Optimaler Transformatorwirkungsgrad durch gewichtete durchschnittliche Belastung: Jenseits von DOE 2016 — Mirus International

01 Das DOE 2016 Problem: Ein Lastpunkt reicht nicht aus

Im Januar 2016, Das US-Energieministerium hat aktualisierte Mindesteffizienzstandards für Verteilungstransformatoren eingeführt, die in Gewerbegebäuden eingesetzt werden, kodifiziert unter 10 CFR Teil 431.192 – allgemein bekannt als DOE 2016.[2] Die Verordnung verlangt 30% geringere Verluste als der bisherige Standard, gemessen bei 35% der Nennlast, Es wurde festgestellt, dass dies der häufigste Betriebspunkt für Transformatoren für gewerbliche Gebäude ist.[1]

Die Absicht war gut – die Effizienz des Transformators auf der Lastebene zu verbessern, auf der Transformatoren die meiste Betriebszeit verbringen. Die unbeabsichtigte Konsequenz war ebenso vorhersehbar: durch Angabe der Effizienz an nur einem Lastpunkt, Die Verordnung schafft einen Anreiz für Hersteller, ihre Konstruktionen exakt zu optimieren 35% Belastung, wobei bei anderen Belastungsstufen höhere Verluste in Kauf genommen werden müssen. Ein Transformator, der dafür ausgelegt ist, einen Einpunkttest zu bestehen 35% kann deutlich höhere Verluste zur Folge haben 50%, 65%, oder 75% Belastung – genau die in Krankenhäusern übliche Belastung, Rechenzentren, und gewerbliche Einrichtungen mit mäßiger bis hoher Auslastung.

1.1 Der Präzedenzfall für Solarwechselrichter – CEC-gewichteter Wirkungsgrad

Die kalifornische Energiekommission (CEC) erkannte ein ähnliches Problem bei Solarwechselrichtern, die über einen sehr weiten Lastbereich arbeiten – nachts Null, Volllast an einem hellen Mittag. Eine Ein-Punkt-Effizienzspezifikation würde zu Wechselrichtern führen, die für eine Bedingung optimiert sind, während sie in anderen Fällen eine unterdurchschnittliche Leistung erbringen. Die CEC-Lösung war eine gewichtete durchschnittliche Effizienzgleichung, die jeden Lastpunkt mit dem geschätzten Anteil der dort verbrachten Betriebszeit gewichtet:[1][3]

Die hohe Gewichtung bei 75% (0.53) und 50% (0.21) spiegelt die Realität wider, dass Solarwechselrichter den Großteil ihrer produktiven Zeit bei Tageslicht bei mittlerer bis hoher Leistung verbringen. Ein DOE 2016 transformieren, ausschließlich für optimiert 35% Laden, wäre für eine Solarwechselrichteranwendung völlig ungeeignet – die CEC-Gleichung würde ihre Ineffizienz bei den Lastniveaus aufdecken, die für diesen Anwendungsfall am wichtigsten sind.[1]

Mirus International wandte diese Logik an, um eine Solartransformatorlinie zu entwickeln, die den CEC-gewichteten Wirkungsgrad anstelle des DOE optimiert 2016 Single-Point-Effizienz. Ein 50 Der kVA-Transformator Mirus ULL-Solar erreicht einen CEC-gewichteten Wirkungsgrad 0.45 Prozentpunkte höher als bei einem herkömmlichen DOE 2016 Design – übersetzen in 21% geringere durchschnittliche Verluste im typischen Solaranlagenbetrieb.

02 Ausweitung des gewichteten Wirkungsgrads auf kommerzielle Transformatoren

Die CEC-Gewichtung wurde für Solarwechselrichter entwickelt und spiegelt ein Solarlastprofil wider – Spitzengewichtung bei 75% weil die Solarstromerzeugung gegen Mittag ihren Höhepunkt erreicht. Gewerbegebäudetransformatoren haben unterschiedliche Lastprofile. Krankenhäuser belasten Transformatoren typischerweise mit 40–60 %.. Schulen dürfen zu 20–30 % ausgelastet sein. Rechenzentren und Industrieanlagen können mit höherer Auslastung betrieben werden. Die geeignete Gewichtung hängt vom tatsächlichen Lastprofil der Anlage ab.[1]

Das Prinzip, jedoch, ist universell einsetzbar: Eine gewichtete durchschnittliche Effizienzgleichung, die das erwartete Lastprofil widerspiegelt, führt zu einer besseren Transformatorauswahl als ein Einzelpunkttest bei jedem festen Lastniveau. Die Gesamtbetriebskosten – Kaufpreis plus Energieverluste über die Lebensdauer – werden minimiert, wenn der Transformator bei den Lastniveaus, bei denen er tatsächlich betrieben wird, effizient arbeitet, nicht an einem behördlichen Testpunkt, der möglicherweise nicht zur Anwendung passt.

