Transformator pentru electrificarea pompelor de căldură: Dimensionarea modernizărilor comerciale pentru curentul de pornire și vârful din iarnă

Un campus școlar din sudul provinciei Ontario și-a eliminat cazanele pe gaz în vara anului 2026 și le-a înlocuit cu pompe de căldură aer-apă de 420 kW. Inginerul mecanic a dimensionat corect compresoarele. Totuși, instalația electrică a eșuat în prima dimineață rece: pornirea compresorului principal a redus tensiunea pe linia principală de 1.200 A la 398 V, iar două variatoare de frecvență (VFD) montate pe acoperiș au declanșat protecția la subtensiune înainte ca al doilea stadiu să intre în funcțiune. transformator pentru electrificarea pompelor de căldură este rar elementul asupra căruia se discută pe planșele de modernizare, iar tocmai acest lucru face ca el să fie adesea subdimensionat.

 

Modernizările prin electrificare contravine ipotezelor privind transformatorul

Un cazan cu gaz și o pompă de căldură furnizează aceeași cantitate de căldură. Pe un desen electric, ele nu au nimic în comun. Cazanul consumă câteva sute de wați pentru o pompă de circulație și un sistem de comandă al arzătorului. Pompa de căldură consumă sute de kilowați prin compresoare hermetice acționate de motoare, iar acești consumuri apar în blocuri: pornire, creștere treptată a puterii, degivrare, reducere treptată a puterii.

Serviciile existente au fost dimensionate în funcție de un vârf de răcire estival și de o sarcină de iluminat diversificată. O modernizare a sistemului de încălzire deplasează vârful de consum într-o dimineață de iarnă, când iluminatul și sarcinile conectate la prize sunt, de asemenea, aproape de valoarea maximă, iar o sarcină termică este transformată într-o sarcină motorizată. Acesta este punctul în care transformator pentru electrificarea pompelor de căldură decizia începe efectiv, nu la tabelul de selecție a compresorului.

Există o a treia modificare pe care calculele de sarcină o ignoră în mod obișnuit. Calculul inițial al sarcinii a aplicat factori de cerere aprobați de compania de utilități pentru o clădire încălzită cu gaz, având un vârf iernatic scurt și un conținut redus de motoare. Reaplicarea acelorași ipoteze de diversificare la o instalație cu pompe de căldură subestimează sarcina, deoarece compresoarele în trepte nu se diversifică în același mod ca sarcinile de priză și iluminat.

 

Matematica sarcinii: Ce solicită, de fapt, pompele de căldură de la rețeaua electrică

Începeți întotdeauna cu capacitatea în ziua de proiectare, nu cu capacitatea nominală. O instalație aer-apă cu o capacitate nominală de 420 kW din sudul provinciei Ontario poate furniza 420 kW la +8,3°C, dar doar aproximativ 68% din această valoare la temperatura de proiectare de -15°C. Tabelele publicate de capacitate indică această scădere; ceea ce indică mai puțin clar este faptul că consumul electric crește în același timp, deoarece COP scade de la aproximativ 3,4 la 1,8.

Iată calculele pentru campusul menționat mai sus, care sunt tipice unei modernizări comerciale de dimensiune medie la 480 V:

• Pompe de căldură, 2 module × 210 kW: 233 kW electric la -15°C, COP 1,8
• Pompe de circulație, 4 cu viteză constantă: 22 kW, în regim continuu
• Comenzi și sistem de management al clădirii (BMS): 4 kW, în regim continuu
• Încălzire de rezervă prin rezistență, 4 trepte: 120 kW, doar sub temperatura de proiectare
• Putere electrică totală de proiectare: 379 kW, aproximativ 407 kVA la un factor de putere de 0,93

 

 

Acei 407 kVA reprezintă sarcina efectivă. Nu reprezintă dimensiunea transformatorului. Diferența dintre aceste două valori este locul unde bugetele pentru modernizare eșuează în ambele sensuri, iar secțiunea următoare explică cum se reduce această diferență fără a achiziționa cu 40 % mai mult cupru decât va folosi vreodată clădirea.

