Isı Pompası Elektrifikasyonu İçin Transformatör: Devreye Alım ve Kış Zirvesi İçin Ticari Yenilemelerin Boyutlandırılması

Güney Ontario’daki bir okul kampüsü, 2026 yazında doğalgazlı kazanlarını kaldırdı ve bunların yerine 420 kW kapasiteli hava kaynaklı ısı pompaları kurdu. Makine mühendisi, kompresörleri doğru şekilde boyutlandırdı. Ancak elektrik sistemi ilk soğuk sabahında yine de başarısız oldu: öncü kompresörün çalıştırılması, 1.200 A’lik ana şebekedeki gerilimi 398 V’a düşürdü ve ikinci aşamanın devreye girmesinden önce çatı üstü VFD’lerinden ikisi düşük gerilim nedeniyle devreden çıktı. ısı pompası elektrifikasyonu için transformatör genellikle bir yenileme projesinin çiziminde tartışılan bir kalemdir; ancak tam da bu yüzden yetersiz boyutlandırılmış olma riski taşır.

 

Elektrifikasyon Yenilemeleri Transformatör Varsayımlarını Bozar

Bir gaz kazanı ve bir ısı pompası aynı miktarda ısı sağlar. Bir elektrik şemasında ikisinin ortak noktası yoktur. Kazan, bir dolaşım pompası ve bir brülör kontrolü için birkaç yüz watt çeker. Isı pompası ise hermetik motor-kompresörler aracılığıyla yüzlerce kilowatt çeker ve bunu bloklar halinde yapar: başlangıç, kademe yükseltme, çözülme (defrost), kademe düşürme.

Mevcut tesisatlar, yazın soğutma tepe yüküne ve çeşitlendirilmiş aydınlatma yüküne göre boyutlandırılmıştır. Isıtma yenilemesi, tepe yükünü kış sabahına kaydırır; bu sırada aydınlatma ve prize bağlı yükler de neredeyse maksimum seviyededir ve bir termal yük, bir motor yüküne dönüştürülür. İşte burada ısı pompası elektrifikasyonu için transformatör gerçek karar başlar, kompresör seçimi tablosunda değil.

Yük hesaplamaları tarafından rutin olarak göz ardı edilen üçüncü bir değişiklik daha vardır. Orijinal servis hesabı, kısa kış zirvesi ve düşük motor içeriğine sahip bir doğalgazla ısıtılan bina için bir elektrik dağıtım şirketi tarafından onaylanan talep faktörlerini içeriyordu. Aynı çeşitlilik varsayımlarının bir ısı pompası tesisine yeniden uygulanması yükü altakadar gösterir, çünkü aşamalı kompresörler priz ve aydınlatma yükleri gibi çeşitlenmez.

 

Yük Hesabı: Servisten Gerçekten Ne Talep Ediyor Isı Pompaları

Daima adı üzerindeki kapasite değil, tasarım-günü kapasitesinden başlayın. Güney Ontario’da nominal 420 kW’lık bir hava kaynaklı tesis, 8,3°C’de 420 kW sağlayabilir ancak -15°C tasarım koşulunda bunun yalnızca yaklaşık %68’ini sağlayabilir. Yayınlanmış kapasite tabloları bu düşüşü gösterir; ancak bunların daha az açık gösterdiği şey, elektrik girdisinin aynı anda arttığıdır çünkü COP yaklaşık 3,4’ten 1,8’e düşer.

Yukarıdaki kampüs örneğinden yapılan hesaplama, 480 V’lik orta büyüklükte bir ticari yenileme projesine tipik bir örnektir:

• Isı pompaları, 2 modül × 210 kW: -15°C’de 233 kW elektrik tüketimi, COP 1,8
• Dolaşım pompaları, 4 sabit hızlı: 22 kW, sürekli
• Kontroller ve BMS: 4 kW, sürekli
• Dirençli yedek ısıtma, 4 kademe: 120 kW, yalnızca tasarım sıcaklığının altında çalışırken
• Tasarım elektriksel toplamı: 379 kW, 0,93 güç faktörüyle yaklaşık 407 kVA

 

 

Bu 407 kVA yükü temsil eder. Trafo boyutunu değil. Bu iki değer arasındaki fark, yenileme bütçelerinin her iki yönde de yanlış hesaplandığı noktadır; bir sonraki bölüm, binanın asla kullanmayacağı %40 fazla bakır almadan bu farkı kapatmayı ele alır.

