Transformators siltumspumpu elektrifikācijai: komerciālo pārbūvju transformatora jaudas noteikšana iekšējās strāvas un ziemas maksimālās slodzes apstākļos

Skolu komplekss Dienvidontārio vasarā 2026. gadā noņēma gāzes katlus un to vietā uzstādīja 420 kW gaisa siltumspumpus. Mehāniskais inženieris pareizi noteica kompresoru jaudu. Tomēr elektroiekārtojums tomēr neizturēja pirmo auksto rītu: vadošā kompresora palaišana samazināja 1200 A galveno strāvu līdz 398 V, un divi jumta VFD (mainīgās frekvences vadības ierīces) izslēdzās zema sprieguma dēļ, pirms pat otrā posma darbība bija sākusies. transformators siltumspumpu elektrifikācijai tiek reti apspriests kā atsevišķs punkts pārbūves rasējumā, un tieši tāpēc tas bieži paliek nepietiekami specifikāts.

 

Elektrifikācijas pārbūves pārkāpj transformatoru pieņēmumus

Gāzes katls un siltumpumps nodrošina vienādu siltumu. Elektro rasējumā tiem nav nekā kopīga. Katls patērēja tikai dažus simtus vatu apkures cirkulācijas sūknim un degļa vadībai. Siltumpumps patērē simtiem kilovatu caur hermētiskiem motor-kompresoriem un to dara blokos: ieslēgšana, jaudas palielināšana, atkausēšana, jaudas samazināšana.

Esošās elektroapgādes sistēmas tika izmērotas, pamatojoties uz vasaras dzesēšanas maksimumu un diferencētu apgaismojuma slodzi. Siltumapgādes pārbūve pārvieto maksimālo slodzi uz ziemas rītu, kad arī apgaismojuma un kontaktligzdu slodze ir tuvu maksimālajai, un tā pārvērš termisko slodzi par motora slodzi. Tieši šeit sākas transformators siltumspumpu elektrifikācijai patiesā lēmuma pieņemšana, nevis kompresoru izvēles tabulā.

Ir arī trešā izmaiņa, kuru slodzes aprēķini parasti neievēro. Sākotnējais pakalpojuma aprēķins izmantoja pieprasījuma koeficientus, kurus komunālās pakalpojumu organizācija bija apstiprinājusi gāzes apkurinātam ēkai ar īsu ziemas maksimumslodzi un zemu motoru saturu. To pašu dažādības pieņēmumu atkārtota pielietošana siltumpumpju sistēmai nepareizi zemnovērtē slodzi, jo posmiski kompresori nesamazina slodzi tāpat kā kontaktligzdu un apgaismojuma slodzes.

 

Slodzes matemātika: ko siltumpumpjas patiesībā prasa no elektroapgādes sistēmas

Sāciet ar projektēšanas dienas jaudu, nevis ar nominālo jaudu. Nomināli 420 kW liela gaisa avota siltumpumpju sistēma Dienvidontārio var nodrošināt 420 kW jaudu pie 8,3 °C temperatūras un tikai aptuveni 68 % no tās pie -15 °C projektēšanas temperatūras. Publicētās jaudas tabulas parāda šo samazinājumu; tomēr tās mazāk skaidri rāda, ka elektroenerģijas patēriņš vienlaikus palielinās, jo COP samazinās no aptuveni 3,4 līdz 1,8.

Šeit ir aprēķini no iepriekšminētā kampus, kas ir tipiski vidēja izmēra komerciālai pārbūvei 480 V tīklā:

• Siltumpumpjas, 2 moduļi × 210 kW: 233 kW elektriskā jauda pie -15 °C, COP 1,8
• Cirkulācijas sūkņi, 4 pastāvīgās ātruma: 22 kW, nepārtraukti
• Vadības sistēmas un BMS: 4 kW, nepārtraukti
• Pretestības rezerves sildīšana, 4 posmi: 120 kW, tikai zem projektētās temperatūras
• Projektētā kopējā elektroenerģijas jauda: 379 kW, aptuveni 407 kVA ar 0,93 jaudas koeficientu

 

 

Šie 407 kVA ir slodze. Tas nav transformatora izmērs. Šo divu skaitļu starpība ir vieta, kur pārbūves budžeti kļūst nepareizi abos virzienos, un nākamajā sadaļā ir runa par šīs atšķirības novēršanu, neiegādājoties 40 % vairāk vara, nekā ēkai kadā laikā būs nepieciešams.

