Efficacité optimale du transformateur grâce à une charge moyenne pondérée: Au-delà du DOE 2016 — Mirus International

01 Le DOE 2016 Problème: Un seul point de chargement ne suffit pas

En Janvier 2016, le ministère américain de l'Énergie a introduit des normes d'efficacité minimales mises à jour pour les transformateurs de distribution utilisés dans les bâtiments commerciaux, codifié sous 10 Partie CFR 431.192 — communément appelé DOE 2016.[2] Le règlement exige 30% pertes inférieures à la norme précédente, mesuré à 35% de charge nominale, qui a été déterminé comme étant le point de fonctionnement le plus courant pour les transformateurs de bâtiments commerciaux.[1]

L'intention était judicieuse : améliorer l'efficacité du transformateur au niveau de charge où les transformateurs passent la majeure partie de leur temps de fonctionnement.. La conséquence involontaire était tout aussi prévisible: en spécifiant l'efficacité à un seul point de charge, le règlement incite les fabricants à optimiser leurs conceptions exactement 35% chargement tout en acceptant des pertes plus élevées à d’autres niveaux de charge. Un transformateur conçu pour réussir un test en un seul point à 35% peut avoir des pertes beaucoup plus élevées à 50%, 65%, ou 75% chargement - précisément les niveaux de charge courants dans les hôpitaux, centres de données, et installations commerciales avec une utilisation modérée à élevée.

1.1 The solar inverter precedent — CEC weighted efficiency

The California Energy Commission (CEC) recognized a similar problem for solar inverters, which operate across a very wide load range — zero at night, full load on a bright midday. A single-point efficiency specification would produce inverters optimized for one condition while underperforming at others. La solution CEC était une équation d'efficacité moyenne pondérée qui pondère chaque point de charge en fonction de la fraction estimée du temps de fonctionnement qui y est passé.:[1][3]

Le poids lourd à 75% (0.53) et 50% (0.21) reflète la réalité selon laquelle les onduleurs solaires passent la majeure partie de leur temps de production à des niveaux de production modérés à élevés pendant les heures de clarté. UNE Biche 2016 transformer, optimisé uniquement pour 35% chargement, serait totalement inapproprié pour une application d'onduleur solaire - l'équation CEC exposerait son inefficacité aux niveaux de charge les plus importants pour ce cas d'utilisation.[1]

Mirus International a appliqué cette logique pour développer une gamme de transformateurs solaires qui optimise l'efficacité pondérée CEC plutôt que celle du DOE. 2016 efficacité en un seul point. Une 50 Le transformateur kVA Mirus ULL-Solar atteint un rendement pondéré CEC 0.45 points de pourcentage plus élevés qu'un DOE conventionnel 2016 conception - se traduisant par 21% pertes moyennes inférieures dans le fonctionnement typique du système solaire.

02 Extension de l'efficacité pondérée aux transformateurs commerciaux

La pondération CEC a été développée pour les onduleurs solaires et reflète un profil de charge solaire — pondération de pointe à 75% parce que la production solaire culmine vers midi. Les transformateurs des bâtiments commerciaux ont différents profils de charge. Les hôpitaux chargent généralement les transformateurs à 40–60 %. Les écoles peuvent charger entre 20 et 30 %. Les centres de données et les installations industrielles peuvent fonctionner à une utilisation plus élevée. La pondération appropriée dépend du profil de charge réel de l'installation.[1]

Le principe, cependant, est universellement applicable: une équation d'efficacité moyenne pondérée qui reflète le profil de charge attendu produira une meilleure sélection de transformateur qu'un test en un seul point à n'importe quel niveau de charge fixe. Le coût total de possession (prix d'achat plus pertes d'énergie pendant la durée de vie) est minimisé lorsque le transformateur est efficace aux niveaux de charge où il fonctionne réellement., pas à un point de test réglementaire qui peut ne pas correspondre à l'application.

Figue. 1. Courbes de rendement pour 75 Transformateurs kVA sur toute la plage de charge: ULL est incroyable (charge large optimisée), Incroyable ULL-L (charge légère optimisée), et le DOE 2016 conception standard. Le DOE 2016 la conception atteint son objectif unique à 35% mais diverge à des niveaux de charge plus élevés. Source: Mirus International / L'électricité aujourd'hui 2019.[1]

Le tableau révèle le DOE 2016 la faiblesse du design est clairement: il culmine près 35% chargement (son point de test) mais tombe nettement au-dessus 50%. Le Mirus ULL maintient une efficacité élevée de 35% à travers 100% — la plage de charge dans laquelle fonctionnent réellement les installations à utilisation modérée à élevée. Le Mirus ULL-L est optimisé pour les chargements légers, maintenir une efficacité supérieure ci-dessous 35% au prix d'une certaine efficacité à des charges plus élevées.

