Трансформатор для електрифікації теплових насосів: розрахунок потужності для комерційних модернізацій з урахуванням пускових струмів та зимового пікового навантаження

На території шкільного кампусу в південній частині Онтаріо газові котли було демонтовано влітку 2026 року й замінено тепловими насосами з повітря, загальною потужністю 420 кВт. Механічний інженер правильно розрахував потужність компресорів. Проте електропостачання все одно вийшло з ладу вранці першого морозного дня: пуск провідного компресора знизив напругу на головному вводі струму 1200 А до 398 В, і два частотні перетворювачі на даху вимкнулися через недостатню напругу ще до введення другого ступеня в роботу. трансформатор для електрифікації теплових насосів зазвичай не є тим пунктом, щодо якого виникають суперечки на кресленнях модернізації, і саме тому його часто розраховують із запасом, недостатнім для реальних умов.

 

Модернізації з метою електрифікації спростовують припущення щодо трансформаторів

Газовий котел і тепловий насос забезпечують однакову кількість тепла. На електричній схемі вони не мають нічого спільного. Котел споживає кілька сотень ват на циркуляційний насос і керування пальником. Тепловий насос споживає сотні кіловат через герметичні двигуни-компресори й робить це блоками: старт, підвищення потужності, розморожування, зниження потужності.

Існуючі електричні системи були розраховані з урахуванням літнього піку охолодження та розподіленого навантаження на освітлення. Модернізація системи опалення переносить пікове навантаження на зимове ранкове час, коли навантаження на освітлення й розетки також наближаються до максимуму, а теплове навантаження перетворюється на двигунне навантаження. трансформатор для електрифікації теплових насосів рішення фактично починається саме тут, а не в таблиці вибору компресора.

Існує ще одна, третя зміна, яку розрахунки навантаження зазвичай упускають із уваги. У початковому розрахунку електропостачання використовували коефіцієнти одночасності, схвалені енергопостачальною організацією для будівлі з газовим опаленням, де короткий зимовий пік і низький вміст електродвигунів. Повторне застосування тих самих припущень щодо розподілу навантаження до системи теплових насосів призводить до заниження розрахункового навантаження, оскільки ступінчасті компресори не розподіляють навантаження так само, як розетки й освітлення.

 

Розрахунок навантаження: що насправді вимагають теплові насоси від електромережі

Починайте з потужності в проектний день, а не з номінальної потужності на табличці. Номінальна потужність повітряного теплового насоса 420 кВт у південній Онтаріо може становити 420 кВт при температурі +8,3 °C, але лише близько 68 % цієї величини — при проектній температурі -15 °C. У опублікованих таблицях потужності показано це зниження; однак менш очевидно, що електричне споживання одночасно зростає, оскільки ККД зменшується з приблизно 3,4 до 1,8.

Ось розрахунки для кампусу, наведеного вище, що є типовими для середньомасштабного комерційного переобладнання при напрузі 480 В:

• Теплові насоси, 2 модулі × 210 кВт: 233 кВт електричної потужності при -15 °C, ККД 1,8
• Циркуляційні насоси, 4 постійної швидкості: 22 кВт, безперервно
• Системи керування та BMS: 4 кВт, безперервно
• Резистивне резервне опалення, 4 ступені: 120 кВт, лише при температурі нижче проектної
• Проектна загальна електрична потужність: 379 кВт, близько 407 кВА при коефіцієнті потужності 0,93

 

 

Ці 407 кВА — це навантаження. Це не розмір трансформатора. Різниця між цими двома значеннями — саме те, що призводить до помилок у бюджетах модернізації в обох напрямках, а в наступному розділі йдеться про те, як усунути цю різницю, не купуючи на 40 % більше міді, ніж коли-небудь буде використано в будівлі.

