この適用方法に基づいて、トランス/モーター情報は不要であると考えられるかもしれません。これは、モーターに直接接続されたトランスが、電流の観点からモーターの名板に一致するトランスの適用定格を持っていないため、トランスの正確な定格も提供しないからです。トランスの適用定格は、実際にはモーターがインバータとして消費する見かけの電力の量に基づいており、モーターの名板にはこれらのパラメータのいずれも示されていません。成功したインバータ構成を作成するには、2つのパラメータが必要です。.
結論として、モーター給電トランスの選定された定格は、トランスのkVAに基づくべきであり、そのkW定格ではありません。トランスを正確にサイズするためには、3つのシミュレーションを完了する必要があります。トランスのkVA定格は、最高kVA定格のモーターの2倍の大きさであり、トランスに接続されたすべての負荷の合計kVA定格の1.25倍の大きさです。したがって、モーターの総負荷電流は、トランスの総負荷電流の65%を超えてはなりません。モーターを始動する際には、モーターのロックローターkVAを使用しているトランスの短絡kVAで割った値の80〜85パーセントを超える電圧降下があってはなりません。可変周波数ドライブ（VFD）負荷を使用する場合は、標準トランスが6パルス整流システムから生成される高調波電流を処理できないため、K定格トランスを使用する必要があります。.
トランスがkVAで定格される理由とkWではない理由
定格は見かけの電力で測定されます。トランスは接続されている負荷に関係なく全電流を処理しなければならないからです。損失は主に電流（I²R計算に基づく銅損）と電圧（コア損）によって発生し、負荷が抵抗性であろうと反応性であろうと関係ありません。0.8の力率で負荷に給電する100 kVAのトランスは80 kWを提供し、0.95の力率で負荷を提供する同じトランスは95 kWの電力を提供します。電流は同じですが、結果は異なります。.
これが、モーター負荷をトランスの容量と比較する前にkWに変換する必要がある理由です。三相モーターの場合：
kVA =√3×VL-L×I/1000
単相の場合は√3を省略します。いずれにせよ、計算はすべての経験則が適用される前に正確でなければならず、力率の仮定を含む完全な方法はこのガイドで説明されています。 三相電力のkVAを計算する.
「kVA要件に合わせてサイズ設定された」という用語が見た目よりも正確である理由は、定義に運転時の1つの値、始動条件の1つの値、および高調波成分が含まれており、トランスはこれら3つの値を同時に耐えなければならないからです。.
モーターが提供する4つの数値
すべての下流は4つのデータポイントから来ており、そのうちの3つは銘板にあります。各数値が定格において何を意味するかは重要です。なぜなら、モーターの4つの数値はトランスの指定される4つの数値とは異なるからです — この違いは以下の概要で説明されています。 トランスのkVA定格が実際に何を表しているか.
| 数字 | どこから来るのか | 何に使用されるのか |
|---|---|---|
| 定格出力 (kW または HP) | 名板 | サイズ設定の文脈のみ — トランスの負荷ではない |
| 定格フルロード電流 (FLA) | 名板、または NEC テーブル 430.248 / 430.250 | 運転 kVA と 125% 導体サイズ |
| サービスファクターと効率 | 名板 | 現実的な運転需要 |
| NEMA コードレター | 名板 | ロックローター kVA / 馬力 — 始動負荷 |
NEMA コードレターは人々がスキップするものであり、サイズを決定するものです。これはロックローター kVA / 馬力を表し、アルファベット全体で7倍の変動があります。.
| コードレター | ロックローター kVA / HP | コードレター | ロックローター kVA / 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 およびそれ以上 | 12.6–22.4 |
NEMA コード G は、ほとんどの産業用モーターがその基準の下で設計されているため、NEMA 製造者基準 B 設計に準拠したモーターを指します。NEMA コード A は、低い始動電流を持つモーターを指定し、コード N 以上は運転負荷に基づいて設計されたトランスに大きな負担をかけるモーターを分類します。.