 

Isı Pompası Elektrifikasyonu İçin Trafo Boyutlandırması

NEC Madde 440, motor-kompresör devrelerini düzenler ve sızdırmaz soğutucu akışkan kompresörleri için adi akım yerine çalışma akımı değerini ister. Besleme ve servis toplamları hâlâ Madde 220 üzerinden hesaplanır ve NFPA 70 bu, müfettişinizin aslında okuyacağı metindir. Uygulamada: kompresörlerin çalışma akımı değerlerini, kademe sistemiyle çalışan yedek ısıtma sistemini, şunları içeren bir hesaplanmış yükten trafo boyutunu belirleyin başlangıç akımı bu kompresörlerin çalıştırılmasının yarattığı yük ve sürekli bağlı kalan bina yüküdür.

Ontario örneğinde kazanların kaldırılmasından sonra kalan bina yükü 520 kVA idi. Toplam yük 927 kVA oldu. Mevcut 750 kVA’lık yerde monte edilen ünite, zirve yaz günlerinde zaten %98 civarında çalışıyordu; bu nedenle yeniden kullanımı mümkün değildi. 1.500 kVA, 13,8 kV delta – 480Y/277 V, %5,75 empedanslı bir trafo belirttik; bu, bir sonraki standart boyuttur ve aynı programın ikinci aşaması için yaklaşık %35 fazladan kapasite bırakır.

Üç sayı doğrudan takip eder ve her biri aşağı akış donanımını değiştirir. Birincil akım 62,8 A’dir. İkincil tam yük akımı 1.804 A’dir. Terminaldeki kullanılabilir ikincil kısa devre akımı yaklaşık 31 kA’dır ve bu değer, anahtarlama ekipmanının 42 kA ya da 65 kA olarak sipariş edilip edilmeyeceğine karar verir. Aynı zamanda müteahhitlerin en sık talep etmeyi unuttuğu değerdir.

Yüklemeyle ilgili bir uyarı. Bir kuru tip transformatör yağlı bir ünitenin yaptığı gibi sürekli aşırı yük taşıyamaz. IEEE C57.12.01 kuru tip cihazların nominal değerleri, ortalama 30 °C ve maksimum 40 °C ortam sıcaklığına ve Temmuz ayında bu değerlerin çok üzerinde kalan bir çatı üstü muhafaza koşuluna dayanır. 50 °C’lik bir muhafaza içinde kuru tip bir ünitenin adı üzerindeki tam kapasiteyle çalıştırılması, aslında servis ömrünü kısaltan bir karardır; ancak bu, konservatif bir yaklaşım gibi sunulur.

 

Başlangıç Anı Akımı ve Gerilim Düşmesi: Genellikle Yenileme Projelerinin Başarısız Olduğu Nokta

Bir transformatörde motorun başlangıcına bağlı gerilim düşmesi, yaklaşık olarak başlangıç kVA’sının transformatör kVA’sına bölünmesiyle elde edilen sonuçla transformatörün yüzde empedans değeri çarpılarak hesaplanır. 140 A anma yük akımına ve kilitli rotor akımının 6 katı olan 90 kW’lık bir kompresör, 480 V’te yaklaşık 840 A çeker; bu da 698 kVA’lık bir başlangıç talebi demektir. %5,75 empedanslı 1.500 kVA’lık bir transformatör üzerinden bu değer yaklaşık %2,7’lik bir gerilim düşmesine karşılık gelir; bu da çoğu şebeke işletmecisinin servis noktasında izin verdiği %10’luk sınırın rahatça altında kalır.

Dönüştürücüyü 1.000 kVA’ya küçültün; aynı kompresör artık %4,0’lık bir gerilim düşüşüne neden olur. Şimdi aynı aşamalı çalıştırma komutunu kullanan iki kompresörü aynı anda devreye alın: bu durumda gerilim düşüşü bir saniyenin kesirli bir bölümü için iki katına çıkar — bu da VFD’leri devreden çıkaran ve kontrol sistemlerini sıfırlayan koşuldur. Ucuz yenileme sıralamaları tam olarak bunu yapar, çünkü aşamalı çalıştırma mantığı mekanik yüklenici tarafından yazılır ve elektrik tarafında kimse tarafından gözden geçirilmez.

Başlangıç akımı enerjilendirme anındaki olay ayrı ve daha büyük çaplıdır. Soğuk bir 1.500 kVA ünitesi ilk 0,1 saniye içinde anma akımının 8 ila 12 katı kadar akım çekebilir; bu da 480 V’te 14.000 ila 21.000 A anlamına gelir. Ana kesiciye ait ani açma ayarını fabrika varsayılan değerinde bırakın; bu durumda kabul testi günü gereksiz bir açılmayla başlar ve ardından dönüştürücünün arızalı olup olmadığı konusunda tartışma çıkar.

