Оптимална ефикасност трансформатора коришћењем пондерисаног просечног оптерећења: Беионд ДОЕ 2016 — Мирус Интернатионал

01 ДОЕ 2016 Проблем: Једна тачка оптерећења није довољна

У јануару 2016, Министарство енергетике САД увело је ажуриране минималне стандарде ефикасности за дистрибутивне трансформаторе који се користе у комерцијалним зградама, кодификован под 10 ЦФР Парт 431.192 — опште познат као ДОЕ 2016.[2] Уредба захтева 30% мањи губици од претходног стандарда, мерено на 35% називног оптерећења, за коју је утврђено да је најчешћа радна тачка за трансформаторе пословних зграда.[1]

Намера је била здрава — побољшати ефикасност трансформатора на нивоу оптерећења где трансформатори проводе већину свог радног времена. Ненамерна последица је била подједнако предвидљива: специфицирањем ефикасности само на једној тачки оптерећења, пропис ствара подстицај за произвођаче да оптимизују своје дизајне на тачно 35% оптерећење уз прихватање већих губитака на другим нивоима оптерећења. Трансформатор дизајниран да прође тест у једној тачки на 35% може имати знатно веће губитке на 50%, 65%, или 75% оптерећење — управо нивои оптерећења уобичајени у болницама, дата центри, и комерцијални објекти са умереном до високом искоришћеношћу.

1.1 Преседан соларног претварача — ЦЕЦ пондерисана ефикасност

Калифорнијска енергетска комисија (ЦЕЦ) препознао сличан проблем за соларне претвараче, који раде у веома широком опсегу оптерећења — нула ноћу, пун терет у ведро подне. Спецификација ефикасности у једној тачки би произвела претвараче оптимизоване за једно стање док би у другим лошим перформансама. ЦЕЦ решење је било пондерисана једначина просечне ефикасности која пондерише сваку тачку оптерећења процењеним делом радног времена проведеног тамо:[1][3]

Велика тежина на 75% (0.53) и 50% (0.21) одражава реалност да соларни инвертори проводе већину свог продуктивног времена на умереним до високим нивоима излаза током дневних сати. А ДОЕ 2016 трансформатор, оптимизован искључиво за 35% лоадинг, би било потпуно неприкладно за примену соларног претварача — ЦЕЦ једначина би открила своју неефикасност на нивоима оптерећења који су најважнији за овај случај употребе.[1]

Мирус Интернатионал је применио ову логику да развије линију соларних трансформатора која оптимизује ЦЕЦ пондерисану ефикасност, а не ДОЕ 2016 ефикасност једне тачке. A 50 кВА Мирус УЛЛ-Солар трансформатор постиже ЦЕЦ пондерисану ефикасност 0.45 процентних поена већи од конвенционалног ДОЕ 2016 дизајн — превођење на 21% мањи просечни губици у типичном раду соларног система.

02 Проширивање пондерисане ефикасности на комерцијалне трансформаторе

ЦЕЦ пондерисање је развијено за соларне претвараче и одражава профил соларног оптерећења — максимална тежина на 75% јер соларна производња достиже врхунац око поднева. Трансформатори за комерцијалне зграде имају различите профиле оптерећења. Hospitals typically load transformers at 40–60%. Schools may load at 20–30%. Data centers and industrial facilities may run at higher utilization. The appropriate weighting depends on the actual load profile of the installation.[1]

The principle, међутим, is universally applicable: 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.

Смоква. 1. Криве ефикасности за 75 кВА трансформатори у целом опсегу оптерећења: УЛЛ је невероватан (Оптимизовано широко оптерећење), Невероватан УЛЛ-Л (оптимизовано лагано оптерећење), и ДОЕ 2016 стандардни дизајн. ДОЕ 2016 дизајн постиже свој циљ у једној тачки на 35% али се дивергира при вишим нивоима оптерећења. Извор: Мирус Интернатионал / Електрична енергија данас 2019.[1]

Табела открива ДОЕ 2016 очигледно слабост дизајна: близу је врхунац 35% лоадинг (своју испитну тачку) али пада знатно изнад 50%. Мирус УЛЛ одржава високу ефикасност од 35% кроз 100% — опсег оптерећења у коме стварно раде објекти са умереном до високом искоришћеношћу. Мирус УЛЛ-Л је оптимизован за лагано оптерећење, одржавање супериорне ефикасности испод 35% по цену неке ефикасности при већим оптерећењима.