 

Dimensionarea transformatorului pentru electrificarea pompelor de căldură

Articolul 440 din NEC reglementează circuitele motoarelor-compresoarelor și cere folosirea curentului nominal de funcționare, nu a celui indicat pe plăcuța tehnică, pentru compresoarele ermetice cu refrigerent. Totalurile pentru alimentarea prin cabluri și pentru serviciile electrice trec totuși prin Articolul 220, iar NFPA 70 acest text este cel pe care îl va citi de fapt inspectorul dumneavoastră. În practică: dimensiunea transformatorului se stabilește pe baza unei sarcini calculate care include curenții nominali de funcționare ai compresoarelor, încălzirea de rezervă în trepte, precum și curent de intrare inițial care apar la pornirea acestor compresoare și sarcina clădirii care rămâne conectată.

În cazul Ontario, sarcina clădirii păstrată după eliminarea cazanelor a fost de 520 kVA. Valoarea totală a ajuns la 927 kVA. Unitatea existentă de 750 kVA, montată pe suport, funcționa deja la aproximativ 98 % în zilele de vară cu sarcină maximă, astfel încât reutilizarea nu a fost o opțiune viabilă. Am specificat o unitate de 1.500 kVA, 13,8 kV în conexiune triunghi la 480Y/277 V, cu impedanță de 5,75 %, care este următoarea dimensiune standard și oferă un surplus de capacitate de aproximativ 35 % pentru o a doua fază a aceluiași program.

Următorii trei parametri au o influență directă asupra echipamentelor din aval. Curentul primar este de 62,8 A. Curentul secundar la sarcină nominală este de 1.804 A. Curentul de scurtcircuit disponibil la bornele secundare este de aproximativ 31 kA, iar această valoare determină dacă tabloul de comutație se comandă pentru 42 kA sau pentru 65 kA. Este, de asemenea, valoarea pe care contractorii o omit cel mai frecvent în cererile lor.

O precauție privind încărcarea. O transformator de tip uscat nu suportă suprasarcini prelungite în același mod în care o face o unitate umplută cu ulei. IEEE C57.12.01 clasificarea transformatorilor uscați se bazează pe o temperatură ambientală medie de 30 °C și maximă de 40 °C, iar o carcasă montată pe acoperiș în luna iulie depășește cu mult aceste valori. Funcționarea unui transformator uscat la 100 % din puterea nominală într-o carcasă la 50 °C reprezintă o decizie privind durata de funcționare, mascată ca fiind una conservatoare.

 

Curentul de pornire și căderea de tensiune: locul unde, de obicei, eșuează modernizările

Căderea de tensiune la pornirea unui motor prin transformator este aproximativ egală cu raportul dintre kVA la pornire și kVA ai transformatorului, înmulțit cu impedanța procentuală. Un compresor de 90 kW, cu un curent nominal de sarcină de 140 A și un curent blocat de 6×, consumă aproximativ 840 A la 480 V, ceea ce corespunde unei cereri de pornire de circa 698 kVA. Pentru un transformator de 1.500 kVA cu o impedanță de 5,75 %, această valoare rezultă într-o cădere de tensiune de aproximativ 2,7 %, bine în interiorul limitei de 10 % admise de majoritatea furnizorilor de energie electrică la punctul de racordare.

Reducerea capacității transformatorului la 1.000 kVA determină o scădere de 4,0 % a tensiunii produsă de același compresor. Acum, dacă se conectează doi compresori simultan, folosind aceeași comandă de etapizare, scăderea se dublează pentru o fracțiune de secundă – aceasta este condiția care declanșează protecțiile VFD și resetează sistemele de control. Secvențele de modernizare ieftine provoacă exact acest fenomen, deoarece logica de etapizare este scrisă de contractantul mecanic și nu este verificată de nimeni din domeniul electric.

Curent de intrare inițial curentul de pornire reprezintă un eveniment separat și mai important. Un transformator rece de 1.500 kVA poate absorbi, în primele 0,1 secunde, un curent de 8–12 ori mai mare decât cel nominal; la 480 V, aceasta înseamnă un curent de 14.000–21.000 A. Dacă valoarea de declanșare instantanee a întrerupătorului automat principal rămâne la setarea implicită de fabrică, ziua de punere în funcțiune începe cu un declanșare nedorită, urmată de o discuție privind posibila defectare a transformatorului.