03 Équations de rendement pondérées proposées pour les transformateurs commerciaux

Hoevenaars propose deux équations d'efficacité pondérées pour les spécifications des transformateurs commerciaux : une pour les applications où la charge est principalement légère. (au-dessous 35%), et un pour la plage de charge plus large typique des installations modérées à fortement chargées.. Les deux utilisent six points de chargement, modifié à partir de l'équation CEC pour mieux refléter les profils de charge des bâtiments commerciaux.[1]

L’équation de chargement léger place 87% de son poids à 25% et 35% charge — approprié pour les écoles, bureaux à faible densité d’équipement, ou toute application où la charge réelle est systématiquement inférieure 35%. L’équation de plage de charge plus large place 72% de son poids à 50% et 65% charge — approprié pour les hôpitaux, centres de données, installations industrielles, et bâtiments commerciaux avec une utilisation élevée des équipements.[1]

3.1 Exemple concret – 75 comparaison kVA

En appliquant l’équation de plage de charge plus large au 75 Données d'efficacité kVA:

Il est recommandé de spécifier à la fois le DOE 2016 conformité à 35% chargement ET conformité à l’efficacité moyenne pondérée au même niveau d’efficacité, en utilisant l'équation appropriée au profil de charge attendu. Cette double exigence garantit un transformateur hautement efficace à la fois au point de test réglementaire et sur toute la plage de fonctionnement réelle, sans accepter la pénalité énergétique cachée d'une conception optimisée en un seul point..

04 Ce qui rend l'ULLTRA différent: Technologie de base échelonnée

Pour atteindre un rendement élevé sur une large plage de charge, il faut s'attaquer aux pertes à vide (pertes de base) et pertes de charge (pertes de cuivre) sans compromettre l'un pour améliorer l'autre. The Mirus ULLTRA uses a proprietary core configuration — the staggered core — that addresses a fundamental limitation of both conventional interleaved cores and wound cores.[1]

4.1 The interleaved core — standard design

Conventional transformer cores use grain-oriented (GO) silicon steel laminations — steel whose crystalline grain structure is aligned in the rolling direction, providing low hysteresis losses when flux flows parallel to the grain. In an interleaved core, the flux in each leg is the vector sum of all three phase fluxes. The flux vectors mix evenly, and the total flux magnitude is √3 (= 1.732) times the individual phase flux — the expected value for balanced three-phase operation.

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]

Figue. 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, producing elevated corner losses in grain-oriented steel. Source: Mirus International / L'électricité aujourd'hui 2019.[1]

4.2 The wound core — the Evans (Distributed Gap) conception

Configurations de noyau de plaie - la plus courante étant l'Evans Core (également appelé Distributed Gap ou DG Core) — résoudre le problème de perte de coin en maintenant la direction du flux alignée avec le grain dans tout le noyau, y compris les coins. Cela élimine l'inadéquation de la direction du grain dans les coins et réduit les pertes à vide..

Cependant, les noyaux de plaies introduisent un problème différent qui est souvent négligé. Dans un noyau de plaie, les chemins de flux ont tendance à rester contenus dans chaque section enroulée plutôt que de se mélanger librement à travers le noyau. Les paires de flux totalisent toujours, mais ils totalisent arithmétiquement plutôt que vectoriellement. Le résultat est une amplitude de flux totale de 1.73 + 1.73 = 3.46 fois le flux de chaque phase - environ 15% supérieur au √3 = 1.73 × flux de phase individuel du noyau entrelacé. Ce 15% un flux plus élevé produit des pertes dans le noyau proportionnellement plus élevées, compensant partiellement la réduction de la perte de coin.[1]

Figue. 3. Orientation du flux dans les Evans (Distributed Gap) noyau de la plaie. Les chemins de flux sont contenus dans chaque section de la plaie, empêchant même le mélange. Flux total = 1.73 + 1.73 = 3.46 × flux de phase individuel — 15% plus haut que le noyau entrelacé. Ce flux plus élevé compense partiellement les économies de perte de coin. Source: Mirus International / L'électricité aujourd'hui 2019.[1]

4.3 Le noyau échelonné — la solution ULLTRA

Le Mirus ULLTRA utilise une configuration de base échelonnée qui capture les meilleures caractéristiques des deux approches. L'innovation clé réside dans l'utilisation de deux types d'acier différents dans différentes parties du noyau.:[1]

• Orienté vers les grains (GO) acier dans les jambes — le flux dans les pattes s'écoule parallèlement au grain, Ainsi, l'acier GO fournit un minimum de pertes par hystérésis là où le noyau transporte le plus de flux.
• Non orienté grains (ONG) acier dans les coins — le flux change de direction aux coins; L'ONG Steel a des pertes similaires dans toutes les directions, donc cela ne pénalise pas le changement de direction du flux de coin

Cette combinaison élimine les pertes de coin (l'acier ONG n'est pas pénalisé par les changements de direction du flux) tout en permettant aux flux de se mélanger uniformément dans les jambes (contrairement aux noyaux enroulés où le confinement du flux empêche même le mélange). Le résultat est un noyau qui atteint des pertes totales inférieures à celles du noyau entrelacé conventionnel ou du noyau enroulé..

