가중 평균 부하를 사용한 최적의 변압기 효율성: 교육청 너머 2016 — 미루스 인터내셔널

01 교육청 2016 문제: 하나의 로드 포인트로는 충분하지 않습니다

월 2016, 미국 에너지부는 상업용 건물에 사용되는 배전 변압기에 대해 업데이트된 최소 효율 표준을 도입했습니다., 아래에 성문화됨 10 CFR 부분 431.192 — 일반적으로 DOE로 알려져 있음 2016.[2] 규정에 따르면 30% 이전 표준보다 손실이 적음, 에서 측정됨 35% 정격 부하의, 상업용 건물 변압기의 가장 일반적인 작동 지점으로 결정되었습니다..[1]

의도는 타당했습니다. 변압기가 대부분의 작동 시간을 보내는 부하 수준에서 변압기 효율을 향상시킵니다.. 의도하지 않은 결과도 똑같이 예측 가능했습니다: 하나의 로드 포인트에서만 효율성을 지정하여, 이 규정은 제조업체가 설계를 정확히 최적화할 수 있는 인센티브를 제공합니다. 35% 다른 부하 수준에서 더 높은 손실을 수용하면서 부하를 가함. 단일 지점 테스트를 통과하도록 설계된 변압기 35% 훨씬 더 높은 손실을 입을 수 있습니다. 50%, 65%, 또는 75% 로딩 — 병원에서 흔히 볼 수 있는 로딩 수준, 데이터 센터, 활용도가 중간~높은 상업시설.

1.1 태양광 인버터 선례 - CEC 가중 효율

캘리포니아 에너지 위원회 (CEC) 태양광 인버터에서도 비슷한 문제를 인식했습니다., 매우 넓은 부하 범위에서 작동 - 밤에는 0, 밝은 한낮에 풀로드. 단일 지점 효율성 사양은 한 조건에 최적화된 인버터를 생성하지만 다른 조건에서는 성능이 저하됩니다.. CEC 솔루션은 각 로드 지점에서 소요된 작동 시간의 추정 비율을 기준으로 각 로드 지점에 가중치를 부여하는 가중 평균 효율성 방정식이었습니다.:[1][3]

무거운 가중치 75% (0.53) 과 50% (0.21) 이는 태양광 인버터가 대부분의 생산 시간을 낮 시간 동안 보통에서 높은 출력 수준으로 보내는 현실을 반영합니다.. DOE 2016 변환, 에만 최적화됨 35% 로드 중, 태양광 인버터 애플리케이션에는 전혀 부적절합니다. CEC 방정식은 이 사용 사례에 가장 중요한 부하 수준에서 비효율성을 드러냅니다..[1]

미루스 인터내셔널은 이 논리를 적용하여 DOE가 아닌 CEC 가중 효율을 최적화하는 태양광 변압기 라인을 개발했습니다. 2016 단일 지점 효율성. A 50 kVA Mirus ULL-Solar 변압기는 CEC 가중 효율을 달성합니다. 0.45 기존 DOE보다 높은 백분율 포인트 2016 디자인 - 번역하다 21% 일반적인 태양광 시스템 작동 시 평균 손실 감소.

02 상업용 변압기로 가중 효율성 확장

CEC 가중치는 태양광 인버터용으로 개발되었으며 태양광 부하 프로필(최대 가중치)을 반영합니다. 75% 왜냐하면 태양광발전은 정오쯤에 최고조에 달하기 때문입니다.. 상업용 건물 변압기는 부하 프로필이 다릅니다.. 병원은 일반적으로 변압기에 40~60%의 부하를 가합니다.. 학교는 20~30%의 부하가 걸릴 수 있습니다.. 데이터 센터 및 산업 시설은 더 높은 활용도로 운영될 수 있습니다.. 적절한 가중치는 설치의 실제 부하 프로필에 따라 달라집니다..[1]

원리, 그러나, 보편적으로 적용 가능: 예상 부하 프로필을 반영하는 가중 평균 효율 방정식은 고정 부하 수준에서 단일 지점 테스트보다 더 나은 변압기 선택을 생성합니다.. 총 소유 비용(구매 가격에 서비스 수명 동안의 에너지 손실을 더함)은 변압기가 실제로 작동하는 부하 수준에서 효율적일 때 최소화됩니다., 애플리케이션과 일치하지 않을 수 있는 규제 테스트 지점에 있지 않음.

