加重平均負荷を使用した最適なトランス効率: DOEを超えて 2016 — ミラス・インターナショナル
01 DOE 2016 問題: 1 つのロード ポイントでは不十分
1月に 2016, 米国エネルギー省は、商業ビルで使用される配電変圧器に対する最新の最低効率基準を導入しました, に基づいて成文化された 10 CFRパート 431.192 — 一般的にDOEとして知られています 2016.[2] 規制では次のことが求められます 30% 以前の標準よりも損失が少ない, で測定 35% 定格荷重の, これは、商業用建物の変圧器の最も一般的な動作点であると判断されました。.[1]
意図は適切でした。変圧器が動作時間のほとんどを費やす負荷レベルで変圧器の効率を向上させます。. 意図しない結果も同様に予測可能でした: 1 つの負荷点のみでの効率を指定することにより, この規制は、メーカーが設計を正確に最適化するインセンティブを生み出します。 35% 他の負荷レベルでのより高い損失を許容しながら負荷を加える. 単一点試験に合格するように設計された変圧器 35% で大幅に大きな損失が発生する可能性があります 50%, 65%, または 75% 負荷 - まさに病院で一般的な負荷レベル, データセンター, 中～高稼働の商業施設.
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. CEC ソリューションは、各負荷点に費やされる動作時間の推定割合によって各負荷点を重み付けする加重平均効率方程式でした。:[1][3]
での重み付け 75% (0.53) と 50% (0.21) 太陽光発電パワーコンディショナは生産時間のほとんどを日中中程度から高出力レベルで費やしているという現実を反映しています。. DOE 2016 変換, のみに最適化 35% 読み込み中, これは、太陽光インバーターのアプリケーションにはまったく不適切です。CEC 方程式は、この使用例にとって最も重要な負荷レベルでの非効率性を明らかにします。.[1]
Mirus International は、このロジックを適用して、DOE ではなく CEC 加重効率を最適化する太陽光変圧器ラインを開発しました。 2016 単一点効率. A 50 kVA Mirus ULL-Solar 変圧器は CEC 加重効率を達成 0.45 従来のDOEよりも高いパーセンテージポイント 2016 デザイン — 翻訳する 21% 通常の太陽光発電システム運用における平均損失の低減.
02 加重効率を商用変圧器に拡張
CEC 重み付けは太陽光インバータ用に開発され、太陽光負荷プロファイル、つまりピーク時の重み付けを反映します。 75% 太陽光発電は正午頃にピークを迎えるため、. 商用ビル用変圧器にはさまざまな負荷プロファイルがあります. 病院では通常、変圧器に 40 ～ 60% の負荷がかかります. 学校では 20 ～ 30% の負荷がかかる場合があります. データセンターや産業施設はより高い稼働率で稼働する可能性がある. 適切な重み付けは、設置の実際の負荷プロファイルによって異なります。.[1]
原則, しかしながら, 普遍的に適用できる: a weighted average efficiency equation that reflects the expected load profile will produce a better transformer selection than a single-point test at any fixed load level. Total cost of ownership — purchase price plus energy losses over the service life — is minimized when the transformer is efficient at the load levels where it actually operates, not at a regulatory test point that may not match the application.
イチジク. 1. Efficiency curves for 75 kVA transformers across the full load range: Mirus ULL (wide load optimized), Mirus ULL-L (light load optimized), and DOE 2016 standard design. DOE 2016 design achieves its single-point target at 35% but diverges at higher load levels. ソース: ミラス・インターナショナル / 今日の電気 2019.[1]
| ロード % | エネルギー省 2016 | Mirus ULL | Mirus 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% (DOE test point) | 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 |
| 加重η (広い負荷範囲) | 98.47% | 98.62% | - |
この表は DOE を示しています 2016 明らかにデザインの弱点: 近くにピークがあります 35% 読み込み中 (そのテストポイント) しかし、上では大幅に落ちます 50%. Mirus ULL は、 35% を通して 100% — 中程度から高稼働率の施設が実際に動作する負荷範囲. Mirus ULL-L は軽荷重用に最適化されています, 以下の優れた効率を維持する 35% 高負荷では効率が多少犠牲になりますが.