Abb.. 1. Effizienzkurven für 75 kVA-Transformatoren über den gesamten Lastbereich: ULL ist erstaunlich (Breite Belastung optimiert), Erstaunliches ULL-L (Leichtlast optimiert), und DOE 2016 Standardausführung. Das DOE 2016 Design erreicht sein zentrales Ziel 35% variiert jedoch bei höheren Belastungsstufen. Quelle: Mirus International / Strom heute 2019.[1]

Die Tabelle zeigt das DOE 2016 Die Schwäche des Designs ist klar erkennbar: es erreicht seinen Höhepunkt in der Nähe 35% Laden (sein Testpunkt) fällt aber nach oben deutlich ab 50%. Der Mirus ULL bietet eine hohe Effizienz 35% durch 100% — der Lastbereich, in dem Anlagen mit mittlerer bis hoher Auslastung tatsächlich betrieben werden. Der Mirus ULL-L ist für leichte Belastung optimiert, Aufrechterhaltung einer überlegenen Effizienz 35% auf Kosten einer gewissen Effizienz bei höheren Lasten.

03 Vorgeschlagene gewichtete Effizienzgleichungen für kommerzielle Transformatoren

Hoevenaars schlägt zwei gewichtete Effizienzgleichungen für die Spezifikation kommerzieller Transformatoren vor – eine für Anwendungen, bei denen die Belastung überwiegend gering ist (unten 35%), und eine für den größeren Lastbereich, der für mäßig bis stark belastete Installationen typisch ist. Beide nutzen sechs Lastpunkte, von der CEC-Gleichung modifiziert, um die Lastprofile von Gewerbegebäuden besser widerzuspiegeln.[1]

Die Gleichung für leichte Belastung stellt 87% seines Gewichts bei 25% und 35% Belastung – für Schulen geeignet, Büros mit geringer Ausstattungsdichte, oder jede Anwendung, bei der die tatsächliche Belastung konstant darunter liegt 35%. Die Gleichung für den größeren Lastbereich gilt 72% seines Gewichts bei 50% und 65% Belastung – geeignet für Krankenhäuser, Rechenzentren, Industrieanlagen, und Gewerbegebäude mit hoher Geräteauslastung.[1]

3.1 Ausgearbeitetes Beispiel – 75 kVA-Vergleich

Anwendung der Gleichung für einen größeren Lastbereich auf 75 kVA-Wirkungsgraddaten:

Es wird empfohlen, beide DOE anzugeben 2016 Compliance bei 35% Belastung UND gewichtete durchschnittliche Effizienzkonformität bei gleichem Effizienzniveau, unter Verwendung der für das erwartete Lastprofil geeigneten Gleichung. Diese doppelte Anforderung garantiert einen Transformator, der sowohl am vorgeschriebenen Testpunkt als auch über den tatsächlichen Betriebsbereich hocheffizient ist – ohne den versteckten Energienachteil eines für einen einzigen Punkt optimierten Designs in Kauf zu nehmen.

04 Was das ULLTRA anders macht: Gestaffelte Kerntechnologie

Um einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich zu erreichen, müssen beide Leerlaufverluste berücksichtigt werden (Kernverluste) und Lastverluste (Kupferverluste) ohne Kompromisse beim einen einzugehen, um das andere zu verbessern. Der Mirus ULLTRA verwendet eine proprietäre Kernkonfiguration – den gestaffelten Kern –, der eine grundlegende Einschränkung sowohl herkömmlicher verschachtelter Kerne als auch gewickelter Kerne beseitigt.[1]

4.1 Der verschachtelte Kern – Standarddesign

Herkömmliche Transformatorkerne verwenden kornorientierte Kerne (GEHEN) Siliziumstahllamellen – Stahl, dessen kristalline Kornstruktur in Walzrichtung ausgerichtet ist, sorgt für geringe Hystereseverluste, wenn der Fluss parallel zum Korn fließt. In einem verschachtelten Kern, Der Fluss in jedem Zweig ist die Vektorsumme aller drei Phasenflüsse. Die Flussvektoren vermischen sich gleichmäßig, und die Gesamtflussgröße beträgt √3 (= 1.732) mal dem individuellen Phasenfluss – der erwartete Wert für einen ausgeglichenen Dreiphasenbetrieb.

