الكفاءة المثلى للمحولات باستخدام متوسط التحميل المرجح: ما وراء وزارة الطاقة 2016 — ميروس الدولية
01 وزارة الطاقة 2016 مشكلة: نقطة تحميل واحدة ليست كافية
In January 2016, قدمت وزارة الطاقة الأمريكية الحد الأدنى من معايير الكفاءة المحدثة لمحولات التوزيع المستخدمة في المباني التجارية, مقننة تحت 10 جزء CFR 431.192 - المعروف باسم وزارة الطاقة 2016.[2] تتطلب اللائحة 30% خسائر أقل من المعيار السابق, تقاس في 35% من الحمل المقنن, والتي تم تحديدها لتكون نقطة التشغيل الأكثر شيوعًا لمحولات المباني التجارية.[1]
كان القصد سليمًا - تحسين كفاءة المحولات عند مستوى الحمل حيث تقضي المحولات معظم وقت تشغيلها. وكانت النتيجة غير المقصودة متوقعة بنفس القدر: من خلال تحديد الكفاءة عند نقطة تحميل واحدة فقط, تخلق اللائحة حافزًا للمصنعين لتحسين تصميماتهم بدقة 35% التحميل مع قبول خسائر أعلى عند مستويات التحميل الأخرى. محول مصمم لاجتياز اختبار نقطة واحدة عند 35% يمكن أن يكون لها خسائر أعلى بكثير في 50%, 65%, أو 75% التحميل - على وجه التحديد مستويات الحمل الشائعة في المستشفيات, مراكز البيانات, والمرافق التجارية ذات الاستخدام المتوسط إلى العالي.
1.1 سابقة العاكس الشمسي - الكفاءة المرجحة لـ CEC
لجنة الطاقة في كاليفورنيا (لجنة الانتخابات المركزية) تم التعرف على مشكلة مماثلة لمحولات الطاقة الشمسية, والتي تعمل عبر نطاق تحميل واسع للغاية - صفر في الليل, حمولة كاملة في منتصف النهار المشرق. من شأن مواصفات الكفاءة ذات النقطة الواحدة أن تنتج محولات محسنة لحالة واحدة بينما يكون أداؤها ضعيفًا في الحالات الأخرى. كان حل CEC عبارة عن معادلة متوسط الكفاءة المرجحة التي تزن كل نقطة تحميل بالجزء المقدر من وقت التشغيل الذي يقضيه هناك:[1][3]
الوزن الثقيل عند 75% (0.53) و 50% (0.21) يعكس حقيقة أن محولات الطاقة الشمسية تقضي معظم وقتها الإنتاجي بمستويات إنتاج متوسطة إلى عالية خلال ساعات النهار. وزارة الطاقة 2016 تحول, الأمثل فقط ل 35% تحميل, سيكون غير مناسب تمامًا لتطبيق العاكس الشمسي - ستكشف معادلة CEC عن عدم كفاءته عند مستويات الحمل الأكثر أهمية لحالة الاستخدام هذه.[1]
طبقت شركة Mirus International هذا المنطق لتطوير خط محولات للطاقة الشمسية يعمل على تحسين الكفاءة الموزونة لـ CEC بدلاً من وزارة الطاقة 2016 كفاءة نقطة واحدة. A 50 يحقق محول kVA Mirus ULL-Solar كفاءة مرجحة لـ CEC 0.45 نقاط مئوية أعلى من وزارة الطاقة التقليدية 2016 التصميم - ترجمة ل 21% انخفاض متوسط الخسائر في عملية النظام الشمسي النموذجي.