Figue. 4. Configuration à noyau échelonné à faibles pertes du transformateur Mirus ULLTRA. Orienté vers les grains (GO) acier dans toutes les branches — faibles pertes là où le flux s'écoule dans le sens du grain. Non orienté grains (ONG) acier dans tous les coins — aucune pénalité pour le changement de direction du flux. Les flux se mélangent uniformément dans les jambes, contrairement aux noyaux enroulés. Source: Mirus International / L'électricité aujourd'hui 2019.[1]

05 La perspective de la qualité de l’énergie

5.1 Efficacité des transformateurs et qualité de l’énergie : une cause profonde commune

Cet article se situe à l'intersection de l'ingénierie de l'efficacité des transformateurs et de la qualité de l'énergie - une combinaison qui peut sembler inhabituelle mais qui s'applique directement à toute installation présentant un VSD important ou une autre charge non linéaire.. Les mêmes courants harmoniques qui créent des problèmes de qualité d'énergie sur le bus de distribution créent également des pertes supplémentaires dans les transformateurs de distribution.. Un transformateur conçu pour être efficace sous charge harmonique est simultanément moins vulnérable au chauffage harmonique qui raccourcit la durée de vie du transformateur..

Les pertes à vide réduites de l'ULLTRA et la capacité d'annulation des harmoniques de la variante HMT répondent au rôle du transformateur à la fois en tant que dispositif de conversion d'énergie et en tant que composant de l'environnement de qualité de l'énergie.. Cette double considération est cohérente avec le thème plus large de la série IPQDF: la qualité de l’énergie et l’efficacité énergétique ne sont pas des préoccupations distinctes : ce sont des aspects du même défi sous-jacent en matière de conception de systèmes électriques..

5.2 L’approche de spécification moyenne pondérée – une leçon en matière d’approvisionnement

L’argument technique principal de l’article – selon lequel les spécifications en un seul point produisent des conceptions sous-optimales et que les spécifications moyennes pondérées correspondent mieux aux performances réelles – s’applique bien au-delà de l’efficacité du transformateur.. C'est le même argument qui soutient la spécification de filtres d'harmoniques par ITDD sur toute la plage de fonctionnement plutôt que par THD._i à un seul point de chargement (comme le démontre l'étude de cas du turbocompresseur WQCP). Et c'est le même argument qui justifie la spécification de la capacité du générateur basée sur une charge atténuée par les harmoniques plutôt que sur une charge non atténuée multipliée par un facteur empirique..

Le fil conducteur est: faire correspondre les spécifications aux conditions de fonctionnement réelles, pas à un point de test pratique. Le coût total de possession est minimisé lorsque les spécifications techniques décrivent ce que l'équipement doit faire en service, ce n'est pas ce qu'il faut faire pour réussir un test standardisé.

5.3 Redimensionner les transformateurs - la même logique que le dimensionnement des générateurs

Le point final de l'article est que l'utilisation de l'équation d'efficacité pondérée sur une plage de charge plus large permet de redimensionner le transformateur - en sélectionnant la valeur nominale kVA correcte pour la charge réelle plutôt que de surdimensionner pour obtenir une efficacité acceptable au point de fonctionnement.. Ceci est directement parallèle à l'argument du redimensionnement du générateur dans l'article EGSA Powerline.: surdimensionné pour passer un test en un seul point, et vous payez plus en coûts d'investissement et en pertes d'exploitation que nécessaire. Conception selon le profil de charge réel, et les coûts d'investissement et d'exploitation sont minimisés.

Pour les lecteurs IPQDF travaillant sur la conception de systèmes de distribution ou l’achat d’équipements, le cadre d’efficacité moyenne pondérée proposé ici est un outil pratique. Les deux équations — charge légère et plage de charge plus large — peuvent être appliquées à toute spécification d'approvisionnement de transformateur dont le profil de charge est connu ou peut être estimé.. Le calcul est simple, et les données requises (efficacité à six points de charge) devrait être disponible auprès de tout fabricant de transformateur crédible.

Références

1. [1] T. Hoevenaars, P.Eng., “Efficacité optimale du transformateur en utilisant la moyenne pondérée,” L'électricité aujourd'hui, Édition spéciale du transformateur, Vol. 32, Aucun. 3, pp. 14–16, 2019. Mirus International Inc., Brampton, Ontario, Canada.
2. [2] US Department of Energy, “Normes d'économie d'énergie pour les transformateurs de distribution,” 10 Partie CFR 431.192 (BICHE 2016), Registre fédéral, 2016.
3. [3] Commission de l'énergie de Californie (CEC), “Critères d'éligibilité et méthodes de test pour les onduleurs,” CEC-400-2019-013, 2019.