Das Problem bei verschachtelten Kernen liegt an den Ecken. Wo die vertikalen Beine auf die horizontalen Joche treffen, Der Fluss muss die Richtung ändern. Kornorientierter Stahl hat zwei- bis dreimal höhere Verluste, wenn das Flussmittel gegen die Faser fließt – und in den Ecken eines verschachtelten Kerns, Das Flussmittel fließt immer gegen den Strich. Dies ist die Hauptursache für übermäßige Leerlaufverluste in herkömmlichen Transformatoren.[1]

Abb.. 2. Flussorientierung in einem verschachtelten Transformatorkern. Jeder Zweig trägt die Vektorsumme aller drei Phasenflüsse – Gesamtflussgröße = √3 × individueller Phasenfluss. Das Flussmittel vermischt sich gleichmäßig in den Beinen, muss jedoch an den Ecken die Richtung ändern, Dies führt zu erhöhten Eckenverlusten bei kornorientiertem Stahl. Quelle: Mirus International / Strom heute 2019.[1]

4.2 Der Wundkern – der Evans (Verteilte Lücke) Design

Konfigurationen mit gewickeltem Kern – am häufigsten ist der Evans-Kern (auch Distributed Gap oder DG Core genannt) – Beheben Sie das Eckenverlustproblem, indem Sie die Flussrichtung im gesamten Kern auf die Maserung ausrichten, einschließlich der Ecken. Dies beseitigt die Fehlanpassung der Faserrichtung an den Ecken und reduziert Leerlaufverluste.

Jedoch, Wundkerne bringen ein anderes Problem mit sich, das häufig übersehen wird. In einem Wundkern, Die Flusspfade neigen dazu, in jedem gewickelten Abschnitt enthalten zu bleiben, anstatt sich frei über den Kern zu vermischen. Die Flusspaare summieren sich immer noch, aber sie summieren sich eher arithmetisch als vektoriell. Das Ergebnis ist eine Gesamtflussgröße von 1.73 + 1.73 = 3.46 mal der individuelle Phasenfluss – ungefähr 15% höher als √3 = 1.73 × individueller Phasenfluss des verschachtelten Kerns. Das 15% Ein höherer Fluss führt zu proportional höheren Kernverlusten, Dadurch wird die Reduzierung des Eckenverlusts teilweise ausgeglichen.[1]

Abb.. 3. Flussorientierung im Evans (Verteilte Lücke) Wundkern. In jedem Wundabschnitt sind Flusspfade enthalten, verhindert eine gleichmäßige Durchmischung. Gesamtfluss = 1.73 + 1.73 = 3.46 × individueller Phasenfluss – 15% höher als der verschachtelte Kern. Dieser höhere Fluss gleicht die Einsparungen beim Eckenverlust teilweise aus. Quelle: Mirus International / Strom heute 2019.[1]

4.3 Der versetzte Kern – die ULLTRA-Lösung

Der Mirus ULLTRA verwendet eine gestaffelte Kernkonfiguration, die die besten Eigenschaften beider Ansätze vereint. Die wichtigste Innovation besteht in der Verwendung zweier unterschiedlicher Stahlsorten in unterschiedlichen Teilen des Kerns:[1]

• Kornorientiert (GEHEN) Stahl in den Beinen — Der Fluss in den Beinen fließt parallel zur Faser, Daher bietet GO-Stahl minimale Hystereseverluste dort, wo der Kern den meisten Fluss trägt
• Nicht kornorientiert (NGO) Stahl in den Ecken — Der Fluss ändert an den Ecken die Richtung; NGO-Stahl weist in alle Richtungen ähnliche Verluste auf, Daher wird die Richtungsänderung des Eckflusses nicht beeinträchtigt

Diese Kombination eliminiert Eckverluste (Der NGO-Stahl wird nicht durch Flussrichtungsänderungen beeinträchtigt) während sich die Flussmittel gleichmäßig in den Beinen vermischen (im Gegensatz zu gewickelten Kernen, bei denen die Flussmitteleindämmung eine gleichmäßige Vermischung verhindert). Das Ergebnis ist ein Kern, der geringere Gesamtkernverluste erzielt als der herkömmliche verschachtelte Kern oder das gewickelte Kerndesign.

Abb.. 4. Verlustarme, versetzte Kernkonfiguration des Mirus ULLTRA-Transformators. Kornorientiert (GEHEN) Stahl in allen Beinen – geringe Verluste, wenn das Flussmittel mit der Faser fließt. Nicht kornorientiert (NGO) Stahl in allen Ecken – keine Nachteile für die Änderung der Flussrichtung. Flussmittel vermischen sich gleichmäßig in den Beinen, im Gegensatz zu Wundkernen. Quelle: Mirus International / Strom heute 2019.[1]

05 Die Power-Quality-Perspektive

5.1 Transformatoreffizienz und Stromqualität – eine gemeinsame Ursache

Dieser Artikel steht an der Schnittstelle zwischen Transformatoreffizienztechnik und Stromqualität – eine Kombination, die ungewöhnlich erscheinen mag, aber für jede Anlage mit erheblichen VSD- oder anderen nichtlinearen Belastungen direkt relevant ist. Dieselben Oberschwingungsströme, die zu Problemen mit der Stromqualität auf dem Verteilerbus führen, verursachen auch zusätzliche Verluste in Verteilertransformatoren. Ein Transformator, der so ausgelegt ist, dass er unter harmonischer Belastung effizient arbeitet, ist gleichzeitig weniger anfällig für die Erwärmung durch Oberschwingungen, die die Lebensdauer des Transformators verkürzt.