02 توسيع الكفاءة المرجحة للمحولات التجارية
تم تطوير وزن CEC لمحولات الطاقة الشمسية ويعكس ملف تعريف الحمل الشمسي - وزن الذروة عند 75% لأن توليد الطاقة الشمسية يصل إلى ذروته في منتصف النهار. محولات المباني التجارية لها ملفات تحميل مختلفة. تقوم المستشفيات عادةً بتحميل المحولات بنسبة 40-60%. قد يتم تحميل المدارس بنسبة 20-30%. قد تعمل مراكز البيانات والمرافق الصناعية باستخدام أعلى. يعتمد الوزن المناسب على ملف تعريف التحميل الفعلي للتثبيت.[1]
المبدأ, لكن, قابل للتطبيق عالميًا: إن معادلة الكفاءة المتوسطة الموزونة التي تعكس ملف تعريف الحمل المتوقع ستنتج اختيارًا أفضل للمحولات من اختبار نقطة واحدة عند أي مستوى حمل ثابت. يتم تقليل التكلفة الإجمالية للملكية - سعر الشراء بالإضافة إلى خسائر الطاقة على مدار عمر الخدمة - إلى الحد الأدنى عندما يكون المحول فعالاً عند مستويات الحمل حيث يعمل بالفعل, ليس عند نقطة اختبار تنظيمية قد لا تتطابق مع التطبيق.
تين. 1. منحنيات الكفاءة ل 75 محولات كيلو فولت أمبير عبر نطاق التحميل الكامل: ULL مذهل (تحميل واسع الأمثل), مذهلة ULL-L (تحميل خفيف الأمثل), ووزارة الطاقة 2016 التصميم القياسي. وزارة الطاقة 2016 يحقق التصميم هدفه ذو النقطة الواحدة عند 35% ولكنها تتباعد عند مستويات التحميل الأعلى. مصدر: ميروس الدولية / الكهرباء اليوم 2019.[1]
| حمولة % | وزارة الطاقة 2016 | ULL مذهل | مذهلة ULL-L |
|---|---|---|---|
| 10% | 97.06 | 96.65 | 97.70 |
| 20% | 98.30 | 98.11 | 98.54 |
| 25% | 98.46 | 98.37 | 98.66 |
| 30% | 98.54 | 98.53 | 98.70 |
| 35% (نقطة اختبار وزارة الطاقة) | 98.60 | 98.62 | 98.69 |
| 50% | 98.55 | 98.68 | 98.64 |
| 65% | 98.34 | 98.66 | 98.55 |
| 75% | 98.14 | 98.60 | 98.44 |
| 100% | 97.42 | 98.15 | 97.80 |
| مرجح η (نطاق تحميل أوسع) | 98.47% | 98.62% | - |
ويكشف الجدول وزارة الطاقة 2016 ضعف التصميم بشكل واضح: يبلغ ذروته بالقرب 35% تحميل (نقطة الاختبار الخاصة بها) لكنه يسقط أعلى بكثير 50%. يحافظ Mirus ULL على كفاءة عالية من 35% خلال 100% - نطاق التحميل الذي تعمل فيه مرافق الاستخدام المتوسطة إلى العالية فعليًا. تم تحسين Mirus ULL-L للتحميل الخفيف, الحفاظ على كفاءة متفوقة أدناه 35% على حساب بعض الكفاءة في الأحمال الأعلى.
03 معادلات الكفاءة الموزونة المقترحة للمحولات التجارية
يقترح Hoevenaars معادلتين للكفاءة الموزونة لمواصفات المحولات التجارية - واحدة للتطبيقات التي يكون فيها التحميل خفيفًا في الغالب (أقل من 35%), وواحدة لنطاق التحميل الأوسع النموذجي للتركيبات المتوسطة إلى الثقيلة. كلاهما يستخدم ست نقاط تحميل, تم تعديلها من معادلة CEC لتعكس بشكل أفضل ملفات تعريف أحمال المباني التجارية.[1]
أماكن معادلة التحميل الخفيفة 87% من وزنه عند 25% و 35% الحمل - مناسب للمدارس, المكاتب ذات كثافة المعدات المنخفضة, أو أي تطبيق يكون التحميل الفعلي فيه أقل باستمرار 35%. أماكن معادلة نطاق التحميل الأوسع 72% من وزنه عند 50% و 65% الحمل - مناسب للمستشفيات, مراكز البيانات, المرافق الصناعية, والمباني التجارية ذات الاستخدام العالي للمعدات.[1]
3.1 مثال عملي - 75 مقارنة كيلو فولت أمبير
تطبيق معادلة نطاق الحمل الأوسع على 75 بيانات كفاءة كيلو فولت أمبير:
وزارة الطاقة 2016: أوترانهل = 0.01×97.06 + 0.03×98.46 + 0.22×98.60 + 0.50×98.55 + 0.22×98.34 + 0.02×97.42 = 98.47%
اختلاف: 0.15 نقاط مئوية – تمثل تقريبًا 15% انخفاض الخسائر عند المتوسط المرجح لحالة التشغيل.