Bu, alıcıların bir teklifte nadiren gördüğü paketin parçasıdır. Her birimimizi bir yenileme işlemi için gönderirken, rutin test raporuna hesaplanmış bir başlangıç akımı zarfı eklenir; böylece yüklenici, kamyonun varışından önce kısa süreli gecikmeyi ayarlayabilir veya dalga tepesi kapanışını belirtebilir. Vermont’taki bir okul projesinde elektriksel spesifikasyon, kompresörler için kilitlenmiş rotor amperini listelemişti; ancak sunulan teknik veri sayfaları yalnızca nominal yük amperini belirtiyordu. Sunum incelemesi, bu uyumsuzluğu teslimattan üç hafta önce tespit etti; aksi takdirde bu durum Ocak ayında bir başlatma sırasında sabah 6:00’da fark edilecekti.

 

Inverter Kompresörlerinden Kaynaklanan Harmonikler ve Sargılara Etkileri

Inverter ile çalışan spiral ve vida tipi kompresörler, doğrudan şebekeye bağlı motorlar gibi davranmaz. Bunların ön uçları sinüsoidal olmayan akım çeker; kısmi yükte genellikle toplam harmonik akım bozulması %25 ila %40 arasındadır ve bu spektrum, sargıya fazladan örtük akım kaybı ve yerel ısınma olarak yansır. Bir kuru tip transformatör sadece kVA’ya göre seçilen bir cihaz, tesisin %30 kapasitede olduğu saatlerde adı üzerinde belirtilen sıcaklıktan daha yüksek sıcaklıklarda çalışacaktır.

İki uygulanabilir çözüm vardır. Sürücülerin sayısı azsa K-4 sınıfı, VRF dış üniteleri veya büyük VFD paketleri baskın durumdaysa K-13 sınıfı K dereceli bir cihaz belirtmek; ya da harmonik kayıp faktörü yöntemiyle geleneksel bir cihazı düşük yükte çalıştırmak. Her iki yöntem de geçerlidir; ancak özellikle yirmi adet küçük invertör ünitesinin aynı dağıtım noktasında bozulmalarını topladığı VRF sistemlerinde bu soruyu göz ardı etmek kesinlikle kabul edilemez.

İkincil etki, düşük yüklemede ileri güç faktörüdür. DC bağlantı kondansatörleri, tesiste hafif bir günde %20 kapasiteyle beklenme durumu oluştuğunda akımı gerilimden önce iter; bu nedenle ısı pompası elektrifikasyonu için transformatör şimdi 0,93 geri faz açısına göre belirtilen bir cihaz, 0,85 ileri faz açısında çalışır. Hiçbir şey anında arızalanmaz ama şebeke sayaçları, kondansatör bankaları ve jeneratör paralel çalışma kontrolleri tuhaf davranışlar göstermeye başlar. Bunun farkına şebeke mühendisi sayaç okuması sırasında varmadan önce ona bilgi verin.

 

Soğuk İklim, Yedek Isıtma ve Aşamalı Çalıştırma Sorunu

–12 °C’nin altındaki sıcaklıklarda standart hava kaynaklı üniteler, nominal kapasitenin %55’ini ile %65’ini sağlar. Soğuk iklim üniteleri ise %70 ila %80 aralığında kalır ve COP değerini yaklaşık 1,8 seviyesinde tutar. Kapasite farkı ne olursa olsun, bu fark dirençli ısıtma ile giderilir ve dirençli ısıtma yük adımları şeklinde gerçekleşir. Dört adet 30 kW’lık aşamadan oluşan 120 kW’lık yedek güç bankası, 480 V’te her aşama için 36 A ekler. Tek başına bu değer önemsizdir. Ancak dört aşama aynı anda devreye girerse bir saniyenin altında sürede 120 kW’lık bir adım değişimi oluşur ve tam olarak hesaplanan yüke göre boyutlandırılmış bir transformatörün buna karşı vereceği bir cevabı yoktur.

Çözülme işlemi gizli tepe yüküdür. Ters çevrimli çözülme sırasında kompresörler çalışmaya devam ederken ısı, bina döngüsünden çekilir; sekiz modülden oluşan bir sistem, nemli bir 2 °C sabahında sıralı çözülme yapabilir. Tasarımda sürekli durum kapasite tablosu değil, eşzamanlı çözülme durumu esas alınmalı ve yeniden başlatmaların ani akım çekimi aynı hesaplama içine dahil edilmelidir.