ロックローター kVA = HP × kVA/HP の式は、この場合、コード G の 5 HP に対して 30 kVA の kVA を与え、運転負荷は 6.4 kVA を要求し、5 の係数を持つため、運転負荷のみに基づく計算はこの係数によって間違っていることになります。.
始動方法はモーターサイズよりも答えを変える。
同じモーターが4つの異なる方法で実行されると、トランスに対して4つの異なる負荷ケースが提示され、ここで仕様を改善することができ、トランスにお金を投資する必要はありません。.
| 始動方法 | FLAの電流倍数 | おおよその始動kVA | トレードオフ |
|---|---|---|---|
| 直接接続（DOL） | 6–8× | 5–7×運転kVA | フルブレークアウェイトルク；トランスにとって最悪 |
| スターデルタ | 2–3× | 2–3×運転kVA | 始動トルクを約3分の1に削減 |
| ソフトスタータ | 1.5–4× | 2–3×運転kVA | 調整可能なランプ、機械的ストレスの低減 |
| VFD | 1–1.5× | 1–1.5×運転kVA | ハーモニクスがK指定トランスを強制する |
簡単に言えば、直接接続モーターにVFDを設置することで、トランスの必要性を大幅に削減でき、コストはほとんどの場合、次に大きいトランスよりも低くなります。これが、始動技術をサイズ決定時に考慮すべき理由であり、制御パネルを選択する際だけではありません。.
問題は、VFD技術をトランスのサイズを小さくする方法として考えることから生じます。この技術は突入電流の問題を排除しますが、ハーモニクスの問題を引き起こします。標準の15 kVAトランスは、トランスが定格容量に達する前に、5次および7次ハーモニクスのために過熱します。この場合、より大きなトランスの代わりにK指定トランスを使用するべきです。.
三つのサイズ決定ルールとそれぞれの出所
現場で使用される三つのガイドラインがあり、それぞれ独自の懸念に対処していますが、良い設計はこれら三つすべてを尊重します。.
- 2×ガイドライン。これは、トランスのkVAは最大モーターの運転kVAの少なくとも2倍でなければならないと述べています。これは、直接接続の起動時のロックローターサージ、同時シャフトまたは補助機器の起動、モーターが回転を始める前のトランスのインピーダンスによる電圧降下を考慮した現場の基本的な事実ルールです。.
- 25×ガイドライン。これは、トランスのkVAは接続された総負荷kVAの少なくとも125%でなければならないと述べています。これにより、すべてがオンのときにトランスの過負荷を防ぎます。.
- 65%ガイドライン。これは、モーターのフルロード電流がトランスのフルロード電流の約65%を超えてはならないと述べています。.
したがって、上記の二つのうちの大きい値を取り、ルール番号3を適用します。ルール2は主要なモーターが1つの場合に適用され、ルール1は小さなモーターが多数ある場合に適用されます。.
| モーター | 運転kVA（おおよそ） | 2×ルール | 実用的な在庫サイズ |
|---|---|---|---|
| 7 kW / 5 HP | ~5 kVA | 10 kVA | たは15 kVA |
| 5 kW / 7.5 HP | ~7 kVA | 14 kVA | 15 kVA |
| 5 kW / 10 HP | ~10 kVA | 20 kVA | たは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 | たは75 kVA |
その後は常に次の標準サイズを選択してください。一つのkVAサイズと次のサイズの価格差は、ツール変更の過渡、加速/減速再生システム、将来のモーターアップグレードのコストに比べて小さいです。.
実例: 5 HP、単相、高慣性負荷
5馬力（5 HP）、230ボルト（V）の単相モーターが往復圧縮機を駆動しています。圧縮機の慣性のため、モーターは動作する前に数秒間ロックローター状態に留まります。.
- 動作電流。国家電気規則（NEC）表430.248は、5 HP、230 Vの単相モーターに対して28アンペア（28 A）の動作電流を指定しています。.
- 動作kVA。式は230ボルトに28（28 A）を掛け、1000で割るとkVAは6.44（6.44 kVA）になります。.
- 名板確認。国家電気製造業者協会（NEMA）コードはGであり、これは各馬力に対して5.7から6.3 kVAを必要とします。6（6）kVAが平均として選ばれるべきです。.