무화과. 1. 효율성 곡선 75 전체 부하 범위에 걸친 kVA 변압기: ULL은 정말 대단해요 (넓은 부하 최적화), 놀라운 ULL-L (경부하 최적화), 그리고 DOE 2016 표준 디자인. 교육청 2016 디자인은 단일 지점 목표를 달성합니다. 35% 그러나 더 높은 부하 수준에서는 분기됩니다.. 출처: 미루스 인터내셔널 / 오늘의 전기 2019.[1]

표에는 DOE가 나와 있습니다. 2016 디자인의 약점이 분명하다: 근처에서 최고조에 달해 35% 로드 중 (테스트 포인트) 하지만 훨씬 더 높게 떨어집니다 50%. Mirus ULL은 다음과 같이 높은 효율을 유지합니다. 35% ~을 통해 100% — 중간에서 높은 활용도의 시설이 실제로 작동하는 부하 범위. Mirus ULL-L은 경부하용으로 최적화되었습니다., 아래의 우수한 효율성을 유지 35% 더 높은 부하에서 약간의 효율성을 희생하면서.

03 상업용 변압기에 대해 제안된 가중 효율 방정식

Hoevenaars는 상업용 변압기 사양에 대해 두 가지 가중 효율 방정식을 제안합니다. 하나는 부하가 주로 가벼운 응용 분야에 대한 것입니다. (이하 35%), 하나는 보통 수준에서 무거운 수준의 설치에 일반적으로 사용되는 더 넓은 부하 범위용입니다.. 둘 다 6개의 로드 포인트를 사용합니다., 상업용 건물 하중 프로필을 더 잘 반영하기 위해 CEC 방정식에서 수정되었습니다..[1]

경하중 방정식은 다음과 같습니다. 87% 그 무게의 25% 과 35% 로드 - 학교에 적합, 장비 밀도가 낮은 사무실, 또는 실제 로딩이 일관되게 아래에 있는 애플리케이션 35%. 더 넓은 부하 범위 방정식은 72% 그 무게의 50% 과 65% 부하 - 병원에 적합, 데이터 센터, 산업 시설, 장비 활용도가 높은 상업용 건물 및.[1]

3.1 실제 사례 — 75 kVA 비교

더 넓은 하중 범위 방정식을 75 kVA 효율 데이터:

권장사항은 두 DOE를 모두 지정하는 것입니다. 2016 규정 준수 35% 동일한 효율성 수준에서 로딩 및 가중 평균 효율성 준수, 예상되는 부하 프로필에 적합한 방정식을 사용하여. 이 이중 요구 사항은 단일 지점 최적화 설계의 숨겨진 에너지 패널티를 수용하지 않고 규제 테스트 지점과 실제 작동 범위 모두에서 매우 효율적인 변압기를 보장합니다..

04 ULLTRA의 차별점: 시차형 핵심 기술

넓은 부하 범위에서 높은 효율성을 달성하려면 무부하 손실을 모두 해결해야 합니다. (핵심 손실) 그리고 부하 손실 (구리 손실) 다른 하나를 개선하기 위해 어느 하나를 타협하지 않고. Mirus ULLTRA는 기존 인터리브 코어와 상처 코어 모두의 근본적인 한계를 해결하는 독점 코어 구성(스태거드 코어)을 사용합니다..[1]

4.1 인터리브 코어 — 표준 설계

기존 변압기 코어는 입자 중심을 사용합니다. (가다) 규소강 적층 - 결정립 구조가 압연 방향으로 정렬된 강, 플럭스가 입자와 평행하게 흐를 때 낮은 히스테리시스 손실 제공. 인터리브 코어에서, 각 레그의 플럭스는 모든 3상 플럭스의 벡터 합입니다.. 플럭스 벡터가 고르게 혼합됩니다., 총 자속 크기는 √3입니다. (= 1.732) 개별 위상 자속을 곱한 값 - 균형 잡힌 3상 작동에 대한 예상 값.