Kapalı alan ve ortam, soğuk iklim şartlarının genellikle gösterdiği dikkatten daha fazla dikkat gerektirir. -25°C’de enerjisiz kalmış bir kuru tip sarımda yoğunlaşma oluşması ve ardından sabahın erken saatlerinde hızlı yük artışı yaşanması, gerçek bir arıza yolu olabilir; bu nedenle ısıtıcılar ve gerçekten çalışan bir termostat zorunlu donanımdır. Aynı iklim koşullarında yağlı yerüstü trafo merkezleri için akışkanın donma noktası ve soğuk çalıştırma viskozitesi, teknik şartnamede belirtilmesi gereken kritik parametrelerdir; bunlar yalnızca bir dipnota bırakılmamalıdır.

 

Teknik Şartnameden Sevkiyata: Ne Üretiyoruz ve Ne Test Ediyoruz

Ryan Electric bir UL listeli transformatör tedarikçisi jiangsu’daki 120.000 m²’lik tesisinde, 180’den fazla üretim ve test ekipmanı seti ile 37 patentle birlikte bu tür 1.500 kVA sınıfı üniteler üretmektedir. 2023 yılından beri Eaton ile ortaklık kurmuş olan şirketimiz, Kuzey Amerika’da faaliyet gösteren büyük OEM’lerin uyguladığı aynı kayıp ve empedans disiplinine bağlı kalmakta ve test verilerini özetlemek yerine tamamını yayınlamaktadır.

Her bir birim, IEEE C57.12.90 rutin sırasını çalıştırır: sargı direnci, oran, kutupluluk, boşta kayıp, yükte kayıp, empedans, uygulanan gerilim ve indüklenen gerilim; ayrıca tasarım üzerinde sıcaklık yükselmesi tipi testi de yapılır. Empedans, belirtilen değerin ±%7,5’i içinde tutulur; bu, bir elektrik dağıtım şirketi, bir servis yükseltmesini onaylamadan önce kısa devre akımını incelediğinde önem kazanır. Bu inceleme, aynı zamanda bir kuru tip transformatör teklifin empedans değerini açıkça belirtmesi gerektiğini, bunu fabrika varsayılanına bırakmaması gerektiğini gösterir.

Sertifikasyon, bir UL listeli transformatör tedarikçisi ya belgeleri vardır ya da yoktur. Kuru tip genel amaçlı üniteler için UL 1561, Kanada için CSA C22.2 No. 66, her iki pazar için geçerli olduğunda cULus. Ontario kampüsünde elektrik dağıtım şirketi, isim plakasında CSA işareti okunaklı olmalı ve seri numarasına izlenebilir bir test raporu istemiştir. Her iki belge de sevkiyat zarfında yer alıyordu ve denetim ilk ziyarette başarıyla tamamlandı.

 

 

Teslimat, onaylı çizimlerden itibaren 16 hafta sürdü; sahibin üçüncü taraf denetçisi rutin testleri izledi. Devreye alma notumuzdan sonra aşamalı direnç ısıtması iki aşamalı kontrol için yeniden kablolandı ve yedekleme devreye girdiğinde ölçülen servis düşüşü %3,9'dan %1,8'e düştü. Bu değişiklik bir kontaktör ve bir elektrikçinin iki saatlik zamanını gerektirdi.

 

Sonraki adım

Gazla ısıtılan bir binayı dönüştürüyorsanız dört şey gönderin: tasarım günü ısıtma yükünü ve arkasındaki kapasite tablosunu, kompresörün nominal yük ve kilitlenmiş rotor akımını, korunan bina yükünü ve muhitenin ortam sıcaklığını. Genellikle iki iş günü içinde hesaplanan kVA, tahmini gerilim düşüşü, mevcut kısa devre akımı ve bir K-faktörü önerisi içeren bir boyutlandırma sayfası gönderiyoruz.

Test raporu veya spektrometrik analizi UL listeli transformatör tedarikçisi rutin test raporu, UL veya CSA listeleme referansı ve empedans tolerans bildirimi aynı anda hazırlanmış belge setidir. Şebeke inceleyicileri bu üç belgeyi talep eder; bunların hazır olması, herhangi bir fiyat müzakeresinden çok daha fazla ölçüde bir servis yükseltmesi onay sürecini kısaltır.

Yazar hakkında — Bu makale, Kuzey Amerika, Orta Doğu, Güneydoğu Asya ve Afrika genelinde veri merkezi, enerji depolama, yenilenebilir enerji, sağlık hizmetleri ve kamu hizmetleri projelerine kuru tip, yağlı ve direk montajlı transformatörler sağlayan, Jiangsu, Çin merkezli UL/CSA sertifikalı bir üretici ve Eaton ortak girişimi olan Ryan Electric’in transformatör mühendisliği ekibi tarafından yazılmıştır.