 

Визначення потужності трансформатора для електрифікації теплових насосів

Стаття 440 NEC регулює електричні ланцюги двигунів-компресорів і вимагає використовувати струм при номінальному навантаженні замість струму, вказаного на табличці, для герметичних компресорів, що працюють з хладагентом. Загальні розрахунки живлення та підключення до мережі все ще виконуються за Статтею 220, і NFPA 70 саме цей текст інспектор фактично прочитає. На практиці: розраховуйте потужність трансформатора на основі обчисленого навантаження, яке включає струми при номінальному навантаженні компресорів, ступінчасте резервне опалення, початковий ток що створюють ці компресори під час запуску, і навантаження будівлі, яке залишається підключеним.

У випадку Онтаріо залишкове навантаження будівлі після демонтажу котлів становило 520 кВА. Загальне навантаження досягло 927 кВА. Існуюча зовнішня трансформаторна підстанція потужністю 750 кВА вже працювала на піку літніх днів приблизно на 98 %, тому її повторне використання було виключено. Ми вказали трансформатор потужністю 1500 кВА, напругою 13,8 кВ (трикутник) до 480Y/277 В, з імпедансом 5,75 % — це наступний стандартний розмір, який забезпечує приблизно 35 % резерву потужності для другого етапу реалізації тієї самої програми.

Три числові значення наведено безпосередньо нижче, і кожне з них впливає на вибір подальшого обладнання. Первинний струм — 62,8 А. Номінальний вторинний струм — 1804 А. Доступний вторинний струм короткого замикання на затискачах становить приблизно 31 кА; саме це значення визначає, чи слід замовлювати комутаційне обладнання з витримкою струму КЗ 42 кА чи 65 кА. Це також те значення, яке підрядники найчастіше забувають запросити.

Одне застереження щодо навантаження. сухий тип трансформатор не здатний тривало витримувати перевантаження так само, як трансформатор з масляним охолодженням. IEEE C57.12.01 сухі трансформатори розраховуються на середню температуру навколишнього середовища 30 °C і максимальну — 40 °C; у липні температура в даховому корпусі значно перевищує ці значення. Експлуатація сухого трансформатора на 100 % його номінальної потужності всередині корпусу з температурою 50 °C — це рішення щодо терміну служби, замасковане під консервативний підхід.

 

Пусковий струм і провал напруги: місце, де модернізації зазвичай невдаються

Провал напруги при пуску двигуна через трансформатор приблизно дорівнює відношенню пускової потужності (кВА) до номінальної потужності трансформатора (кВА), помноженому на відсоток його внутрішнього опору. Компресор потужністю 90 кВт із номінальним струмом 140 А та пусковим струмом у 6 разів більшим за струм блокування ротора споживає при пуску близько 840 А при 480 В, що відповідає пусковій потужності близько 698 кВА. Через трансформатор потужністю 1500 кВА з внутрішнім опором 5,75 % це дає приблизно 2,7 % провалу напруги — значення, яке безпечно поступається граничним 10 %, дозволеним більшістю енергопостачальників у точці підключення.

Зменшіть потужність трансформатора до 1000 кВА, і той самий компресор викликає провал напруги на 4,0 %. Тепер підключіть два компресори до одного й того самого ступеневого керування — провал подвоїться на долю секунди, що й спричиняє вимкнення ПЧ та скидання керуючих пристроїв. Недорогі модернізаційні послідовності роблять саме це, оскільки логіку ступеневого керування пише механічний підрядник, а її ніхто з електротехнічної сторони не перевіряє.

Початковий ток піковий струм у момент підключення — це окрема й більша подія. Холодний трансформатор потужністю 1500 кВА може споживати струм у 8–12 разів більший за номінальний протягом перших 0,1 с, що при напрузі 480 В означає 14 000–21 000 А. Якщо залишити миттєве значення струму спрацьовування головного автоматичного вимикача на заводських налаштуваннях, то перший день введення в експлуатацію завершиться дратівливим вимкненням, за яким послідує суперечка про те, чи є трансформатор дефектним.