03 商用変圧器の加重効率方程式の提案
Hoevenaars は、商用変圧器の仕様に対して 2 つの加重効率方程式を提案しています。1 つは負荷が主に軽いアプリケーション用です。 (以下 35%), もう 1 つは、中程度から高負荷の設置に典型的な、より広い負荷範囲用です。. どちらも 6 つの荷重ポイントを使用します, modified from the CEC equation to better reflect commercial building load profiles.[1]
The light loading equation places 87% of its weight at 25% と 35% load — appropriate for schools, offices with low equipment density, or any application where actual loading is consistently below 35%. The wider load range equation places 72% of its weight at 50% と 65% load — appropriate for hospitals, データセンター, industrial facilities, and commercial buildings with high equipment utilization.[1]
3.1 Worked example — 75 kVA comparison
Applying the wider load range equation to the 75 kVA efficiency data:
エネルギー省 2016: またはTranHL = 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%
Difference: 0.15 パーセンテージ ポイント - おおよその値を表す 15% 加重平均動作条件での損失の低減.
両方の DOE を指定することをお勧めします。 2016 でのコンプライアンス 35% 同じ効率レベルでの負荷および加重平均効率準拠, 予想される負荷プロファイルに適切な方程式を使用する. この 2 つの要件により、単一点最適化設計の隠れたエネルギー ペナルティを受け入れることなく、規制テスト ポイントと実際の動作範囲の両方で高効率な変圧器が保証されます。.
04 ULTRA の違い: スタッガードコアテクノロジー
広い負荷範囲にわたって高効率を達成するには、両方の無負荷損失に対処する必要があります。 (コアロス) 負荷損失と (銅損) 一方を妥協することなく他方を改善する. Mirus ULLTRA は、従来のインターリーブ コアと巻線コアの両方の根本的な制限に対処する独自のコア構成 (スタッガード コア) を使用しています。.[1]
4.1 インターリーブコア - 標準設計
従来のトランスコアは結晶方向性を使用しています (行く) ケイ素鋼積層板 — 結晶粒構造が圧延方向に揃っている鋼, 磁束が粒子に平行に流れるときに低いヒステリシス損失を提供します. インターリーブコア内, 各脚の磁束は、3 つの相磁束すべてのベクトル和です。. 磁束ベクトルは均一に混合します, 総磁束の大きさは √3 です (= 1.732) 個々の相磁束の倍 — 平衡三相動作の期待値.
インターリーブコアの問題はコーナーにあります. 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]
イチジク. 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. ソース: ミラス・インターナショナル / 今日の電気 2019.[1]
4.2 The wound core — the Evans (Distributed Gap) デザイン
巻線コア構成 - 最も一般的なのはエバンス コアです (分散ギャップまたは DG コアとも呼ばれます) — 磁束の方向をコア全体の粒子に合わせて維持することで、コーナー損失の問題に対処します, 角も含めて. これにより、コーナーでの木目方向の不一致が解消され、無負荷損失が低減されます。.
しかしながら, 巻いたコアは、見落とされがちな別の問題を引き起こします. 巻いたコアで, 磁束経路はコア全体で自由に混合するのではなく、各巻線セクション内に閉じ込められたままになる傾向があります。. 磁束ペアは依然として合計されます, ただし、それらはベクトルではなく算術的に合計されます. 結果は、全磁束の大きさは次のようになります。 1.73 + 1.73 = 3.46 個々の相磁束の倍 — 約 15% √3 より大きい = 1.73 × インターリーブコアの各相磁束. この 15% 磁束が高くなると、それに比例して鉄損も大きくなります, コーナーロスの低減を部分的に相殺する.[1]
イチジク. 3. エバンスにおける磁束配向 (Distributed Gap) 巻芯. 磁束経路は各巻線セクション内に含まれています, 均一な混合を防ぐ. 全光束 = 1.73 + 1.73 = 3.46 × 各相磁束 — 15% インターリーブコアよりも高い. このより高い磁束により、コーナー損失の節約が部分的に相殺されます。. ソース: ミラス・インターナショナル / 今日の電気 2019.[1]
4.3 スタッガードコア - ULLTRA ソリューション
Mirus ULLTRA は、両方のアプローチの最良の特性を捉えたスタッガード コア構成を使用しています。. 主な革新は、コアの異なる部分に 2 つの異なる鋼種を使用することです。:[1]
- 粒子指向性 (行く) 脚にスチールが入っている — 脚内の磁束は木目と平行に流れます, そのため、GO 鋼はコアが最も多くの磁束を運ぶ場所でのヒステリシス損失を最小限に抑えます。
- 非粒子指向性 (NGO) 隅にスチール — 磁束はコーナーで方向を変えます; NGO の鉄鋼はあらゆる方向で同様の損失を抱えています, したがって、コーナー磁束の方向の変化に不利益を与えることはありません
この組み合わせによりコーナーロスを排除します (NGO 鋼は磁束方向の変化によるペナルティを受けません) フラックスを脚内で均一に混合しながら (フラックス封じ込めにより均一な混合が妨げられる巻線コアとは異なります。). その結果、従来のインターリーブコアまたは巻線コア設計よりも低い総コア損失を達成するコアが得られます。.
