Автотрансформатор проти ізоляційного трансформатора: керівництво щодо вибору для проектів на 480 В і 600 В

 

Автотрансформатор проти ізоляційного трансформатора: питання, що стоїть за половиною наших листів про підбір потужності

Сервісний центр у Техасі надіслав нам однолінійну схему минулого квітня з одним рядком тексту над нею: «Електроживлення 600 В, двигуни на 480 В, загальна потужність приблизно 400 к.с. Чи дійсно нам потрібен трансформатор потужністю 500 кВ·А, чи достатньо буде бак-буст?» Цей лист — вся суть автотрансформатор проти ізоляційного трансформатора рішення, викладеного у двох реченнях. Відповідь залежала від двох фактів, і жоден із них не стосувався співвідношення напруг: скільки потужності обмоток фактично оплачує замовник і чи потрібно встановлювати нову заземлену систему.

Обидва продукти виготовляються на одній і тій самій лінії на нашому заводі й обидва мають позначку UL, коли їх виробляють для Північної Америки. Вони виконують зовсім різні завдання. Автотрансформатор має єдину обмотку, яку спільно використовують первинне й вторинне кола, тому струм навантаження проходить через загальну ділянку міді. Двообмотковий ізоляційний трансформатор повністю електрично розділяє два кола й зв’язує їх лише через магнітне коло. Усе, що випливає з цієї різниці — від вартості й маси до втрат, заземлення, гармонічної поведінки й аварійного струму — визначається саме нею.

Ось те, що найчастіше упускають більшість покупців: рішення рідко стосується зміни напруги. Майже будь-який пристрій може змінювати напругу. Справа в тому, що ще має робити трансформатор у вашій електричній системі.

 

Математика кВА, що визначає більшість специфікацій автотрансформаторів

Правило розрахунку потужності просте й пояснює, чому ці пристрої набагато менші за варіанти з двома обмотками. Обмотка повинна передавати лише перетворену частину навантаження: перетворена кВА = кВА навантаження × (1 − Vвихідна / Vвхідна).

Застосуємо це до техаського запиту. Зниження напруги з 600 В до 480 В дає 1 − (480 / 600) = 0,20, тому для навантаження 500 кВА потрібна лише приблизно 100 кВА обмотки автотрансформатора. Клієнт порівнює автотрансформатор на 100 кВА з двообмотковим трансформатором на 500 кВА: у п’ять разів менше міді, приблизно на третину менша вага в наших стандартних конструкціях з відкритим сердечником і значно менший сердечник — саме в ньому виникає більшість втрат холостого ходу.

 

 

Два інженерних наслідки супроводжують цю економію. По-перше, ефективний імпеданс, який бачить аварія, нижчий, тому струм короткого замикання на шині 480 В вищий, ніж у разі двообмоткового трансформатора зі схожою потужністю у кВА. Необхідно перевірити робочий пристрій захисту вищого рівня та відключаючу здатність розподільного щита нижчого рівня за новим значенням, а не за старим. По-друге, гальванічна ізоляція взагалі відсутня: будь-які перешкоди, імпульсні перенапруги чи гармонійні струми, що існують на первинному боці, також присутні й на вторинному боці.

 

Коли ізоляційний трансформатор перестає бути необов’язковим

Існує чотири ситуації, коли ми повністю відмовляємося від обговорення варіанта автотрансформатора, і це, як правило, очевидно вже на першій сторінці комплекту креслень.

• Створення нової заземленої системи. Якщо в межах обсягу робіт потрібно забезпечити новий нейтральний провід або джерело 480Y/277 В для живлення щита 208Y/120 В, трансформатор має бути окремою похідною системою. Автотрансформатор не може бути такою.
• Струм нульової послідовності та кратних трійці гармонік. З’єднання первинної обмотки в трикутник у двообмотковому трансформаторі забезпечує замкнений шлях для циркуляції струмів третьої, дев’ятої та п’ятнадцятої гармонік. Автотрансформатор не має такого бар’єру й передає їх безпосередньо до джерела.
• Навантаження приводів і випрямлячів. Над вентиляторними частотними перетворювачами (VFD) зазвичай застосовують індивідуального трифазного трансформатора дві обмотки зі з’єднанням первинної в трикутник і електростатичним екраном, який перехоплює шум спільного режиму, що автотрансформатор просто не може зупинити.
• Виявлення замикань на землю. Схеми вимірювальних трансформаторів струму нульової послідовності вимагають гальванічного розриву між первинною та вторинною обмотками. Автотрансформатор такого розриву не забезпечує, тому системи залишкового та нульової послідовності потрібно повністю переобладнати.