Це частина пакета, яку покупці рідко бачать у комерційній пропозиції. Кожна одиниця, яку ми постачаємо для модернізації, супроводжується розрахунковим графіком початкового струму, прикріпленим до звіту про стандартні випробування, щоб підрядник міг налаштувати затримку короткочасного струму або вказати закриття в точці хвилі ще до прибуття вантажівки. У проекті школи штату Вермонт у електротехнічному завданні було вказано струм заблокованого ротора для компресорів, але надані технічні описи містили лише номінальний струм навантаження. Перевірка документів виявила цю невідповідність за три тижні до поставки, а не о 6 годині ранку під час запуску у січні.

 

Гармоніки від інверторних компресорів та їх вплив на обмотку

Інверторні спіральні та гвинтові компресори поводяться не так, як двигуни, підключені безпосередньо до мережі. Їхні вхідні ланцюги споживають несинусоїдальний струм, зазвичай з загальним спотворенням гармоніками струму від 25 % до 40 % при частковому навантаженні, і цей спектр викликає додаткові вихрові втрати та локальне нагрівання в обмотці. A сухий тип трансформатор обрані лише за кВА будуть працювати гарячіше, ніж вказано на табличці, саме в ті години, коли потужність заводу становить 30%.

Існує два робочих рішення: вказати блок із класом K (K-4 — у разі наявності кількох частотних перетворювачів, K-13 — якщо переважають зовнішні блоки VRF або великі комплекти VFD) або знизити номінальну потужність звичайного блоку за методом коефіцієнта втрат через гармоніки. Обидва підходи є обґрунтованими; ігнорування цього питання — неприпустимо, особливо у системах VRF, де двадцять малих інверторних блоків одночасно вносять спотворення в одне й те саме розподільче джерело.

Другинним ефектом є опережаючий коефіцієнт потужності при навантаженні нижче номіналу. Конденсатори постійного струму в шині постійного струму вводять струм у фазу попереду напруги, коли потужність заводу знижується до 20% у пом’якшену погоду, тому трансформатор для електрифікації теплових насосів блок, вказаний як 0,93 із відставанням, тепер працює з коефіцієнтом 0,85 із опережанням. Ніщо не виходить із ладу одразу, але комунальні лічильники, батареї конденсаторів та системи керування паралельним підключенням генераторів починають поводитися непередбачувано. Повідомте інженера комунального підприємства до того, як він виявить це під час зняття показань лічильника.

 

Холодний клімат, резервне опалення та проблема чергування

При температурі нижче −12 °C стандартні агрегати з повітряним джерелом забезпечують 55–65 % номінальної потужності. Агрегати для холодного клімату зберігають 70–80 % потужності й підтримують ККД близько 1,8. Незалежно від різниці, її компенсує резистивне опалення, яке активується ступенями навантаження. Резервний блок потужністю 120 кВт, розподілений на чотири ступені по 30 кВт, додає по 36 А на кожну ступень при напрузі 480 В. Окремо це нічого не означає. Але одночасне вмикання всіх чотирьох ступенів за один запит призводить до стрибка потужності на 120 кВт за менше ніж одну секунду, і трансформатор, розрахований точно на розрахункове навантаження, не зможе цього витримати.

Розморожування — прихований піковий навантаження. Розморожування з реверсом циклу відбирає тепло з контуру будівлі, тоді як компресори продовжують працювати, і система з вісьма модулями може проводити послідовне розморожування навіть у вологу ранкову погоду з температурою 2 °C. Проектуйте систему з урахуванням одночасного розморожування, а не за таблицею стаціонарної потужності, і враховуйте пускові струми при повторному запуску в той самий розрахунок.

Корпус і навколишнє середовище заслуговують більшої уваги, ніж зазвичай надають їм специфікації для холодного клімату. Конденсація на обмотці сухого типу без живлення при −25 °C, за якою слідує швидке збільшення навантаження вранці, — це справжній шлях до відмови; нагрівальні елементи та термостат, що дійсно працює, не є додатковими опціями.

