I trasformatori sono dimensionati in base ai requisiti di kVA del motore di azionamento

Basato su come viene applicato, le informazioni sul trasformatore/motore possono essere considerate superflue. Questo perché il trasformatore, che è collegato al motore tramite una connessione diretta, non ha una valutazione di applicazione del trasformatore elencata che corrisponda alla targa del motore in termini di corrente, pertanto non fornisce nemmeno una valutazione accurata del trasformatore. La valutazione di applicazione del trasformatore è in realtà basata sulla quantità di potenza apparente consumata dal motore come inverter, e non c'è indicazione di uno di questi parametri sulla targa del motore. Sono richiesti due parametri per creare una configurazione inverter di successo.

In conclusione, la valutazione selezionata per il trasformatore di alimentazione del motore dovrebbe essere basata sul kVA del trasformatore piuttosto che sulla sua valutazione in kW. Per dimensionare accuratamente il trasformatore, devono essere completate tre simulazioni; la valutazione in kVA del trasformatore sarà due volte più grande del motore con la valutazione in kVA più alta, e 1,25 volte più grande del totale in kVA per tutti i carichi collegati al trasformatore. Pertanto, la corrente totale di carico del motore non deve superare 65% della corrente totale di carico del trasformatore(i). All'avvio del motore, non dovrebbe esserci un calo di tensione superiore all'80-85 percento del kVA del rotore bloccato del motore diviso per il kVA di cortocircuito del trasformatore utilizzato per avviare il motore. Quando si utilizzano carichi a frequenza variabile (VFD), dovrebbe essere utilizzato un trasformatore di tipo K, poiché i trasformatore standard non possono gestire le correnti armoniche generate dai sistemi di rettificazione a sei impulsi.

Perché i Trasformatori Sono Valutati in kVA e Non in kW

La valutazione è misurata in potenza apparente poiché il trasformatore deve gestire l'intera corrente indipendentemente dal carico collegato. Le perdite si verificano principalmente a causa della corrente (perdita di rame secondo il calcolo I²R) e della tensione (perdita nel nucleo) che non importa se il carico è resistivo o reattivo. Nel caso di un trasformatore da 100 kVA che alimenta un carico con un fattore di potenza di 0,8, fornisce 80 kW mentre lo stesso trasformatore che fornisce un carico con un fattore di potenza di 0,95 fornisce 95 kW di potenza. La corrente è la stessa, ma il risultato è diverso.

Questo è il motivo per cui il carico del motore deve essere convertito in kW prima di essere confrontato con la capacità del trasformatore. In un motore trifase:

kVA =√3×VL-L×I/1000

Per la fase singola, eliminare il √3. In ogni caso, il calcolo è l'unica cosa che deve essere corretta prima che si applichino le regole empiriche, e il metodo completo, compresa l'assunzione del fattore di potenza, è trattato in questa guida per calcolare il kVA per la potenza trifase.

Il motivo per cui il termine “dimensionato secondo il requisito kVA” è più accurato di quanto sembri è che la definizione include un valore in funzionamento, un valore in condizione di avviamento e un componente armonico, e il trasformatore deve sopportare tutti e tre i valori simultaneamente.

I Quattro Numeri che un Motore Ti Fornisce

Tutto ciò che segue proviene da quattro punti dati, e tre di essi sono sulla targhetta. Ciò che ciascuno significa in termini di valutazione è importante qui, perché i quattro numeri di un motore non sono gli stessi quattro su cui è specificato un trasformatore — la differenza è spiegata in questa panoramica di cosa rappresenta effettivamente la valutazione kVA su un trasformatore.

Numero	Da dove proviene	A cosa serve
Uscita nominale (kW o HP)	Targhetta	Solo contesto di dimensionamento — non il carico del trasformatore
Corrente a pieno carico (FLA)	Targa, o Tabelle NEC 430.248 / 430.250	kVA di funzionamento, e il dimensionamento del conduttore 125%
Fattore di servizio ed efficienza	Targhetta	Domanda di funzionamento realistica
Lettera di codice NEMA	Targhetta	kVA del rotore bloccato per cavallo vapore — il carico di avviamento

La lettera di codice NEMA è quella che le persone saltano, ed è quella che decide la dimensione. Esprime il kVA del rotore bloccato per cavallo vapore, e varia di un fattore di sette attraverso l'alfabeto.