 

Transformatora izmēru noteikšana siltumpumpu elektrifikācijai

NEC 440. pants regulē motor-kompresoru ķēdes un prasa izmantot nominālo slodzes strāvu, nevis uzlīmes strāvu hermētiskiem aukstumtehniskajiem kompresoriem. Barošanas līniju un elektroapgādes kopsummas joprojām tiek aprēķinātas saskaņā ar 220. pantu, un NFPA 70 tas ir teksts, ko faktiski izlasīs inspektors. Praktiski: transformatora izmēru veido no aprēķinātās slodzes, kas ietver kompresoru nominālās slodzes strāvas, posmu rezerves sildīšanu, iestrūkuma strāva ka to rada kompresoru rada un ēkas slodze, kas paliek pieslēgta.

Ontārio gadījumā pēc katlu noņemšanas saglabātā ēkas slodze bija 520 kVA. Kopējā slodze sasniedza 927 kVA. Esošais 750 kVA uzstādītais transformators jau darbojās aptuveni 98 % apstākļos maksimālās vasaras dienās, tāpēc tā atkārtota izmantošana nebija iespējama. Mēs norādījām 1500 kVA, 13,8 kV delta līdz 480Y/277 V, 5,75 % impedanci — tas ir nākamais standarta izmērs un nodrošina aptuveni 35 % rezervi otrās programmas fāzes ieviešanai.

Tūlīt seko trīs skaitļi, un katrs no tiem ietekmē turpmāko aprīkojumu. Primārā strāva ir 62,8 A. Sekundārā pilnas slodzes strāva ir 1804 A. Pie termināļiem pieejamā sekundārā avārijas strāva ir aptuveni 31 kA, un šis skaitlis nosaka, vai barošanas aprīkojumu pasūta ar 42 kA vai 65 kA nominālo vērtību. Tas ir arī skaitlis, ko uzņēmumi visbiežāk aizmirst pieprasīt.

Viens brīdinājums par slodzes pielietošanu. sauss tipa transformators nevar ilgstoši izturēt pārslodzi tāpat kā eļļā pildīts transformators. IEEE C57.12.01 sausās tipa transformatoru nominālvērtības balstītas uz 30 °C vidējo un 40 °C maksimālo apkājējo temperatūru, bet jūlijā jumta korpusā temperatūra ir ievērojami augstāka. Sausā tipa transformatora darbināšana 100 % no nominālvērtības 50 °C korpusā ir lēmums par ekspluatācijas ilgumu, kas maskēts kā piesardzīgs risinājums.

 

Ieslēgšanas strāva un sprieguma kritums: Vietās, kur parasti neizdodas aizvietošana

Motoru palaišanas laikā transformatorā rodas aptuveni vienāds sprieguma kritums, ko aprēķina, dalot palaišanas kVA ar transformatora kVA un reizinot ar procentuālo impedanci. 90 kW kompresors ar 140 A nominālās slodzes strāvu un 6× bloķētās rotora strāvu pie 480 V patērē aptuveni 840 A, kas atbilst 698 kVA palaišanas slodzei. Tas rada aptuveni 2,7 % sprieguma kritumu caur 1500 kVA transformatoru ar 5,75 % impedanci — šis lielums droši iekļaujas 10 % robežā, ko vairums elektroenerģijas sniedzēju atļauj pakalpojumu punktā.

Samaziniet transformatoru līdz 1000 kVA, un tas pats kompresors rada 4,0 % sprieguma kritumu. Tagad pievienojiet divus kompresorus vienai un tai pašai iedarbināšanas komandai, un sprieguma kritums uz brīdi divkāršojas, kas ir apstāklis, kurš izraisa VFD (mainīgās frekvences piedziņas) izslēgšanos un vadības sistēmu atiestatīšanu. Lēti pēcinstalācijas pielāgojumi rada tieši šo situāciju, jo iedarbināšanas loģika ir izstrādāta mehāniskā uzņēmuma speciālistiem un to neviens elektrotehniskās puses speciālists nav pārbaudījis.

Iestrūkuma strāva ieslēgšanas brīdī notiek atsevišķs un lielāks notikums. Auksts 1500 kVA transformators pirmajās 0,1 sekundēs var patērēt 8–12 reizes lielāku strāvu nekā tā nominālā vērtība, kas 480 V tīklā nozīmē 14 000–21 000 A. Ja galvenās strāvas slēdža momentānās iestatījuma vērtību atstāj rūpnīcas noklusējuma stāvoklī, tad nodošana ekspluatācijā sākas ar nevajadzīgu izslēgšanos, kam seko strīds par to, vai transformators ir defekts.