- ロックローターkVA。kVAは5 HPに6 kVAを掛けたもので、30 kVAに等しいです。.
- 5（7.5）kVAトランスでのテスト。インピーダンスは4.5パーセント（4.5%）であるため、短絡kVAは7.5を0.045で割った値で、167 kVAになります。電圧降下は30を167で割った値で、18（18%）になります。.
- 十五（15）kVAの変圧器でのテスト。短絡kVAは十五をゼロ点零四五で割ったもので、三百三十三（333 kVA）になります。電圧降下は三十を三百三十三で割ったもので、九（9%）です。.
- 65%ルールの問題は重要です。十五（15 kVA）変圧器の場合の変圧器の定格負荷電流は六十五アンペア（65 A）です。モーターの定格負荷電流は二十八アンペア（28 A）であり、これは他のモーターの四十三パーセント（43%）に相当します。.
運転負荷の結果は、七点五（7.5 kVA）変圧器が正常に動作していることを示していますが、始動負荷には十五（15 kVA）変圧器が必要です。両者のギャップが議論の基本的なポイントです。.
計算に関する警告：電圧降下は、Vd = (突入kVA ÷ 変圧器の短絡kVA × 100)という式を使用して計算できます。単位インピーダンスが四点五（4.5）の変圧器は、その容量の約二十二倍の短絡容量を持ち、三十（30 kVA）の突入kVAが正常に動作することを可能にします。二つの同じ容量の変圧器は、異なるインピーダンス率のために異なる電圧降下を引き起こす可能性があります。.
実例：10 HP、三相、VFDで
定格10 HP、460 V、14 Aの定格負荷電流を持つ三相モーターがVFDで運転されています。.
- 運転kVAを計算するための式は、運転kVA = 1.732 × 460 × 14 ÷ 1,000 = 11.16 kVAです。.
- モーターがVFDを使用して始動されると、始動電流は定格負荷電流の1-1.5倍に制限され、したがって始動kVAは11〜17 kVAの範囲になります。.
- 過渡現象に対して2倍の安全係数が適用されるため、2× 11.16 = 22 kVAがこの場合に使用されます。したがって、使用される変圧器の実際のkVAは25 kVAになります。.
- 高調波の問題が発生します。6パルス整流器は、強い5次および7次高調波を持つ歪んだ電流を生成しています。したがって、対応する変圧器はKとして定格される必要があります。.
- 中性線について確認する必要があります。三重高調波は中性線に蓄積され、お互いに打ち消し合うことはないため、変圧器の対応するK定格は200%でなければなりません。.
電圧降下：実際に決定する制約
変圧器が熱的に十分であっても、モーターがその仕事をできるかどうかに制限されるため、アプリケーションで正常に機能しない可能性があります。NEMAデザインBモーターは、ロックローター時に定格負荷電流の5〜7倍を引き出すことができますが、回転を始めると減少します。フィーダーと変圧器の合成インピーダンスがモーター電圧を名目値の80.%未満に保つと、ブレークダウントルクが失敗し、モーターがスタールします。.
ソフトなオプションを使用することで問題を解決するのに役立ちます。トランスをモーターの近くに配置することでフィーダーの長さが短くなり、全体のインピーダンスが低下します。トランスのサイズを大きくする際には、その結果としてのコスト削減を認識することが重要です。また、始動方法も、ソフトスタート（FLAの2〜4倍）やVFD（FLAの1〜1.5倍）を使用する場合、安価な解決策の一つです。.
許容される電圧降下の数値は、下流の機器に基づいています。モーターは約15〜20パーセントの電圧降下に耐えることができます。VFDに関しては、電圧降下が約10〜15パーセントの状況では、はるかに困難な状況に直面します。したがって、VFDとモーターが同じトランスを使用する場合は、より厳しい要件に準拠する方が良いです。.
既存のトランスのチェック
大半の場合、レトロフィットプロジェクトはゼロから始まることはありません。通常のタスクは、利用可能なトランスがもう一つのモーターを受け入れられるかどうかです。.
- まず、名板のkVAとインピーダンス（仮定値ではなく）を確認します。.
