuvas pašalina šilumą iš pastato kontūro, tuo tarpu kompresoriai toliau veikia, o aštuonių modulių sistema gali ledo tirpinti paeiliui drėgnoje 2 °C rytinėje dienoje. Projektuojant reikia remtis vienu metu vykstančio ledo tirpinimo atveju, o ne pastovios būsenos galios lentelėmis, o taip pat į tą pačią apkrovos skaičiavimų formulę reikia įtraukti paleidimo srovės šuolius.

Apdangos ir aplinkos sąlygos reikalauja didesnio dėmesio nei paprastai skiriama šaltųjų klimatų specifikacijoms. Kondensatas, susidaręs ant išjungto sausojo tipo vyniojimo esant –25 °C temperatūrai, o vėliau staigus rytinis apkrovos padidėjimas – tai tikras gedimo kelias; erdvės šildytuvai ir veikiantis termostatas nėra neprivalomi papildymai. Tuo pačiu klimatuose naudojamų aliejumi pripildytų žemės montavimo transformatorių atveju skysčio užšalimo temperatūra ir šalto paleidimo klampumas turi būti įtraukti į specifikaciją, o ne tik paminėti pastraipoje.

 

Nuo specifikacijos iki pristatymo: ką mes gaminame ir ką tikriname

Ryan Electric yra UL sertifikuoto transformatoriaus tiekėjo jiangsu provincijoje esančioje 120 000 m² ploto gamybos aikštelėje su daugiau kaip 180 gamybos ir bandymų įrangos rinkinių bei 37 patentais gamina 1500 kVA klasės vienetus, panašius į šį. Nuo 2023 m. dirbdami kaip Eaton bendradarbiavimo partneris, laikomės tų pačių nuostatų dėl nuostolių ir impedanso, kurias taiko didesnės Šiaurės Amerikos gamintojų įmonės, o rutininių bandymų duomenis pateikiame pilnuose ataskaitose, o ne santraukose.

Kiekvienas vienetas atlieka IEEE C57.12.90 įprastą testų seką: apvijų varža, įtampų santykis, poliarumas, tuščiosios eigos nuostoliai, apkrovos nuostoliai, impedansas, taikyta įtampa ir indukuota įtampa, taip pat temperatūros kilimo tipinį bandymą pagal projektą. Impedansas laikomas ±7,5 % nuo nurodytos vertės, kas yra svarbu, kai naudingumo įmonė tiria trumpojo jungimo srovę prieš patvirtindama paslaugos modernizavimą. Šis tyrimas taip pat yra priežastis, kodėl sautasis transformatorius kainos pasiūlyme impedansas turi būti aiškiai nurodytas, o ne paliekamas gamykliniu numatytuoju.

Sertifikavimas – tai vieta, kur UL sertifikuoto transformatoriaus tiekėjo arba yra dokumentai, arba jų nėra. Sausųjų transformatorių bendrojo panaudojimo vienetams – UL 1561, Kanadoje – CSA C22.2 Nr. 66, cULus – kai taikoma abiem rinkoms. Ontarijo universiteto kampe naudingumo įmonė norėjo, kad CSA ženklas būtų skaitomas ant techninės informacinės lentelės ir kad bandymų ataskaita būtų susiejama su serijos numeriu. Abu dokumentai buvo pridėti prie siuntos, todėl inspekcija pirmą kartą buvo sėkmingai baigta.

 

 

Pristatymas truko 16 savaičių nuo patvirtintų brėžinių, o trečiosios šalies inspektorius, paskirtas užsakovu, stebėjo įprastąsias bandymų procedūras. Po mūsų paleidimo pastabos etapinė varžos šildymo sistema buvo perjungta į dviejų žingsnių valdymą, o išmatuota tarnybos įtampos kritimo reikšmė atsarginės jungties metu sumažėjo nuo 3,9 % iki 1,8 %. Šis pakeitimas kainavo vieną kontaktorį ir dviejų elektriko darbo valandų.

 

Kitas žingsnis

Jei keičiate dujinį šildymą pastate, priskirkite keturis dalykus: projektinės dienos šildymo apkrovos skaičiavimą su prie jo pridedama galios lentelė, kompresoriaus nominalią apkrovą ir užstrigusio rotoriaus srovę, išlikusią pastato apkrovą bei apsauginės konstrukcijos aplinkos temperatūrą. Mes grąžiname matmenų nustatymo lapą su apskaičiuotais kVA, prognozuojamu įtampos kritimu, turima trumpojo jungimo srove ir K-faktoriaus rekomendacija – paprastai per dvi darbo dienas.

Paprašykite UL sertifikuoto transformatoriaus tiekėjo dokumentų rinkinio tuo pačiu metu: įprastųjų bandymų ataskaitos, UL ar CSA sertifikavimo nuorodos bei impedanso tolerancijos pareiškimo. Naudojimo įstaigos vertintojai prašo būtent šių trijų dokumentų, o jų turėjimas paruoštais sutrumpina elektros tiekimo pajėgumų didinimo patvirtinimą daug labiau nei bet kokia kainos derėtis.

Apie autorių — Šį straipsnį parašė transformatorių inžinerijos komanda įmonėje Ryan Electric, kuri yra UL/CSA sertifikuota gamintoja ir Eaton bendradarbiavimo partnerė, įsikūrusi Džiansu provincijoje, Kinijoje, tiekianti sausosios rūšies, aliuje panardinamusius ir ant žemės montuojamus transformatorius duomenų centrų, energijos kaupimo, atsinaujinančių energijos šaltinių, sveikatos priežiūros ir energetikos projektams Šiaurės Amerikoje, Vidurio Rytuose, Pietryčių Azijoje ir Afrikoje.