Aceasta este partea pachetului pe care cumpărătorii o văd rar într-o ofertă. Fiecare unitate pe care o expediem pentru modernizare pleacă împreună cu un „envelope” calculat al curentului de pornire, atașat raportului de testare rutinier, astfel încât contractorul să poată seta întârzierea pe durată scurtă sau să specifice închiderea la punctul de undă înainte de sosirea camionului. Într-un proiect pentru o școală din Vermont, specificația electrică indica amperajul la blocare al compresorilor, dar fișele tehnice transmise menționau doar amperajul la sarcină nominală. Revizia documentelor a evidențiat neconformitatea cu trei săptămâni înainte de livrare, nu la ora 6:00 dimineața în ianuarie, în timpul punerii în funcțiune.

 

Armonicele provenite de la compresori cu invertor și efectele lor asupra înfășurării

Compresorii cu scroll și cu surub acționați prin invertor nu se comportă ca motoarele conectate direct la rețea. Partea lor frontală absoarbe un curent nesinusoidal, în mod tipic cu o distorsiune totală armonică a curentului de 25 % până la 40 % la sarcină parțială, iar acest spectru se transformă în înfășurare în pierderi suplimentare prin curenți paraziți și încălzire localizată. transformator de tip uscat selectat doar pe baza kVA va funcționa la o temperatură mai ridicată decât indică plăcuța sa de identificare, exact în orele în care uzina funcționează la 30% din capacitate.

Există două răspunsuri viabile. Specificați un transformator cu clasă K: K-4, acolo unde sunt prezente doar câteva variatoare de viteză, sau K-13, acolo unde unitățile exterioare VRF sau pachetele mari de variatoare de frecvență domină sarcina; sau reduceți puterea nominală a transformatorului convențional folosind metoda factorului de pierdere armonică. Ambele soluții sunt legitime; ignorarea acestei probleme nu este acceptabilă, în special în sistemele VRF, unde douăzeci de mici unități invertor adaugă distorsiunea lor în același punct de distribuție.

Efectul secundar este factorul de putere în avans la sarcină redusă. Condensatoarele din legătura CC injectează curent înaintea tensiunii atunci când uzina funcționează la 20% din sarcină într-o zi blândă, astfel încât un transformator pentru electrificarea pompelor de căldură transformator specificat pentru un factor de putere de 0.93 în urmă funcționează acum la un factor de putere de 0.85 în avans. Nimic nu cedează imediat, dar echipamentele de înregistrare ale furnizorului de energie, bateriile de condensatoare și sistemele de comandă pentru funcționarea în paralel a generatoarelor încep să se comporte în mod neobișnuit. Informați inginerul furnizorului înainte ca acesta să observe problema la o citire a contorului.

 

Climă rece, încălzire de rezervă și problema etapizării

Sub 12°C, unitățile standard cu sursă aerică oferă 55% până la 65% din capacitatea nominală. Unitățile pentru climă rece mențin 70% până la 80% și păstrează COP în jurul valorii 1,8. Indiferent de mărimea decalajului, încălzirea prin rezistență îl acoperă, iar încălzirea prin rezistență apare sub formă de trepte de sarcină. Un grup de rezervă de 120 kW etapizat în patru trepte de câte 30 kW adaugă 36 A pe fiecare treaptă la 480 V. Individual, această valoare nu reprezintă nimic. Însă activarea simultană a tuturor celor patru trepte la o singură comandă produce o schimbare bruscă de sarcină de 120 kW în mai puțin de un secundă, iar un transformator dimensionat exact la sarcina calculată nu poate face față acestei situații.

Degivrarea este vârful ascuns. Degivrarea în ciclu invers extrage căldură din bucla clădirii în timp ce compresoarele continuă să funcționeze, iar o instalație cu opt module poate efectua degivrarea în mod secvențial într-o dimineață umedă de 2°C. Proiectați pentru cazul coincident al degivrării, nu pentru tabelul de capacitate în regim staționar, și includeți curentul de pornire al repornirilor în aceeași calculare.