03 Предложене једначине пондерисане ефикасности за комерцијалне трансформаторе

Хоевенаарс предлаже две пондерисане једначине ефикасности за спецификацију комерцијалног трансформатора — једну за апликације где је оптерећење претежно лагано (испод 35%), и један за шири опсег оптерећења типичан за умерено до јако оптерећене инсталације. Оба користе шест тачака оптерећења, модификовано из ЦЕЦ једначине да боље одражава профиле оптерећења комерцијалне зграде.[1]

Једначина светлосног оптерећења места 87% његове тежине на 25% и 35% оптерећење — прикладно за школе, канцеларије са малом густином опреме, или било коју апликацију где је стварно оптерећење константно испод 35%. Шири опсег оптерећења поставља једначина 72% његове тежине на 50% и 65% оптерећење — прикладно за болнице, дата центри, индустријских објеката, и пословне зграде са високом искоришћеношћу опреме.[1]

3.1 Радни пример - 75 поређење кВА

Применом једначине ширег опсега оптерећења на 75 кВА подаци о ефикасности:

Препорука је да наведете оба ДОЕ 2016 усклађеност на 35% оптерећење И пондерисана просечна усклађеност ефикасности на истом нивоу ефикасности, користећи једначину одговарајућу за очекивани профил оптерећења. Овај двоструки захтев гарантује трансформатор који је високо ефикасан и на регулаторној тачки тестирања и у стварном радном опсегу — без прихватања скривене енергетске казне дизајна оптимизованог за једну тачку.

04 Шта чини УЛЛТРА другачијим: Стаггеред Цоре Тецхнологи

Постизање високе ефикасности у широком опсегу оптерећења захтева решавање оба губитка без оптерећења (губици језгра) и губици оптерећења (губици бакра) без угрожавања једног да би се побољшало друго. Мирус УЛЛТРА користи сопствену конфигурацију језгра — распоређено језгро — које се бави основним ограничењем и конвенционалних испреплетаних језгара и намотаних језгара.[1]

4.1 Интерлеавед језгро — стандардни дизајн

Конвенционална језгра трансформатора користе зрнасто оријентисана (ГО) силиконски челични слојеви — челик чија је структура кристалног зрна поравната у правцу ваљања, обезбеђујући ниске губитке на хистерези када флукс тече паралелно са зрном. У испреплетаном језгру, флукс у сваком краку је векторски збир сва три фазна флукса. Вектори флукса се равномерно мешају, а укупна величина флукса је √3 (= 1.732) пута флукса појединачне фазе — очекивана вредност за уравнотежени трофазни рад.

Проблем са испреплетеним језграма је у угловима. Тамо где се вертикалне ноге сусрећу са хоризонталним јармовима, флукс мора променити правац. Челик оријентисан на зрно има 2–3 пута веће губитке када флукс тече према зрну — иу угловима испреплетеног језгра, флукс увек тече против зрна. Ово је примарни извор вишка губитака без оптерећења у конвенционалним трансформаторима.[1]

Смоква. 2. Оријентација флукса у интерлеавед трансформаторском језгру. Сваки крак носи векторски збир сва три фазна флукса — укупна величина флукса = √3 × појединачни фазни флукс. Флукс се равномерно меша у ногама, али мора да промени правац на угловима, производећи повишене губитке у угловима у челику оријентисаном на зрно. Извор: Мирус Интернатионал / Електрична енергија данас 2019.[1]

4.2 Језгро ране — Еванс (Дистрибутед Гап) дизајн

Конфигурације намотаног језгра — најчешћа је Еванс Цоре (такође се назива Дистрибутед Гап или ДГ Цоре) — решите проблем губитка углова одржавајући правац флукса у равни са зрном кроз језгро, укључујући и углове. Ово елиминише неусклађеност смера зрна на угловима и смањује губитке без оптерећења.

Међутим, језгра ране представљају другачији проблем који се често занемарује. У језгру ране, путеви флукса обично остају садржани унутар сваког дела ране уместо да се слободно мешају кроз језгро. Парови флукса се и даље збрајају, али они сумирају аритметички, а не векторски. Резултат је укупна величина флукса од 1.73 + 1.73 = 3.46 пута појединачни фазни ток — приближно 15% већи од √3 = 1.73 × појединачни фазни ток испреплетеног језгра. Ово 15% већи флукс производи пропорционално веће губитке у језгру, делимично надокнађујући смањење губитка у углу.[1]

Смоква. 3. Оријентација флукса у Евансу (Дистрибутед Гап) језгро ране. Путеви флукса налазе се у сваком делу ране, спречавајући равномерно мешање. Укупан флукс = 1.73 + 1.73 = 3.46 × појединачни фазни ток — 15% виши од испреплетеног језгра. Овај већи флукс делимично надокнађује уштеде губитака у углу. Извор: Мирус Интернатионал / Електрична енергија данас 2019.[1]

4.3 Попречно језгро — УЛЛТРА решење

Мирус УЛЛТРА користи распоређену конфигурацију језгра која обухвата најбоље карактеристике оба приступа. Кључна иновација је коришћење две различите врсте челика у различитим деловима језгра:[1]

• Орјентисан на зрно (ГО) челик у ногама — флукс у ногама тече паралелно са зрном, тако да ГО челик обезбеђује минималне губитке на хистерези тамо где језгро носи највећи флукс
• Не-зрнасто оријентисан (НВО) челик у угловима — флукс мења правац на угловима; НГО челик има сличне губитке у свим правцима, тако да не кажњава промену смера угаоног флукса

Ова комбинација елиминише губитке у угловима (НВО челик није кажњен променама смера флукса) док дозвољава да се флуксеви равномерно мешају у ногама (unlike wound cores where flux containment prevents even mixing). The result is a core that achieves lower total core losses than either the conventional interleaved core or the wound core design.