Die geringeren Leerlaufverluste des ULLTRA und die Fähigkeit zur Oberwellenunterdrückung der HMT-Variante berücksichtigen die Rolle des Transformators sowohl als Energieumwandlungsgerät als auch als Komponente der Stromqualitätsumgebung. Diese doppelte Betrachtung steht im Einklang mit dem umfassenderen Thema der IPQDF-Reihe: Stromqualität und Energieeffizienz sind keine getrennten Anliegen – sie sind Aspekte derselben zugrunde liegenden Herausforderung bei der Gestaltung elektrischer Systeme.

5.2 Der gewichtete durchschnittliche Spezifikationsansatz – eine Beschaffungslektion

Das zentrale technische Argument des Artikels – dass Einzelpunktspezifikationen zu suboptimalen Designs führen und dass gewichtete Durchschnittsspezifikationen besser mit der realen Leistung übereinstimmen – gilt weit über die Transformatoreffizienz hinaus. Es ist das gleiche Argument, das dafür spricht, harmonische Filter über den gesamten Betriebsbereich nach ITDD und nicht nach THD zu spezifizieren_ich an einem einzigen Lastpunkt (wie in der Fallstudie zum WQCP-Turbogebläse gezeigt). Und es ist das gleiche Argument, das hinter der Angabe der Generatorkapazität auf der Grundlage der durch Oberschwingungen geminderten Last und nicht der ungedämpften Last multipliziert mit einem Faustregelfaktor steht.

Der rote Faden ist: Passen Sie die Spezifikation an die tatsächlichen Betriebsbedingungen an, nicht zu einem geeigneten Testpunkt. Die Gesamtbetriebskosten werden minimiert, wenn in der technischen Spezifikation beschrieben wird, was die Ausrüstung im Betrieb tun muss, nicht das, was es tun muss, um einen standardisierten Test zu bestehen.

5.3 Größenanpassung von Transformatoren – die gleiche Logik wie die Größenanpassung von Generatoren

Der Schlusspunkt des Artikels ist, dass die Verwendung der gewichteten Effizienzgleichung für einen breiteren Lastbereich eine richtige Dimensionierung des Transformators ermöglicht – die Auswahl der richtigen kVA-Leistung für die tatsächliche Last anstelle einer Überdimensionierung, um einen akzeptablen Wirkungsgrad am Betriebspunkt zu erreichen. Dies steht in direkter Parallele zum Argument zur Generator-Rightsizing im EGSA Powerline-Artikel: Übergröße, um einen Einpunkttest zu bestehen, und Sie zahlen mehr Kapitalkosten und Betriebsverluste als nötig. Auslegung auf das tatsächliche Lastprofil, und sowohl Kapital- als auch Betriebskosten werden minimiert.

Für IPQDF-Leser, die an der Entwicklung von Verteilungssystemen oder der Beschaffung von Ausrüstung arbeiten, Der hier vorgeschlagene Rahmen für die gewichtete durchschnittliche Effizienz ist ein praktisches Instrument. Die beiden Gleichungen – geringe Last und breiterer Lastbereich – können auf jede Transformatorbeschaffungsspezifikation angewendet werden, bei der das Lastprofil bekannt ist oder geschätzt werden kann. Die Berechnung ist unkompliziert, und die benötigten Daten (Effizienz an sechs Lastpunkten) sollte von jedem seriösen Transformatorhersteller erhältlich sein.

Referenzen

1. [1] T. Hoevenaars, P.Eng., “Optimaler Transformatorwirkungsgrad anhand des gewichteten Durchschnitts,” Strom heute, Transformer-Sonderausgabe, Flug. 32, Nicht. 3, pp. 14–16, 2019. Mirus International Inc., Brampton, Ontario, Kanada.
2. [2] US-Energieministerium, “Energieeinsparstandards für Verteilungstransformatoren,” 10 CFR Teil 431.192 (DAMHIRSCHKUH 2016), Bundesregister, 2016.
3. [3] Kalifornische Energiekommission (CEC), “Zulassungskriterien und Testmethoden für Wechselrichter,” CEC-400-2019-013, 2019.