인터리브 코어의 문제는 모서리에 있습니다.. 수직 다리가 수평 요크와 만나는 곳, 플럭스는 방향을 바꿔야합니다. 방향성 강철은 플럭스가 입자 방향과 인터리브 코어의 모서리에서 흐를 때 손실이 2~3배 더 높습니다., 플럭스는 항상 결의 반대 방향으로 흐릅니다.. 이는 기존 변압기의 과도한 무부하 손실의 주요 원인입니다..[1]

무화과. 2. 인터리브 변압기 코어의 자속 방향. 각 레그는 세 가지 위상 플럭스 모두의 벡터 합을 전달합니다. 총 플럭스 크기 = √3 × 개별 위상 플럭스. 플럭스는 다리에서 고르게 혼합되지만 모서리에서는 방향을 바꿔야 합니다., 방향성 강철의 코너 손실 증가. 출처: 미루스 인터내셔널 / 오늘의 전기 2019.[1]

4.2 상처 중심 - Evans (분산된 간격) 디자인

상처 코어 구성 - 가장 일반적인 것은 Evans Core입니다. (분산 갭(Distributed Gap) 또는 DG 코어라고도 함) — 코어 전체에서 입자와 정렬된 자속 방향을 유지하여 코너 손실 문제를 해결합니다., 모서리를 포함하여. 이는 모서리의 결 방향 불일치를 제거하고 무부하 손실을 줄입니다..

그러나, 상처 코어는 자주 간과되는 다른 문제를 야기합니다.. 상처 코어에, 자속 경로는 코어 전체에서 자유롭게 혼합되기보다는 각 상처 부분 내에 포함되어 있는 경향이 있습니다.. 플럭스 쌍은 여전히 ​​합산됩니다., 하지만 벡터 방식이 아닌 산술 방식으로 합산됩니다.. 결과는 총 플럭스 크기입니다. 1.73 + 1.73 = 3.46 개별 위상 플럭스의 곱 — 대략 15% √3보다 높음 = 1.73 × 인터리브 코어의 개별 위상 플럭스. 이것 15% 플럭스가 높을수록 비례적으로 더 높은 코어 손실이 발생합니다., 코너 손실 감소를 부분적으로 상쇄.[1]

무화과. 3. Evans의 플럭스 방향 (분산된 간격) 상처 코어. 플럭스 경로는 각 상처 섹션 내에 포함되어 있습니다., 균일한 혼합 방지. 총 플럭스 = 1.73 + 1.73 = 3.46 × 개별 위상 플럭스 - 15% 인터리브 코어보다 높음. 이러한 높은 플럭스는 코너 손실 절감 효과를 부분적으로 상쇄합니다.. 출처: 미루스 인터내셔널 / 오늘의 전기 2019.[1]

4.3 스태거드 코어 — ULLTRA 솔루션

Mirus ULLTRA는 두 접근 방식의 최상의 특성을 포착하는 엇갈린 코어 구성을 사용합니다.. 핵심 혁신은 코어의 서로 다른 부분에 두 가지 강철 유형을 사용하는 것입니다.:[1]

• 곡물 중심 (가다) 다리에 강철 — 다리의 플럭스는 결과 평행하게 흐릅니다., 따라서 GO 강철은 코어가 가장 많은 플럭스를 운반하는 곳에서 최소 히스테리시스 손실을 제공합니다.
• 곡물 지향적이지 않은 (NGO) 모서리에 강철 — 플럭스는 모서리에서 방향을 바꿉니다.; NGO 철강은 모든 방향에서 비슷한 손실을 입습니다., 따라서 코너 자속 방향 변경에 불이익을 주지 않습니다.

이 조합은 코너 손실을 제거합니다. (NGO 강철은 자속 방향 변경으로 인해 불이익을 받지 않습니다.) 플럭스가 다리에 고르게 섞이도록 하면서 (플럭스 억제로 인해 균일한 혼합이 방지되는 상처 코어와는 달리). 그 결과 기존 인터리브 코어 또는 권선형 코어 설계보다 총 코어 손실이 더 낮은 코어가 탄생했습니다..