التوصية هي تحديد كل من DOE 2016 الامتثال عند 35% التحميل والامتثال لمتوسط الكفاءة المرجح عند نفس مستوى الكفاءة, باستخدام المعادلة المناسبة لملف الحمل المتوقع. يضمن هذا المتطلب المزدوج وجود محول ذو كفاءة عالية سواء عند نقطة الاختبار التنظيمية أو عبر نطاق التشغيل الفعلي - دون قبول عقوبة الطاقة الخفية لتصميم محسّن بنقطة واحدة.
04 ما الذي يجعل ULTRA مختلفة: التكنولوجيا الأساسية متداخلة
يتطلب تحقيق كفاءة عالية عبر نطاق تحميل واسع معالجة كل من خسائر عدم التحميل (الخسائر الأساسية) وخسائر التحميل (خسائر النحاس) دون المساس بأحدهما لتحسين الآخر. يستخدم Mirus ULTRA تكوينًا أساسيًا خاصًا - النواة المتداخلة - التي تعالج القيود الأساسية لكل من النوى التقليدية المتشابكة ونوى الجرح.[1]
4.1 النواة المتداخلة — التصميم القياسي
تستخدم نوى المحولات التقليدية موجهة نحو الحبوب (يذهب) صفائح الفولاذ السليكوني - الفولاذ الذي يتم محاذاة هيكل حبيباته البلورية في اتجاه التدحرج, توفير خسائر منخفضة في التباطؤ عندما يتدفق التدفق بالتوازي مع الحبوب. في قلب معشق, التدفق في كل ساق هو المجموع المتجه لجميع تدفقات الطور الثلاث. تمتزج نواقل التدفق بالتساوي, وحجم التدفق الإجمالي هو √3 (= 1.732) أضعاف تدفق الطور الفردي — القيمة المتوقعة لعملية متوازنة ثلاثية الطور.
The problem with interleaved cores is at the corners. Where the vertical legs meet the horizontal yokes, the flux must change direction. Grain-oriented steel has 2–3× higher losses when flux flows against the grain — and in the corners of an interleaved core, the flux always flows against the grain. This is the primary source of excess no-load losses in conventional transformers.[1]
تين. 2. Flux orientation in an interleaved transformer core. Each leg carries the vector sum of all three phase fluxes — total flux magnitude = √3 × individual phase flux. Flux mixes evenly in the legs but must change direction at the corners, إنتاج خسائر زاوية مرتفعة في الفولاذ الموجه للحبوب. مصدر: ميروس الدولية / الكهرباء اليوم 2019.[1]
4.2 جوهر الجرح - إيفانز (الفجوة الموزعة) تصميم
تكوينات قلب الجرح — الأكثر شيوعًا هي Evans Core (وتسمى أيضًا الفجوة الموزعة أو DG Core) - معالجة مشكلة فقدان الزاوية من خلال الحفاظ على اتجاه التدفق المتوافق مع الحبوب في جميع أنحاء القلب, بما في ذلك الزوايا. يؤدي هذا إلى التخلص من عدم تطابق اتجاه الحبوب في الزوايا ويقلل من خسائر عدم التحميل.