イチジク. 4. Mirus ULLTRA トランスの低損失スタッガードコア構成. 粒子指向性 (行く) すべての脚にスチール - 磁束が粒子と一緒に流れる低損失. 非粒子指向性 (NGO) すべてのコーナーにスチール — 磁束方向の変更によるペナルティなし. フラックスは脚内で均一に混合されます, 巻きコアとは異なります. ソース: ミラス・インターナショナル / 今日の電気 2019.[1]
05 電力品質の観点
5.1 変圧器の効率と電力品質 — 共通の根本原因
この記事は、変圧器の効率エンジニアリングと電力品質の交差点に位置します。この組み合わせは珍しいように思えるかもしれませんが、重大な VSD またはその他の非線形負荷を伴うあらゆる施設に直接関係します。. 配電バスで電力品質の問題を引き起こす高調波電流と同じように、配電変圧器でも追加の損失が発生します。. 高調波負荷下でも効率が良くなるように設計された変圧器は、同時に変圧器の耐用年数を縮める高調波加熱の影響を受けにくくなります。.
ULLTRA のより低い無負荷損失と HMT バリアントの高調波キャンセル機能は、エネルギー変換デバイスと電力品質環境のコンポーネントの両方としての変圧器の役割に対処します。. この二重の考慮事項は、IPQDF シリーズのより広範なテーマと一致しています。: 電力品質とエネルギー効率は別個の関心事ではなく、根底にある同じ電気システム設計課題の側面です。.
5.2 加重平均仕様アプローチ — 調達のレッスン
この記事の核となるエンジニアリングの議論、つまり単一点の仕様は次善の設計を生み出し、加重平均仕様の方が現実世界の性能によりよく一致するというものは、変圧器の効率を超えて当てはまります。. It is the same argument that supports specifying harmonic filters by ITDD across the full operating range rather than THD私 at a single load point (as demonstrated in the WQCP turbo blower case study). And it is the same argument behind specifying generator capacity based on harmonic-mitigated load rather than unmitigated load multiplied by a rule-of-thumb factor.
The common thread is: match the specification to the actual operating condition, not to a convenient test point. Total cost of ownership is minimized when the engineering specification describes what the equipment must do in service, not what it must do to pass a standardized test.
5.3 Rightsizing transformers — the same logic as generator rightsizing
The article’s closing point is that using the wider load range weighted efficiency equation allows for transformer rightsizing — selecting the correct kVA rating for the actual load rather than oversizing to achieve acceptable efficiency at the operating point. This is directly parallel to the generator rightsizing argument in the EGSA Powerline article: oversize to pass a single-point test, and you pay more in capital cost and operating losses than necessary. Design to the actual load profile, and both capital and operating costs are minimized.
For IPQDF readers working on distribution system design or equipment procurement, the weighted average efficiency framework proposed here is a practical tool. 軽負荷とより広い負荷範囲という 2 つの方程式は、負荷プロファイルが既知であるか推定できるあらゆる変圧器の調達仕様に適用できます。. 計算は簡単です, そして必要なデータ (6 つの負荷点での効率) 信頼できる変圧器メーカーから入手できるはずです.
参照
- [1] T. Hoevenaars, 工学博士, “加重平均を使用した最適なトランス効率,” 今日の電気, トランスフォーマー スペシャルエディション, 飛行. 32, ノー. 3, PP. 14–16, 2019. 株式会社ミラスインターナショナル, ブランプトン, オンタリオ, カナダ.
- [2] 米国エネルギー省, “配電用変圧器の省エネ基準,” 10 CFRパート 431.192 (エネルギー省 2016), 連邦官報, 2016.
- [3] カリフォルニア州エネルギー委員会 (CEC), “インバータの適格基準と試験方法,” CEC-400-2019-013, 2019.