무화과. 4. Mirus ULLTRA 변압기의 저손실 스태거 코어 구성. 곡물 중심 (가다) 모든 다리의 강철 - 플럭스가 입자와 함께 흐르는 경우 손실이 적음. 곡물 지향적이지 않은 (NGO) 모든 모서리에 강철 - 자속 방향 변경에 대한 페널티 없음. 플럭스가 다리에 고르게 섞입니다., 상처 코어와는 달리. 출처: 미루스 인터내셔널 / 오늘의 전기 2019.[1]

05 전력 품질 관점

5.1 변압기 효율성과 전력 품질 - 공유된 근본 원인

이 기사는 변압기 효율성 엔지니어링과 전력 품질의 교차점에 있습니다. 이 조합은 이상해 보일 수 있지만 상당한 VSD 또는 기타 비선형 부하가 있는 모든 시설과 직접 관련이 있습니다.. 배전 버스에서 전력 품질 문제를 일으키는 동일한 고조파 전류는 배전 변압기에서도 추가 손실을 발생시킵니다.. 고조파 부하 시 효율적으로 설계된 변압기는 동시에 변압기 서비스 수명을 단축시키는 고조파 가열에 덜 취약합니다..

ULLTRA의 낮은 무부하 손실과 HMT 변형의 고조파 제거 기능은 에너지 변환 장치이자 전력 품질 환경의 구성 요소로서 변압기의 역할을 해결합니다.. 이러한 이중 고려 사항은 IPQDF 시리즈의 더 넓은 주제와 일치합니다.: 전력 품질과 에너지 효율성은 별개의 문제가 아니며 동일한 기본 전기 시스템 설계 과제의 측면입니다..

5.2 가중 평균 사양 접근 방식 - 조달 교훈

단일 지점 사양이 차선의 설계를 생성하고 가중 평균 사양이 실제 성능과 더 잘 일치한다는 기사의 핵심 엔지니어링 주장은 변압기 효율성 이상으로 적용됩니다.. THD가 아닌 전체 작동 범위에 걸쳐 ITDD로 고조파 필터를 지정하는 것을 지원하는 것과 동일한 주장입니다._나는 단일 로드 지점에서 (WQCP 터보 블로워 사례 연구에서 입증된 바와 같이). 이는 완화되지 않은 부하에 경험 법칙을 곱한 것이 아니라 고조파 완화된 부하를 기반으로 발전기 용량을 지정하는 것과 동일한 주장입니다..

공통 스레드는: 사양을 실제 작동 조건과 일치시키십시오., 편리한 테스트 지점이 아닌. 장비가 서비스에서 수행해야 하는 작업을 엔지니어링 사양에 설명하면 총 소유 비용이 최소화됩니다., 표준화된 테스트를 통과하기 위해 해야 할 일이 아닙니다..

5.3 크기 조정 변환기 — 발전기 크기 조정과 동일한 논리

기사의 마지막 요점은 더 넓은 부하 범위 가중 효율 방정식을 사용하면 변압기의 적절한 크기 조정이 가능하다는 것입니다. 즉, 작동 지점에서 허용 가능한 효율성을 달성하기 위해 크기를 초과하는 대신 실제 부하에 대한 올바른 kVA 등급을 선택하는 것입니다.. 이는 EGSA Powerline 기사의 생성기 크기 조정 주장과 직접적으로 유사합니다.: 단일 지점 테스트를 통과하기 위한 대형, 필요한 것보다 더 많은 자본 비용과 운영 손실을 지불하게 됩니다.. 실제 부하 프로필에 맞게 설계, 자본 및 운영 비용이 모두 최소화됩니다..

분배 시스템 설계 또는 장비 조달 작업을 수행하는 IPQDF 독자용, 여기서 제안된 가중 평균 효율성 프레임워크는 실용적인 도구입니다.. 경부하와 더 넓은 부하 범위라는 두 가지 방정식은 부하 프로필이 알려지거나 추정될 수 있는 모든 변압기 조달 사양에 적용될 수 있습니다.. 계산은 간단해요, 그리고 필요한 데이터 (6개 로드 포인트에서의 효율성) 신뢰할 수 있는 변압기 제조업체에서 구할 수 있어야 합니다..

참조

1. [1] 티. Hoevenaars, P.Eng., “가중 평균을 사용한 최적의 변압기 효율성,” 오늘의 전기, 트랜스포머 스페셜 에디션, 비행. 32, 아니. 3, PP. 14-16, 2019. 미루스인터내셔널(주), 브램톤, 온타리오, 캐나다.
2. [2] 미국 에너지 부, “배전 변압기의 에너지 절약 표준,” 10 CFR 부분 431.192 (암사슴 2016), 연방 관보, 2016.
3. [3] 캘리포니아 에너지위원회 (CEC), “인버터의 적격성 기준 및 시험 방법,” CEC-400-2019-013, 2019.