Lettera di codice	kVA del rotore bloccato per HP	Lettera di codice	kVA del rotore bloccato per HP
A	3.15	J	7.2–8.0
B	3.16–3.55	K	8.1–9.0
E	4.6–5.0	L	9.1–10.0
F	5.1–5.6	M	10.1–11.2
G	5.7–6.3	N	11.3–12.5
H	6.4–7.1	P e oltre	12.6–22.4

Il codice NEMA G si riferisce a motori che rispettano gli standard di progettazione del produttore NEMA B, poiché la maggior parte dei motori industriali è progettata secondo quegli standard. Il codice NEMA A specifica un motore che ha una bassa corrente di avviamento, mentre i codici N e superiori categorizzano motori che metteranno a dura prova i trasformatori progettati in base ai carichi di funzionamento.

L'equazione kVA del rotore bloccato = HP × kVA/HP basata sul codice darà un kVA in questo caso di 30 kVA per un motore classificato a 5 HP di codice G, mentre il carico di funzionamento richiede 6.4 kVA, un fattore di 5, rendendo quindi errate tutte le calcolazioni basate esclusivamente sul carico di funzionamento per questo fattore.

Il metodo di avviamento cambia la risposta più della dimensione del motore

Lo stesso motore eseguito in quattro modi diversi presenta quattro diversi casi di carico al trasformatore, ed è qui che la specifica può essere migliorata senza investire denaro sul trasformatore.

Metodo di avviamento	Moltiplo di corrente di FLA	kVA di avviamento approssimativo	Compromesso
Diretta in linea (DOL)	6–8×	5–7× kVA in funzione	Coppia di avviamento totale; peggiore per il trasformatore
Stella-triangolo	2–3×	2–3× kVA in funzione	Riduce la coppia di avviamento a circa un terzo
Avviatore morbido	1.5–4×	2–3× kVA in funzione	Rampaggio regolabile, minore stress meccanico
VFD	1–1.5×	1–1.5× kVA in funzione	Le armoniche richiedono un trasformatore di tipo K

In termini semplici, installare un VFD su un motore a collegamento diretto può ridurre significativamente la necessità di trasformatori e comportare costi che sono, nella maggior parte dei casi, inferiori a quelli del prossimo trasformatore più grande disponibile. Questo è il motivo per cui la tecnica di avviamento dovrebbe essere considerata durante la dimensione, non solo quando si sceglie il pannello di controllo.

Il problema deriva dal pensare alla tecnologia VFD come un modo per ridurre le dimensioni del trasformatore. Mentre la tecnologia elimina il problema dell'inrush, crea il problema delle armoniche. Un trasformatore standard da 15 kVA si surriscalderà a causa delle armoniche 5° e 7° molto prima che il trasformatore raggiunga la sua capacità nominale. In questo caso, dovrebbe essere utilizzato un trasformatore di tipo K piuttosto che uno più grande.

Le Tre Regole di Dimensionamento e da Dove Provengono

Tre linee guida sono impiegate nel campo e si occupano di preoccupazioni uniche, mentre un buon design rispetta tutte e tre.

• La linea guida 2×. Stabilisce che il kVA del trasformatore deve essere almeno 2 volte superiore al kVA in funzione del motore più grande. Questa è la regola fattuale di base in campo che tiene conto dell'impulso del rotore bloccato all'avviamento diretto, dell'avviamento simultaneo di alberi o ausiliari e dell'impedenza del trasformatore che causa una caduta di tensione prima che il motore inizi a girare.
• La linea guida 1.25×. Stabilisce che il kVA del trasformatore deve essere almeno 125% del kVA totale del carico connesso. Questo previene il sovraccarico del trasformatore se tutto è acceso.
• La linea guida 65%. Stabilisce che la corrente di carico completo del motore non deve superare circa il 65% della corrente di carico completo del trasformatore.

Quindi prendi il valore più grande delle due sopra e applica la regola numero 3. La regola 2 si applica nei casi di un motore principale, mentre la regola 1 si applica se ci sono molti motori piccoli.

Motore	kVA in funzione (appross.)	Regola 2×	Dimensione di stock pratica
7 kW / 5 HP	~5 kVA	10 kVA	10 o 15 kVA
5 kW / 7.5 HP	~7 kVA	14 kVA	15 kVA
5 kW / 10 HP	~10 kVA	20 kVA	20 o 25 kVA
11 kW / 15 HP	~14 kVA	28 kVA	30 kVA
15 kW / 20 HP	~19 kVA	38 kVA	45 kVA
22 kW / 30 HP	~28 kVA	56 kVA	63 o 75 kVA

Prendi sempre la dimensione standard successiva più grande dopo quella. La differenza di prezzo tra una dimensione kVA e la successiva è piccola rispetto al costo dei transitori di cambio utensile, dei sistemi rigenerativi di accelerazione/decelerazione e degli aggiornamenti futuri del motore.