Смоква. 4. Low loss staggered core configuration of the Mirus ULLTRA transformer. Орјентисан на зрно (ГО) steel in all legs — low losses where flux flows with the grain. Не-зрнасто оријентисан (НВО) steel in all corners — no penalty for flux direction change. Fluxes mix evenly in the legs, unlike wound cores. Извор: Мирус Интернатионал / Електрична енергија данас 2019.[1]

05 Перспектива квалитета електричне енергије

5.1 Ефикасност трансформатора и квалитет струје — заједнички основни узрок

Овај чланак се налази на раскрсници инжењеринга ефикасности трансформатора и квалитета електричне енергије — комбинација која може изгледати необично, али је директно релевантна за било који објекат са значајним ВСД или другим нелинеарним оптерећењем. The same harmonic currents that create power quality problems on the distribution bus also create additional losses in distribution transformers. A transformer designed to be efficient under harmonic loading is simultaneously less vulnerable to the harmonic heating that shortens transformer service life.

The ULLTRA’s lower no-load losses and the HMT variant’s harmonic cancellation capability address the transformer’s role as both an energy conversion device and a component of the power quality environment. This dual consideration is consistent with the broader theme of the IPQDF series: power quality and energy efficiency are not separate concerns — they are aspects of the same underlying electrical system design challenge.

5.2 Приступ пондерисане просечне спецификације — лекција набавке

Основни инжењерски аргумент чланка - да спецификације у једној тачки производе субоптималне дизајне и да се пондерисане просечне спецификације боље подударају са перформансама у стварном свету - примењује се и даље од ефикасности трансформатора. То је исти аргумент који подржава спецификацију хармонијских филтера помоћу ИТДД-а у целом радном опсегу, а не ТХД_ја на једној тачки оптерећења (као што је показано у ВКЦП студији случаја турбо вентилатора). И то је исти аргумент иза специфицирања капацитета генератора заснованог на хармонијском смањеном оптерећењу, а не на неублаженом оптерећењу помноженом фактором по правилу.

Заједничка нит је: ускладити спецификацију са стварним радним условима, не до погодне тачке тестирања. Укупни трошкови поседовања су минимизирани када инжењерска спецификација описује шта опрема мора да ради током рада, а не оно што мора да уради да би прошао стандардизовани тест.

5.3 Трансформатори за прилагођавање величине — иста логика као и подешавање величине генератора

Завршна тачка чланка је да коришћење ширих опсега оптерећења пондерисане једначине ефикасности омогућава прилагођавање трансформатора - одабир тачне кВА оцене за стварно оптерећење уместо превелике величине да би се постигла прихватљива ефикасност у радној тачки. Ово је директно паралелно са аргументом о регулацији генератора у чланку ЕГСА Поверлине: превелика да прође тест за једну тачку, и плаћате више у капиталним трошковима и оперативним губицима него што је потребно. Дизајнирајте према стварном профилу оптерећења, а и капитални и оперативни трошкови су минимизирани.

За ИПКДФ читаче који раде на пројектовању дистрибутивног система или набавци опреме, оквир пондерисане просечне ефикасности који је овде предложен је практичан алат. Две једначине — мало оптерећење и шири опсег оптерећења — могу се применити на било коју спецификацију набавке трансформатора где је профил оптерећења познат или се може проценити. Рачуница је једноставна, и потребне податке (ефикасност на шест тачака оптерећења) треба да буде доступан од било ког кредибилног произвођача трансформатора.

Референце

1. [1] Т. Хоевенаарс, П.Енг., “Оптимална ефикасност трансформатора користећи пондерисани просек,” Електрична енергија данас, Трансформер Специал Едитион, Лет. 32, Не. 3, ПП. 14–16, 2019. Мирус Интернатионал Инц., Брамптон, Онтарио, Канада.
2. [2] УС Департмент оф Енерги, “Стандарди за уштеду енергије за дистрибутивне трансформаторе,” 10 ЦФР Парт 431.192 (ДОЕ 2016), Федерални регистар, 2016.
3. [3] Калифорнијска енергетска комисија (ЦЕЦ), “Критеријуми подобности и методе испитивања за претвараче,” ЦЕЦ-400-2019-013, 2019.