- 次に、新しいモーターを含む二次側の全負荷の運転kVAを合計します。.
- その後、始動コードレターに従って最大モーターのロックローターkVAを計算します。.
- 次に、トランスの短絡kVAに基づいて電圧降下を計算します。.
- その後、総負荷に対して65%の電流ルールが遵守されているかを確認します。.
- 最後に、予想される稼働サイクルにおける熱的余裕を一箇所だけでなく確認します。.
もし答えが境界線上であれば、三つの可能なステップのいずれかを選択することができます — 始動方法を変更する、新しいモーター用に別のトランスを設置する、または減少した稼働で作業することに同意することです。現在のトランスがまだ故障していないからといって、余剰容量があると仮定することはできません — 絶縁劣化の種類は目に見えませんが、結果は通常次の暑い季節に現れます。その評価の正式なバージョンは、この方法で示されています。 トランスが容量要件を満たしているかどうかを判断するための.
熱的余裕と80%ルール
トランスは通常、連続運転のために定格容量の約80%で運転され、これにより周囲条件の変動、ハーモニクス損失、および時折の過負荷に対応します。これがトランス設計の「80%ルール」の本質です。.
このルールは、モーターの場合のように連続負荷よりもモーターを扱う際により関連性があります。モーター負荷の運転はサイクルで構成されています。例えば、工作機械は平均して60%の負荷で動作し、重切削中には150%のピークがあります。コンプレッサーは、タンクが満たされるまで100%で動作し、その後はアイドル状態で動作します。このように、上記のすべてのシナリオは1つの数学的パラメータで説明することはできません。このため、サイクルモードは通常、kVA定格よりも優れた熱工学を決定します。これは、温度上昇の低下、冷却の改善、サイクリング運転に合わせたモーター巻線の設計を伴います。そのマージンがどこから来るのか、どのように構築されるのかは、このメモで扱われています。 トランスの過負荷能力と安定性の向上.
インピーダンスを減少させることによる購入マージンにも限界があります。インピーダンスを下げると電圧降下が減少しますが、他方で二次側の故障電流が増加し、その結果、後続回路のすべてのデバイスの定格が増加します。バランスは、通常、乾式配電トランスの場合、4–6%のどこかで達成されます。.
仕様に何を記載するか
実際の発生に対応できるモーター給電トランスは、以下の要素で構成されるべきです：
- 三つのルールを使用して計算され、最寄りの電圧定格に丸められたkVA定格。.
- 必要な一次および二次電圧とタップ範囲。.
- 明示的に記載されたインピーダンス — 4%または6%は電圧降下の計算を大きく変えます。.
- ドライブおよび接地配置に一致するベクトルグループと接地。.
- 使用されるVFDの場合のKファクター — 最低K-4、ドライブ支配負荷の場合はK-13。.
- サイクリックモーター運転が関与する場合のクラスH絶縁とグレードFまたはBの上昇による絶縁クラスと温度上昇の仕様。.
- Neutral rating should be set at 200% for K-rated units.
- Duty and overload statement made for anything else besides the nameplate.
Two items here are very often omitted. The first item is impedance that is left to the supplier, so that an important change in starting operation occurs. The second item is K-factor that was missed due to the fact that the drive was specified by another person separately from the transformer six months later.
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.
よくある質問
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?
変圧器の80%ルールとは何ですか？
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.
参考文献
- NFPA — NFPA 70 National Electrical Code, Article 430 motor circuits and Tables 430.248 / 430.250
- NEMA — motor nameplate code letters and locked-rotor kVA per horsepower classifications
- Eaton — transformer sizing, K-factor selection and harmonic loss application guidance
- Schneider Electric — dry-type transformer specification data and motor-load sizing guidance
- Electrical Engineering Portal — transformer sizing and voltage drop calculation for large motor starting
- UL Solutions — UL 1561 dry-type transformers and recognised K-factor ratings
- International Electrotechnical Commission — IEC 60076 series for power transformers and IEC 60034 for rotating machines
- US Department of Energy — motor systems and transformer efficiency guidance
結論
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.