Esempio pratico: 5 HP, Monofase, Carico ad alta inerzia

Un motore monofase da cinque cavalli (5 HP), 230 volt (V) che alimenta un compressore alternativo. A causa dell'inerzia dei compressori, il motore rimane nello stato di rotore bloccato per diversi secondi prima di diventare operativo.

• Corrente di funzionamento. Il Codice Elettrico Nazionale (NEC) Tabella 430.248 specifica una corrente operativa di ventotto ampere (28 A) per il motore monofase da 5 HP, 230 V.
• kVA di funzionamento. La formula è 230 volt moltiplicato per ventotto (28 A) diviso per 1000, il che dà kVA uguale a sei punto quarantaquattro (6.44 kVA).
• Verifica della targa. Il Codice dell'Associazione Nazionale dei Produttori Elettrici (NEMA) è G, il che significa che richiede da cinque punto sette a sei punto tre kVA per ogni cavallo. Sei (6) kVA deve essere scelto come media.
• kVA del rotore bloccato. kVA uguale a cinque HP moltiplicato per sei kVA, che è uguale a trenta kVA.
• Test su un trasformatore da sette punto cinque (7.5) kVA. L'impedenza è quattro punto cinque percento (4.5%), quindi il kVA di cortocircuito sarebbe sette punto cinque diviso per zero punto zero quattro cinque uguale a cento sessantasette kVA. Il calo di tensione è uguale a trenta diviso cento sessantasette uguale a diciotto (18%).
• Test su un trasformatore da quindici (15) kVA. Il kVA di cortocircuito è quindici diviso zero punto zero quattro cinque, che equivale a trecentotrentatre (333 kVA). L'abbassamento di tensione è uguale a trenta diviso trecentotrentatre, che equivale a nove (9%).
• La questione della regola 65% è importante. La corrente a pieno carico del trasformatore nel caso di un trasformatore da quindici (15 kVA) è sessantacinque ampere (65 A). La corrente a pieno carico del motore è ventotto ampere (28 A), il che significa che è il quarantatre percento (43%) dell'altro.

Il risultato del carico in funzione mostrava che il trasformatore da sette punto cinque (7.5 kVA) funziona bene, ma il carico di avviamento richiede il trasformatore da quindici (15 kVA). Il divario tra i due è il punto fondamentale delle argomentazioni.

Un avviso riguardo ai calcoli: l'abbassamento di tensione può essere calcolato utilizzando la formula Vd = (il kVA di inrush diviso il kVA di cortocircuito del trasformatore moltiplicato per 100). Un trasformatore con impedenza per unità di quattro punto cinque (4.5) ha una capacità di cortocircuito circa ventidue volte maggiore della sua capacità, il che consente al kVA di inrush di trenta (30 kVA) di funzionare perfettamente, utilizzando il trasformatore da quindici kVA. Due trasformatori della stessa capacità in kVA possono causare diversi abbassamenti di tensione a causa dei diversi tassi di impedenza.

Esempio Lavorato: 10 HP, Tre Fasi, su un VFD

Un motore trifase con una potenza nominale di 10 HP, 460 V e 14 A di corrente a pieno carico è in funzione con un VFD.

• La formula per calcolare il kVA in funzione è kVA in funzione = 1.732 × 460 × 14 ÷ 1.000 = 11.16 kVA.
• Quando il motore viene avviato utilizzando il VFD, limita la corrente di avviamento a 1-1.5 volte quella della corrente a pieno carico, dando così un kVA di avviamento nell'intervallo di 11–17 kVA.
• La regola che prevede un fattore di sicurezza di 2× per i transitori è ancora seguita, ecco perché 2× 11.16 = 22 kVA è utilizzato in questo caso. Pertanto, il kVA effettivo del trasformatore utilizzato sarà 25 kVA.
• Il problema armonico prenderà piede. Il raddrizzatore a 6 impulsi produce una corrente distorta che ha forti armoniche di 5° e 7°. Pertanto, il trasformatore corrispondente deve essere classificato come K.
• È necessario assicurarsi riguardo al filo neutro. Le armoniche triplen si accumulano nel neutro e non si annullano a vicenda, quindi la classificazione K corrispondente di un trasformatore deve essere 200%.

Abbassamento di Tensione: Il Vincolo Che Decide Effettivamente

È possibile che un trasformatore sia termicamente sufficiente ma non funzioni correttamente nell'applicazione, poiché i criteri limitanti dipendono dal fatto che il motore possa svolgere il proprio lavoro o meno. Un motore NEMA Design B può assorbire da 5 a 7 volte la corrente a pieno carico quando è bloccato, ma diminuisce una volta che inizia a girare. Se l'impedenza combinata dell'alimentatore e del trasformatore mantiene la tensione del motore al di sotto dell'80% del valore nominale, la coppia di rottura fallirà e causerà il blocco del motore.