Šis ir pakotnes daļas elements, ko pircēji reti redz piedāvājumā. Katrs mūsu nosūtītais vienības eksemplārs, kas paredzēts pārbūvei, tiek piegādāts kopā ar aprēķinātu ieslēgšanas strāvas robežlīkni, kas pievienota ikdienas testa atskaitē, lai uzņēmums varētu iestatīt īslaicīgu novēlotu reakciju vai norādīt punktu uz viļņa formas, pirms piegādes automašīna ierodas. Vermontas skolas projektā elektriskajā specifikācijā tika norādītas kompresoru bloķētās rotorstrāvas, bet iesniegtajos tehniskajos datu lapās tika norādītas tikai nominālās slodzes strāvas. Iesniegumu pārbaude atklāja neatbilstību trīs nedēļas pirms piegādes, nevis 6:00 rītā janvārī, kad notika sistēmas palaišana.

 

Harmonikas no invertora kompresoriem un to ietekme uz tinumiem

Invertora vadīti spirālveida un skrūvju kompresori nedarbojas kā tieši pieslēgti elektromotori. To priekšgaliem ir nepārtraukta strāva, parasti 25 % līdz 40 % kopējā harmonisko strāvu izkropļojuma daļējā slodzē, un šī spektra sastāvdaļa nonāk tinumos kā papildu vērpuļstrāvu zudumi un lokāla sasilšana. A sauss tipa transformators izvēlētais transformators, kura jauda norādīta tikai kVA vienībās, darbosies karstāk, nekā norādīts tā tehniskajā pasē, tieši tajos laika posmos, kad rūpnīcas slodze ir 30% no maksimālās.

Ir divas lietderīgas reakcijas. Pirmkārt, norādīt K-reitingu transformatoru: K-4, ja ir daži frekvences pārveidotāji, un K-13, ja dominē VRF ārējās vienības vai lieli VFD komplekti. Otrkārt, samazināt parastā transformatora jaudu, izmantojot harmonisko zudumu koeficienta metodi. Abas metodes ir derīgas; ignorēt šo jautājumu nav pieļaujams, īpaši VRF sistēmās, kur divdesmit mazi invertoru bloki vienlaicīgi rada savu izkropļojumu pie tās pašas sadalīšanas vietas.

Otrējais efekts ir operēšana ar operējošo jaudas koeficientu vieglas slodzes apstākļos. Kad rūpnīca darbojas tikai 20% no maksimālās jaudas mierīgā dienā, līdzstrāvas saites kondensatori rada strāvu, kas iepriekšējo spriegumu. transformators siltumspumpu elektrifikācijai transformators, kura jaudas koeficients norādīts kā 0.93 atpaliekamais, tagad darbojas ar 0.85 operējošo jaudas koeficientu. Neviens komponents neiznāk no darba uzreiz, taču elektroenerģijas sniedzēja skaitītāji, kondensatoru baterijas un ģeneratoru paralēlo darbību vadības sistēmas sāk darboties neparedzēti. Paziņojiet elektroenerģijas sniedzēja inženierim pirms viņš to atklāj skaitītāja nolasījumā.

 

Auksts klimats, rezerves sildīšana un pakāpeniskās ieslēgšanas problēma

Zemāk par –12 °C standarta gaisa avota vienības nodrošina 55 % līdz 65 % no nominālās jaudas. Aukstā klimata vienības saglabā 70 % līdz 80 % un uztur COP tuvu 1,8. Neatkarīgi no šīs atšķirības, pretestības sildīšana to aizpilda, un pretestības sildīšana ierodas kā slodzes soli. 120 kW rezerves banka, kas sadalīta četros pa 30 kW soļiem, katrā solī pievieno 36 A pie 480 V. Atsevišķi tas ir nekas. Visu četru vienlaicīga ieslēgšanās vienā pieprasījumā ir 120 kW solveida izmaiņa mazāk nekā sekundē, un transformators, kura jauda precīzi aprēķināta pēc slodzes, tam neatbild.

Atkausēšana ir slēptais maksimālais patēriņš. Reversā cikla atkausēšana izvelk siltumu no ēkas kontūras, kamēr kompresori turpina darboties, un astoņu moduļu sistēma var atkausēties secīgi mitrā 2 °C rītā. Projektējiet, ņemot vērā vienlaicīgo atkausēšanu, nevis stacionārās jaudas tabulu, un iekļaujiet restarta strāvas pieplūdes aprēķinos tajā pašā aprēķinā.

Korpuss un apkārtējā vide ir jāpievērš vairāk uzmanības nekā parasti paredz aukstā klimata specifikācijas. Kondensācija uz izslēgtas sausās tipa tinuma -25 °C temperatūrā, kam seko ātra rīta slodzes palielināšanās, ir patiesa atteices ceļš; telpu sildītāji un termostats, kas patiešām darbojas, nav neobligāti papildinājumi. Tādā pašā klimatā eļļas piepildītiem zemes montāžas transformatoriem jāiekļauj specifikācijā šķidruma ieplūdes temperatūra un aukstā starta viskozitāte, nevis tikai piezīmē.