 

Від специфікації до відправлення: що ми виготовляємо й що ми перевіряємо

Ryan Electric — це Постачальники трансформаторів, сертифіковані UL компанія, що виробляє одиниці класу 1 500 кВА, подібні до цієї, на виробничій площі 120 000 м² у Цзянсу, де встановлено понад 180 комплектів виробничого й випробувального обладнання та зареєстровано 37 патентів. Як партнер спільного підприємства Eaton з 2023 року, ми дотримуємося тих самих вимог щодо втрат і імпедансу, що й великі Північноамериканські виробники обладнання, а також публікуємо повні дані рутинних випробувань замість їх узагальнення.

Кожна одиниця проходить стандартну послідовність випробувань IEEE C57.12.90: вимірювання опору обмоток, коефіцієнта трансформації, полярності, втрат холостого ходу, втрат короткого замикання, імпедансу, випробування при прикладеній напрузі та випробування при наведеній напрузі, а також випробування на підвищення температури для конструкції. Імпеданс підтримується в межах ±7,5 % від заданого значення — це важливо, коли енергопостачальник аналізує струм короткого замикання перед схваленням модернізації мережі. Саме цей аналіз є також причиною того, що сухий тип трансформатор у комерційній пропозиції імпеданс слід зазначити явно, а не покладатися на типове значення, встановлене заводом.

Сертифікація — це те, що або є, або його немає. Постачальники трансформаторів, сертифіковані UL uL 1561 — для сухих трансформаторів загального призначення, CSA C22.2 No. 66 — для Канади, cULus — у разі застосування в обох ринках. На кампусі в Онтаріо енергопостачальник вимагав, щоб знак CSA був чітко видимим на табличці, а звіт про випробування мав можливість відстеження за серійним номером. Обидва документи були в конверті з відправленням, і перевірка пройшла успішно під час першого візиту.

 

 

Доставка тривала 16 тижнів від затверджених креслень, при цьому інспектор третьої сторони замовника присутній під час звичайних випробувань. Після нашого акта введення в експлуатацію ступінчасте опорове опалення було перепідключено на двоступеневе керування, а виміряне падіння напруги в мережі під час підключення резервного живлення зменшилося з 3,9 % до 1,8 %. Ця зміна вимагала одного контактора й двох годин робочого часу електрика.

 

Наступний крок

Якщо ви модернізуєте будівлю з газовим опаленням, надішліть чотири речі: навантаження на опалення в проектний день із таблицею потужності, що його підтверджує, номінальний струм компресора та струм блокування ротора, залишкове навантаження будівлі та температуру навколишнього середовища оболонки. Ми надсилаємо розрахунковий аркуш із розрахунковим значенням кВ·А, передбаченим падінням напруги, доступним струмом короткого замикання та рекомендацією щодо коефіцієнта K, зазвичай протягом двох робочих днів.

Запитайте Постачальники трансформаторів, сертифіковані UL комплект документів одночасно: звіт про звичайні випробування, посилання на сертифікат відповідності UL або CSA та заяву про допустиму похибку імпедансу. Експерти комунальних підприємств вимагають саме цих трьох документів, і їх наявність скорочує термін схвалення модернізації електромережі набагато сильніше, ніж будь-які переговори щодо ціни.

Про автора — Цю статтю написала команда інженерів з трансформаторів компанії Ryan Electric — виробника, сертифікованого за стандартами UL/CSA, та партнер-спільного підприємства Eaton, що базується в Цзянсу, Китай, і постачає сухі, масляні та наземні трансформатори для проектів у сфері центрів обробки даних, акумуляції енергії, відновлюваних джерел енергії, охорони здоров’я та енергетики в Північній Америці, на Близькому Сході, в Південно-Східній Азії та Африці.