Utilizzare opzioni più morbide può aiutare a risolvere il problema, dato che posizionare il trasformatore vicino al motore ridurrà la lunghezza del feeder e abbasserà l'impedenza totale. Quando si aumenta la dimensione del trasformatore, è importante rendersi conto dei risparmi sui costi che ne derivano. Inoltre, il metodo di avviamento è anche tra le soluzioni economiche quando il metodo di avviamento applicato è un soft starter (2 a 4 volte FLA) e VFD (1 a 1,5 volte FLA) utilizzati al posto.

Il numero di caduta accettabile si basa sull'attrezzatura a valle. I motori possono subire una caduta di circa il 15-20 percento, che possono sopportare. Riguardo a un VFD, troverà la situazione molto più difficile dove la caduta di tensione è intorno al 10-15 percento. Pertanto, nel caso in cui VFD e il motore utilizzino lo stesso trasformatore, è meglio essere in conformità con il requisito più rigoroso.

Controllare un Trasformatore che Hai Già

La maggior parte delle volte, i progetti di retrofit non partono da zero. Il compito è solitamente se il trasformatore disponibile è in grado di supportare un altro motore o meno.

• Controlla prima il kVA e l'impedenza della targhetta (non i loro valori presunti).
• Successivamente accumula il kVA in funzione dell'intero carico sul lato secondario, incluso il nuovo motore.
• Poi calcola il kVA del rotore bloccato del motore più grande secondo la sua lettera di codice di avviamento.
• Procedi a calcolare la caduta di tensione secondo il kVA di cortocircuito del trasformatore.
• Poi controlla se la regola della corrente 65% è rispettata per il carico totale condotto.
• Infine controlla il margine termico al ciclo di lavoro previsto non in un solo punto.

Quando e se la risposta è borderline puoi decidere di intraprendere uno dei tre possibili passi: cambiare il metodo di avviamento, installare un trasformatore separato per il nuovo motore, o concordare di lavorare sotto un ciclo ridotto. Ciò che non puoi fare è assumere che il trasformatore attuale abbia capacità di riserva solo perché non è ancora fallito: i tipi di degrado dell'isolamento sono impercettibili, ma il risultato di solito si manifesta durante la prossima stagione calda. La versione formale di quella valutazione è esposta in questo metodo per determinare se un trasformatore soddisfa i requisiti di capacità.

Margine Termico e la Regola 80%

I trasformatori sono tipicamente operati intorno all“80% della loro capacità nominale per funzionamento continuo, il che consente variazioni nelle condizioni ambientali, perdite armoniche e occasionali sovraccarichi. Questa è l'essenza della ”regola 80%" del design del trasformatore.

Questa regola è più rilevante quando si tratta di motori piuttosto che di carichi continui, come nel caso dei motori. Il funzionamento dei carichi motore consiste in cicli. Ad esempio, un utensile da macchina lavora con un carico medio di 60%, mentre ci sono picchi di 150% durante un taglio pesante; un compressore opera a 100% fino a quando il serbatoio è pieno, e poi lavora a vuoto. Pertanto, tutti gli scenari sopra non possono essere descritti con un solo parametro matematico. È per questo motivo che la modalità ciclica determina solitamente una migliore ingegneria termica piuttosto che la valutazione in kVA — è accompagnata da un aumento di temperatura inferiore, un miglior raffreddamento e il design dell'avvolgimento del motore adattato per il funzionamento ciclico. Da dove proviene quel margine e come viene costruito è trattato in questa nota su migliorare la capacità di sovraccarico e la stabilità del trasformatore.

L'acquisto di margine diminuendo l'impedenza ha anche le sue limitazioni. Ridurre l'impedenza riduce la caduta di tensione, ma d'altra parte, aumenta la corrente di guasto al secondario, aumentando così la valutazione di ogni dispositivo nei circuiti successivi. L'equilibrio viene raggiunto, di solito intorno a 4–6% nel caso di trasformatori di distribuzione di tipo secco.