لكن, تقدم نوى الجرح مشكلة مختلفة يتم تجاهلها كثيرًا. في قلب الجرح, تميل مسارات التدفق إلى البقاء ضمن كل قسم من أقسام الجرح بدلاً من الاختلاط بحرية عبر القلب. أزواج التدفق لا تزال مجموع, لكنها تجمع حسابيا وليس متجهيا. والنتيجة هي حجم التدفق الكلي 1.73 + 1.73 = 3.46 مرات تدفق المرحلة الفردية — تقريبا 15% أعلى من √3 = 1.73 × تدفق الطور الفردي للنواة المتداخلة. هذا 15% يؤدي التدفق العالي إلى خسائر أساسية أعلى نسبيًا, تعويض جزئيًا عن تقليل خسارة الزاوية.[1]
تين. 3. اتجاه التدفق في إيفانز (الفجوة الموزعة) جوهر الجرح. توجد مسارات التدفق داخل كل قسم من أقسام الجرح, منع حتى الخلط. إجمالي التدفق = 1.73 + 1.73 = 3.46 × تدفق المرحلة الفردية — 15% أعلى من النواة المتداخلة. يعوض هذا التدفق العالي جزئيًا وفورات خسارة الزاوية. مصدر: ميروس الدولية / الكهرباء اليوم 2019.[1]
4.3 النواة المتداخلة – الحل ULLTRA
يستخدم Mirus ULTRA تكوينًا أساسيًا متدرجًا يلتقط أفضل خصائص كلا النهجين. الابتكار الرئيسي هو استخدام نوعين مختلفين من الفولاذ في أجزاء مختلفة من القلب:[1]
- موجه نحو الحبوب (يذهب) الصلب في الساقين - يتدفق التدفق في الساقين بالتوازي مع الحبوب, لذلك يوفر الفولاذ GO الحد الأدنى من خسائر التباطؤ حيث يحمل القلب أكبر قدر من التدفق
- غير موجه نحو الحبوب (منظمة غير حكومية) الصلب في الزوايا - يتغير اتجاه التدفق عند الزوايا; وتكبدت المنظمات غير الحكومية خسائر مماثلة في جميع الاتجاهات, لذلك لا يعاقب على تغيير اتجاه تدفق الزاوية
هذا المزيج يلغي خسائر الزاوية (لا يتم معاقبة فولاذ المنظمات غير الحكومية من خلال تغييرات اتجاه التدفق) مع السماح للتدفقات بالاختلاط بالتساوي في الساقين (على عكس نوى الجرح حيث يمنع احتواء التدفق الاختلاط المتساوي). والنتيجة هي نواة تحقق خسائر نواة إجمالية أقل من نواة مشذرة تقليدية أو تصميم نواة الجرح.
تين. 4. تكوين أساسي متدرج منخفض الخسارة لمحول Mirus ULLTRA. موجه نحو الحبوب (يذهب) الفولاذ في جميع الأرجل - خسائر منخفضة حيث يتدفق التدفق مع الحبوب. غير موجه نحو الحبوب (منظمة غير حكومية) الفولاذ في جميع الزوايا - لا توجد عقوبة لتغيير اتجاه التدفق. تمتزج التدفقات بالتساوي في الساقين, على عكس نوى الجرح. مصدر: ميروس الدولية / الكهرباء اليوم 2019.[1]
05 منظور جودة الطاقة
5.1 كفاءة المحولات وجودة الطاقة – سبب جذري مشترك
تقع هذه المقالة عند تقاطع هندسة كفاءة المحولات وجودة الطاقة - وهي مجموعة قد تبدو غير عادية ولكنها ذات صلة مباشرة بأي منشأة ذات VSD كبير أو غيرها من الأحمال غير الخطية. نفس التيارات التوافقية التي تخلق مشاكل في جودة الطاقة في ناقل التوزيع تخلق أيضًا خسائر إضافية في محولات التوزيع. إن المحول المصمم ليكون فعالاً في ظل التحميل التوافقي يكون في نفس الوقت أقل عرضة للتسخين التوافقي الذي يقلل من عمر خدمة المحول.