Найпоширенішою помилкою, яку ми спостерігаємо, є не помилка у класифікації, а помилка у припущенні: використання автотрансформатора зі зниженням і підвищенням напруги для отримання 120 В для керуючого живлення або розеток від незаземленої або кутово-заземленої системи на 480 В. Напруга відображається на вимірювальному приладі, тож монтаж здається правильним, але відсутній зворотний шлях для відключення замикання на землю й немає заземленого провідника для відліку. Така конфігурація створює загрозу життю й здоров’ю, і жодна економія на одиниці потужністю 15 кВА не варта такого ризику. Ми відмовляємося від таких замовлень і надсилаємо замість них пропозицію щодо двообмоткового трансформатора.

 

Заземлення ізоляційного трансформатора та правила Правил електроустановок, про які найчастіше запитують покупці

Питання заземлення — це там, де заземлення ізоляційного трансформатора рішення насправді приймаються. Згідно з NEC усі трансформатори, крім автотрансформаторів, є окремо виведеними системами, оскільки первинні та вторинні провідники не мають прямого з’єднання. Отже, для вторинної сторони потрібен власний заземлювальний перемичковий зв’язок системи, власний провідник заземлювального електрода та власний заземлювальний електрод згідно з розділом 250.30. Оскільки автотрансформатор має спільну обмотку між двома колами, він зовсім не є окремо виведеною системою: новий провідник заземлювального електрода встановлювати не потрібно, а заземлювальний зв’язок обладнання зі сторони джерела має залишатися неперервним і цілим. Це правило та його наслідки детально викладено в цьому EC&M посібнику щодо заземлення та з’єднання окремо виведених систем .

Захист від перевантаження струмом — це друге правило, про яке запитують покупці. Автотрансформатори потребують індивідуального захисту від перевантаження струмом у серії з кожним незаземленим вхідним провідником згідно з NEC 450.4, що відрізняється від правил для двообмоткових трансформаторів, з якими електротехнічні проектанти працюють щодня. Варто підтвердити це на кресленні до того, як одиниці будуть передані в серійне виробництво, оскільки модернізація системи захисту після виготовлення розподільного пристрою призведе до дорогих обговорень. Посилання на текст опубліковано в NFPA 70, National Electrical Code .

Обсяг сертифікації — це третій пункт, і саме тут Постачальники трансформаторів, сертифіковані UL має бути здатним відповісти без перевірки. Стандарт ANSI/UL 1561 охоплює сухі трансформатори загального призначення та силові трансформатори у виконанні підвищувальних, понижувальних, ізольованих та автотрансформаторних, а його сфера застосування обмежена номінальною первинною або вторинною напругою до 600 В. Звідси випливають дві практичні наслідки. Будь-який автотрансформатор, придбаний для системи 480 В або 600 В, має мати сертифікацію UL 1561, а постачальник, який позначає одиницю 13,8 кВ як сертифіковану за UL 1561, має проблеми з документацією. Вимагайте вказівки номера стандарту та класу напруги, а не лише логотипу. Сфера застосування опублікована в Магазині стандартів та взаємодії UL .

 

Автотрансформатор проти ізольованого трансформатора: порівняння поруч

Ключовий момент прийняття рішення	АВТОТРАНСФОРМАТОР	Ізольований (двовитковий)
Перетворена потужність у кВА, навантаження 500 кВА, 600 В до 480 В	Близько 100 кВА	500 КВА
Маса встановленого пристрою та площина підлоги	Низька	Високий
Втрати при навантаженні	Нижча (менший магнітопровід)	Вищий
Система, окремо отримана відповідно до розділу NEC 250.30	No	Так
Шлях для трикратних гармонік / нульової послідовності	Проходить через	Блокується первинним дельта-трансформатором
Загасання шумів у спільному режимі	Без	Так, з електростатичним екраном
Обмеження аварійного струму	Мінімальний	Встановлюється вказаним значенням %Z
Типове використання	600/480 В або 208/240 В із узгодженням на одній заземленій системі	Нова розподільна мережа, двигуни, навантаження з гармоніками, отримання нейтралі

Наше власне практичне правило коротке. Якщо відповідь на запитання «чи потребує це навантаження нової заземленої системи або бар’єру проти гармонічних та спільномодових струмів?» — «ні», а співвідношення напруг помірне, то автотрансформатор, як правило, вигідніший за загальну вартість монтажу. Якщо ж хоча б одна з відповідей — «так», то двообмотковий трансформатор є єдиним відповідним варіантом, і автотрансформатор проти ізоляційного трансформатора порівняння на цьому завершується.