Învelișul și mediul înconjurător merită o atenție mai mare decât cea acordată de obicei în specificațiile pentru climă rece. Condensarea pe o înfășurare uscată fără alimentare la -25°C, urmată de o creștere rapidă a sarcinii dimineața, reprezintă o cale reală de defectare; încălzitoarele de spațiu și termostatul care funcționează efectiv nu sunt accesorii opționale. Pentru transformatoarele cu ulei montate pe platformă, în aceeași climă, punctul de turnare al fluidului și vâscozitatea la pornirea la rece trebuie incluse în specificație, nu într-o notă de subsol.

 

De la Specificație la Livrare: Ce Producem și Ce Testăm

Ryan Electric este o Furnizori de transformatoare cu listare UL companie care produce unități de clasă 1.500 kVA, ca aceasta, într-o instalație de 120.000 m² din Jiangsu, dotată cu peste 180 de seturi de echipamente de producție și testare și cu 37 de brevete. Ca partener într-o întreprindere comună cu Eaton din 2023, respectăm aceeași disciplină privind pierderile și impedanța aplicată de marii producători nord-americani de echipamente, iar datele obișnuite de testare sunt publicate integral, nu doar rezumate.

Fiecare unitate efectuează secvența rutinieră IEEE C57.12.90: rezistența înfășurărilor, raportul de transformare, polaritatea, pierderile la mersul în gol, pierderile la sarcină, impedanța, tensiunea aplicată și tensiunea indusă, plus un test de creștere a temperaturii pe tipul de proiectare. Impedanța este menținută în limitele de ±7,5 % față de valoarea specificată, ceea ce are importanță atunci când o companie de distribuție electrică analizează curentul de scurtcircuit înainte de a aproba o modernizare a serviciului. Această analiză este, de asemenea, motivul pentru care o transformator de tip uscat ofertă ar trebui să specifice explicit impedanța, în loc să o lase la valoarea implicită a fabricii.

Certificarea este un domeniu în care o Furnizori de transformatoare cu listare UL unitate fie are documentele necesare, fie nu le are. UL 1561 pentru unitățile uscate de uz general, CSA C22.2 nr. 66 pentru Canada, cULus acolo unde se aplică ambele piețe. Pe campusul din Ontario, compania de distribuție electrică a solicitat ca marca CSA să fie vizibilă pe plăcuța de identificare și ca raportul de încercare să poată fi asociat cu numărul de serie. Ambele documente se aflau în plicul de expediere și inspecția a fost aprobată la prima vizită.

 

 

Livrarea a durat 16 săptămâni de la desenele aprobate, iar inspectorul terț al proprietarului a fost prezent la testele rutiniere. După notificarea noastră privind punerea în funcțiune, încălzirea prin rezistență etajată a fost reconectată pentru control în două trepte, iar scăderea măsurată a tensiunii de serviciu la angajarea sursei de rezervă a scăzut de la 3,9 % la 1,8 %. Această modificare a costat un contactor și două ore de muncă ale unui electrician.

 

Pasul următor

Dacă convertiți o clădire încălzită cu gaz, trimiteți patru elemente: sarcina de încălzire pentru ziua de proiectare, împreună cu tabelul de capacitate corespunzător, curentul nominal și curentul de blocare al compresorului, sarcina clădirii păstrată și temperatura ambientală a învelișului. Vă returnăm o fișă de dimensionare care include kVA calculat, scăderea prevăzută a tensiunii, curentul de defect disponibil și o recomandare privind factorul K, de obicei în termen de două zile lucrătoare.

Cereți Furnizori de transformatoare cu listare UL setul de documente în același timp: raportul privind testele rutiniere, referința de listare UL sau CSA și declarația privind toleranța impedanței. Verificatorii din cadrul companiilor de distribuție solicită aceste trei documente, iar pregătirea lor anticipată accelerează mult mai mult aprobarea modernizării serviciului decât orice negociere privind prețul.

Despre autor — Acest articol a fost scris de echipa de ingineri specializată în transformatoare de la Ryan Electric, un producător certificat UL/CSA și partener de afaceri comun cu Eaton, cu sediul în Jiangsu, China, care furnizează transformatoare de tip uscat, cu ulei și montate pe suport pentru proiecte din domeniul centrelor de date, stocării de energie, energiei regenerabile, sănătății și utilităților, în America de Nord, Orientul Mijlociu, Asia de Sud-Est și Africa.