تعالج خسائر عدم التحميل المنخفضة في ULLTRA وإمكانية الإلغاء التوافقي لمتغير HMT دور المحول كجهاز لتحويل الطاقة ومكون في بيئة جودة الطاقة.. يتوافق هذا الاعتبار المزدوج مع الموضوع الأوسع لسلسلة IPQDF: لا تعتبر جودة الطاقة وكفاءة الطاقة اهتمامين منفصلين، بل هما جانبان من نفس التحدي الأساسي في تصميم النظام الكهربائي.
5.2 منهج مواصفات المتوسط المرجح – درس المشتريات
إن الحجة الهندسية الأساسية للمقالة - وهي أن المواصفات ذات النقطة الواحدة تنتج تصميمات دون المستوى الأمثل وأن مواصفات المتوسط المرجح تتوافق بشكل أفضل مع الأداء في العالم الحقيقي - تنطبق بشكل يتجاوز كفاءة المحولات. إنها نفس الحجة التي تدعم تحديد المرشحات التوافقية بواسطة ITDD عبر نطاق التشغيل الكامل بدلاً من THDأنا عند نقطة تحميل واحدة (كما هو موضح في دراسة حالة المنفاخ التوربيني WQCP). وهي نفس الحجة وراء تحديد سعة المولد بناءً على الحمل التوافقي المخفف بدلاً من الحمل غير المخفف مضروبًا في عامل القاعدة.
الخيط المشترك هو: مطابقة المواصفات لحالة التشغيل الفعلية, ليس إلى نقطة اختبار مريحة. يتم تقليل التكلفة الإجمالية للملكية إلى الحد الأدنى عندما تصف المواصفات الهندسية ما يجب أن تفعله المعدات أثناء الخدمة, وليس ما يجب عليه فعله لاجتياز اختبار موحد.
5.3 تحديد حقوق المحولات - نفس منطق تحديد حقوق المولد
النقطة الختامية للمقالة هي أن استخدام معادلة الكفاءة الموزونة لنطاق الحمل الأوسع يسمح بتحديد حجم المحولات - تحديد تصنيف kVA الصحيح للحمل الفعلي بدلاً من الحجم الزائد لتحقيق كفاءة مقبولة عند نقطة التشغيل. وهذا يتوازى بشكل مباشر مع حجة تحديد حجم المولد في مقالة EGSA Powerline: كبيرة الحجم لاجتياز اختبار نقطة واحدة, وتدفع تكلفة رأس المال وخسائر التشغيل أكثر من اللازم. تصميم لملف تعريف التحميل الفعلي, ويتم تقليل تكاليف رأس المال والتشغيل إلى الحد الأدنى.
لقراء IPQDF الذين يعملون على تصميم نظام التوزيع أو شراء المعدات, ويعد إطار متوسط الكفاءة المرجح المقترح هنا أداة عملية. يمكن تطبيق المعادلتين - الحمل الخفيف ونطاق الحمل الأوسع - على أي مواصفات شراء محولات حيث يكون ملف تعريف الحمل معروفًا أو يمكن تقديره. الحساب واضح ومباشر, والبيانات المطلوبة (الكفاءة في ست نقاط التحميل) يجب أن تكون متاحة من أي مصنع محولات موثوقة.
المراجع
- [1] T. Hoevenaars, P.Eng., “الكفاءة المثلى للمحولات باستخدام المتوسط المرجح,” الكهرباء اليوم, طبعة خاصة للمحولات, طيران. 32, ليس. 3, ص. 14-16, 2019. شركة ميروس الدولية, برامبتون, أونتاريو, كندا.
- [2] وزارة الطاقة الأميركية, “معايير الحفاظ على الطاقة لمحولات التوزيع,” 10 جزء CFR 431.192 (وزارة الطاقة 2016), السجل الفيدرالي, 2016.
- [3] لجنة الطاقة في كاليفورنيا (لجنة الانتخابات المركزية), “معايير الأهلية وطرق الاختبار للعاكسات,” سي إي سي-400-2019-013, 2019.