 

No specifikācijas līdz piegādei: ko mēs ražojam un ko testējam

Ryan Electric ir UL sertificēti transformatoru piegādātāji ražo 1500 kVA klases vienības, piemēram, šo, 120 000 m² lielā ražotnes kompleksā Dzjansu provincē, kurā ir vairāk nekā 180 ražošanas un testēšanas iekārtu komplekti un 37 patenti. Kopš 2023. gada mēs esam Eaton kopuzņēmuma partneris un ievērojam to pašu zudumu un impedances disciplīnu, kuru lielākās Ziemeļamerikas OEM ražotājas piemēro, kā arī publicējam rutīnas testu datus, nevis tikai tos kopsavilkumā.

Katrs vienības eksemplārs izpilda IEEE C57.12.90 rutīnas pārbaudes secību: tinumu pretestība, transformācijas attiecība, polaritāte, tukšgaitas zudumi, slodzes zudumi, impedance, pieliktais spriegums un inducētais spriegums, kā arī temperatūras pieauguma tipa pārbaude konstrukcijai. Impedance tiek uzturēta ±7,5 % robežās no norādītās vērtības, kas ir būtiski, kad komunālais pakalpojumu sniedzējs izpēta avārijas strāvu pirms apstiprina pakalpojuma uzlabošanu. Šī izpēte ir arī iemesls, kāpēc sauss tipa transformators pieprasījumā jānorāda impedance skaidri, nevis jāatstāj to rūpnīcas noklusētajai vērtībai.

Sertifikācija ir tas, kurā UL sertificēti transformatoru piegādātāji vai ir dokumenti, vai nav. UL 1561 sausajiem vispārējām lietojumprogrammām paredzētajiem transformatoriem, CSA C22.2 Nr. 66 Kanādai, cULus — abos tirgos. Ontārio kampusē komunālais pakalpojumu sniedzējs vēlējās, lai CSA marķējums būtu redzams uz tipskartiņas un lai testa ziņojums būtu izsekojams pēc sērijas numura. Abi dokumenti bija piegādes aploksnē, un inspekcija tika veiksmīgi pabeigta pirmajā apmeklējumā.

 

 

Piegāde ilga 16 nedēļas no apstiprinātajām zīmējumiem, un īpašnieka trešās puses inspektors bija klāt, lai novērotu ikdienas pārbaudes. Pēc mūsu nodošanas ekspluatācijā piezīmes fāžu pretestības sildītājs tika pārvietots uz divu posmu vadību, un izmērītais pakalpojuma kritums rezerves ieslēgšanas laikā samazinājās no 3,9 % līdz 1,8 %. Šī izmaiņa izmaksāja vienu kontaktoru un divas elektriķa darba stundas.

 

Nākamais solis

Ja jūs pārveidojat gāzi sildītu ēku, nosūtiet četrus dokumentus: projektētā dienas sildīšanas slodze ar tai sekojošo jaudas tabulu, kompresora nominālo slodzi un bloķētās rotācijas strāvu, saglabāto ēkas slodzi un apvalka apkājējo temperatūru. Mēs atgriežam izmēru lapu ar aprēķināto kVA, prognozēto sprieguma kritumu, pieejamo avārijas strāvu un K-faktora ieteikumu, parasti divu darba dienu laikā.

Pieprasiet UL sertificēti transformatoru piegādātāji dokumentu komplektu vienlaicīgi: ikdienas pārbaudes ziņojumu, UL vai CSA sertifikācijas atsauci un impedances pieļaujamības paziņojumu. Elektrības padeves uzņēmumu pārskatītāji prasa šos trīs dokumentus, un to pieejamība ievērojami saīsina pakalpojuma modernizācijas apstiprināšanas laiku salīdzinājumā ar jebkuru cenšanos veikt cenu sarunas.

Par autoru — Šo rakstu sagatavoja transformatoru inženieru komanda uzņēmumā Ryan Electric, kas ir UL/CSA sertificēts ražotājs un Eaton kopuzņēmuma partners Dzjanšu provincē, Ķīnā, un piegādā sausās, eļļas pildītās un uz pamatnes montētās transformatorus datu centriem, enerģijas uzkrāšanas sistēmām, atjaunojamās enerģijas projektiem, veselības aprūpes iestādēm un komunālajiem pakalpojumiem Ziemeļamerikā, Vidusrietumu reģionā, Dienvidaustrumāzijā un Āfrikā.