 

Що ми перевіряємо перед тим, як будь-яка конструкція вирушає у відправку

Рутинне випробування є однаковим для обох конструкцій і саме на цьому етапі замовлення або перетворюється на трансформатор, або стає браком: коефіцієнт трансформації та полярність, опір обмоток, прикладена напруга та індукована ЕРС, втрати холостого ходу та втрати під навантаженням (порівняно з розрахунковими значеннями), а також підвищення температури — останнє визначається на вибірковій основі. Для блоків із литою смолою ми додаємо вимірювання часткових розрядів і забезпечуємо, щоб результати залишалися нижче граничного значення, домовленого на етапі замовлення, оскільки чисте показання на заводі — це запобігання спорів про гарантію через три роки.

Ryan Electric виробляє обидва типи на заводі площею 120 000 квадратних метрів, оснащеному понад 180 комплектами виробничого й випробувального обладнання та маючи 37 патентів у групі, за сертифікатами UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS та CE. З 2023 року ми також діємо як офіційний партнер спільного підприємства Eaton, тому документація щодо рутинних випробувань має однаковий формат як для автотрансформатора потужністю 15 кВА типу «понижуючий–підвищуючий», так і для масляного трансформатора потужністю 5 МВА. Як Постачальники трансформаторів, сертифіковані UL для північноамериканських проектів у сфері комунальних послуг, центрів обробки даних та промисловості ми постачаємо трансформатори у вбудованих корпусах, сухого типу та з масляним охолодженням із маркуванням, яке очікує місцевий інспектор на табличці, незалежно від того, чи є замовлення стандартним розподільним пристроєм чи індивідуального трифазного трансформатора виготовленим за незвичайним коефіцієнтом трансформації.

Один деталь із техаського замовлення варто згадати. Запропонований нами автотрансформатор мав потужність 100 кВА, але його корпус все одно потребував кабельного вводу класу 480 В і нейтральної шини для живлення панелі. Пристрій, який виглядає найдешевшим у цитаті, не обов’язково є найдешевшим у монтажі, доки деталі приєднання не будуть правильно виконані на кресленні — і це питання креслення, а не ціни.

 

Надішліть однолінійну схему, і ми розрахуємо обидва варіанти

Ми відповідаємо на електронні листи щодо підбору розмірів, надаючи порівняння, а не єдину ціну. Надішліть однорядкову схему з вказаним джерелом напруги та схемою заземлення, навантаженням у кВА та потужністю двигуна у кінських силах, будь-яким навантаженням від перетворювача або випрямляча, доступним струмом короткого замикання на вводі та температурою навколишнього середовища на об’єкті. Ми надамо вам обидва варіанти: з автотрансформатором та з двома обмотками — кожен із зазначенням потужності обмоток у кВА, відсотка імпедансу (%Z), класу корпусу та стандарту сертифікації, під яким він буде сертифікований.

Якщо проект є індивідуального трифазного трансформатора з незвичайним коефіцієнтом трансформації, нестандартним корпусом або спеціальним обсягом випробувань, наші інженери підтверджують конфігурацію обмоток до виходу креслення. Замовте розрахунок вартості або надішліть схему до нашого відділу продажів і технічної підтримки, і ми повідомимо вас, який із двох типів конструкції справді потрібний для вашого монтажу.

Про автора: Цей посібник підготувала команда інженерів з продажів компанії Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., яка розробила, пройшла типове випробування та поставила трансформатори сухого типу, масляні та трансформатори у вбудованому виконанні для проектів дата-центрів, енергетичних систем та промислових об’єктів у Північній Америці, на Близькому Сході та в Південно-Східній Азії. Для отримання допомоги у виборі автотрансформаторів або роздільних трансформаторів або для перевірки однолінійної схеми зверніться до нашого інженерного відділу через форму запиту на сайті.