Cosa inserire nella specifica

Un trasformatore di alimentazione per motori che può affrontare eventi della vita reale dovrebbe consistere nei seguenti elementi:

• valutazione in kVA calcolata utilizzando le tre regole e arrotondata al valore di tensione disponibile più vicino.
• Tensione primaria e secondaria e intervallo di tap necessari.
• Impedenza esplicitamente dichiarata — 4% o 6% cambia notevolmente il calcolo della caduta di tensione.
• Gruppo vettoriale e messa a terra che corrispondono all'azionamento e all'arrangiamento di messa a terra.
• Fattore K nel caso di qualsiasi VFD utilizzato — K-4 come minimo, e K-13 per carichi dominanti sull'azionamento.
• La specifica della classe di isolamento e dell'aumento di temperatura realizzata con isolamento di Classe H e aumento di grado F o B nel caso di dovere ciclico del motore coinvolto.
• La valutazione neutra dovrebbe essere impostata a 200% per unità con fattore K.
• Dichiarazione di dovere e sovraccarico fatta per qualsiasi altra cosa oltre alla targa.

Due elementi qui sono molto spesso omessi. Il primo elemento è l'impedenza che viene lasciata al fornitore, in modo che si verifichi un importante cambiamento nell'operazione di avvio. Il secondo elemento è il fattore K che è stato trascurato a causa del fatto che l'azionamento è stato specificato da un'altra persona separatamente dal trasformatore sei mesi dopo.

For a medium voltage motor drive on 6-10kV supply, it is usually a cast-resin dry type, as it is located in a plant room and does not carry oil into the building. The ratings, winding construction and enclosure options for that class of unit are set out in this cast-resin dry-type distribution transformer range for 6–10 kV service.

FAQ

What are the standard kVA sizes for transformers?

In use are two forms of ladder. IEC method follows a R10 method of approximately 25% for each increment, which are acceptable values 100, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1,000, 1,250, 1,600, 2,000, and 2,500 kVA. North American method follows 15, 30, 45, 75, 112.5, 150, 225, 300, 500, 750, 1,000, 1,500, 2,000, and 2,500 kVA. There are low-power devices on both ladders from 10 to 50 kVA, making impossible to control the possible range in different markets with the same requirement: for example, the level 45 kVA can be indicated in one region, while in other – at 50 kVA.

Why are transformers sized in kVA?

Because the current does not know load transducer is straight away affected due to the instantaneous current with time and voltage; meaning this also. In the main concern of all ratings, all kVA is statutory apparent power of the equipment rating without an overheating condition. When looking to compare any motor and transducer ratings, this is also the ideal reason why the kW rating of the motor is to be converted into kVA.

What kVA rating is required for a transformer?

Select either of two quantities that is larger: twice the maximum kVA of any motor used, or 1.25 times the total load kVA. Afterward, ensure that the full-load current of the motor is approximately 65% or less than the full-load current of the transformer and verify that the voltage dip during the starting process does not fall below 80-85% of its nominal value. For VFDs, introduce a requirement for the K-factor. Then round up the figure to the nearest standard size.

Qual è la regola 80% per i trasformatori?

The standard practice is that when operating a transformer continuously, it should not be loaded to over 80% of its kVA rating; less than 80% of the rated kVA would allow enough margin for extreme ambient temperature (which the standard temperature is considered to be 30 °C), harmonic losses caused by non-linear loads, and short-term overloading. In this case, it refers to an advice rather than a code, as the real limit is the winding temperature of the transformer, meaning that insulation class and temperature rise are as important as the kVA value.

Riferimenti

1. NFPA — NFPA 70 National Electrical Code, Article 430 motor circuits and Tables 430.248 / 430.250
2. NEMA — motor nameplate code letters and locked-rotor kVA per horsepower classifications
3. Eaton — transformer sizing, K-factor selection and harmonic loss application guidance
4. Schneider Electric — dry-type transformer specification data and motor-load sizing guidance
5. Electrical Engineering Portal — transformer sizing and voltage drop calculation for large motor starting
6. UL Solutions — UL 1561 dry-type transformers and recognised K-factor ratings
7. International Electrotechnical Commission — IEC 60076 series for power transformers and IEC 60034 for rotating machines
8. US Department of Energy — motor systems and transformer efficiency guidance

Conclusione

Transformers are selected based on their kVA capability, and care is taken in selecting the proper transformer that factors not only in the kVA size of the electric motor but also its application type (how it will be started) and operation characteristics. The new transformed kVA rating should reflect the total kVA value of the motor, including all electric power sources (e.g. power factor correction/reactive power) and locked rotor kVA (or the ‘worst case’ operating condition). When comparing this to standard induction motors, which typically utilize the two-point replacement method (for kVA rating and locked rotors), there is also another type of kVA, the harmonic current based on a VFD’s ‘K-factor’. When calculating kVA capacity, we also have to factor in a voltage drop, as this may occur (despite the transformer being thermally capable) that might result in insufficient terminal voltage to start the motor. This applies to electric motors ranging from 5HP to 500HP or larger.