В зависимости от того, как это применяется, информация о трансформаторе/двигателе может считаться ненужной. Это связано с тем, что трансформатор, который подключен к двигателю через прямое соединение, не имеет указанного номинала применения трансформатора, соответствующего табличным данным двигателя по току, следовательно, он также не предоставляет точный номинал трансформатора. Номинал применения трансформатора на самом деле основан на количестве видимой мощности, потребляемой двигателем как инвертором, и ни один из этих параметров не указан на табличке двигателя. Для создания успешной конфигурации инвертора требуются два параметра.
В заключение, выбранный номинал для трансформатора питания двигателя должен основываться на кВА трансформатора, а не на его кВт номинале. Для точного определения размера трансформатора необходимо провести три симуляции; номинал кВА трансформатора будет в два раза больше, чем у двигателя с самым высоким номиналом кВА, и в 1,25 раза больше, чем общий номинал кВА для всех нагрузок, подключенных к трансформатору. Следовательно, общий ток нагрузки двигателя не должен превышать 65% от общего тока нагрузки трансформатора(ов). При запуске двигателя не должно быть падения напряжения, превышающего 80-85 процентов от заблокированного ротора кВА двигателя, деленного на короткозамыкательный кВА трансформатора, используемого для запуска двигателя. При использовании нагрузок с регулируемыми частотами (VFD) следует использовать трансформатор с коэффициентом K, так как стандартные трансформаторы не могут справляться с гармоническими токами, генерируемыми системами шести импульсной выпрямления.
Почему трансформаторы оцениваются в kVA, а не в kW
Номинал измеряется в видимой мощности, так как трансформатор должен обрабатывать весь ток независимо от того, какая нагрузка подключена. Потери в основном возникают из-за тока (медные потери по расчету I²R) и напряжения (потери в сердечнике), что не имеет значения, является ли нагрузка резистивной или реактивной. В случае трансформатора на 100 kVA, питающего нагрузку с коэффициентом мощности 0,8, он обеспечивает 80 kW, в то время как тот же трансформатор, обеспечивающий нагрузку с коэффициентом мощности 0,95, обеспечивает 95 kW мощности. Ток одинаковый, но результат различен.
Вот почему нагрузка двигателя должна быть преобразована в kW перед сравнением с мощностью трансформатора. В трехфазном двигателе:
kVA = √3 × VL-L × I / 1000
Для однофазного исключите √3. В любом случае, расчет — это то, что должно быть правильным, прежде чем применяются любые эмпирические правила, и полный метод, включая предположение о коэффициенте мощности, проработан в этом руководстве по расчету kVA для трехфазной мощности.
Причина, по которой термин “размерен в соответствии с требованием kVA” более точен, чем кажется, заключается в том, что определение включает одно значение в работе, одно значение в условиях запуска и гармоническую составляющую, и трансформатор должен выдерживать все три значения одновременно.
Четыре числа, которые дает вам двигатель
Все, что идет дальше, исходит из четырех точек данных, и три из них находятся на табличке. То, что каждое из них означает в терминах номинала, имеет значение, потому что четыре числа двигателя не совпадают с теми четырьмя, по которым специфицируется трансформатор — разница объясняется в этом обзоре что на самом деле представляет собой номинал kVA на трансформаторе.
| Номер | Откуда он берется | Для чего он используется |
|---|---|---|
| Номинальная мощность (кВт или л.с.) | Табличка с данными | Контекст подбора — не нагрузка трансформатора |
| Ток полной нагрузки (FLA) | Табличка с данными или таблицы NEC 430.248 / 430.250 | Рабочий kVA и подбор проводника 125% |
| Коэффициент службы и эффективность | Табличка с данными | Реалистичный рабочий спрос |
| Буквенный код NEMA | Табличка с данными | kVA заблокированного ротора на л.с. — стартовая нагрузка |
Буквенный код NEMA — это тот, который люди пропускают, и именно он определяет размер. Он выражает kVA заблокированного ротора на л.с. и варьируется на фактор семь по алфавиту.
| Кодовая буква | kVA заблокированного ротора на л.с. | Кодовая буква | kVA заблокированного ротора на л.с. |
|---|---|---|---|
| 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 и выше | 12.6–22.4 |
Код NEMA G относится к моторам, которые соответствуют стандартам производителя NEMA B, так как большинство промышленных моторов также разрабатываются по этим стандартам. Код NEMA A указывает на мотор с низким пусковым током, в то время как коды N и выше классифицируют моторы, которые создадут большую нагрузку на трансформаторы, спроектированные на основе рабочих нагрузок.
Уравнение kVA заблокированного ротора = л.с. × kVA/л.с. на основе кода даст kVA в данном случае 30 kVA для мотора мощностью 5 л.с. с кодом G, в то время как рабочая нагрузка требует 6.4 kVA, фактор 5, что делает любые расчеты, основанные исключительно на рабочей нагрузке, неверными на этот фактор.
Метод запуска изменяет ответ больше, чем размер мотора
Один и тот же двигатель, выполненный четырьмя разными способами, представляет четыре различных случая нагрузки для трансформатора, и именно здесь спецификация может быть улучшена без вложения денег в трансформатор.
| Метод запуска | Ток, кратный FLA | Приблизительный стартовый kVA | Компромисс |
|---|---|---|---|
| Прямой пуск (DOL) | 6–8× | 5–7× рабочий kVA | Полный момент разрыва; наихудший для трансформатора |
| Звезда-дельта | 2–3× | 2–3× рабочий kVA | Снижает стартовый момент примерно до одной трети |
| Пускатель с мягким стартом | 1.5–4× | 2–3× рабочий kVA | Регулируемый разгон, меньше механических нагрузок |
| ВЧД | 1–1.5× | 1–1.5× рабочий kVA | Гармоники требуют трансформатор с рейтингом K |
Проще говоря, установка VFD на двигатель с прямым подключением может значительно снизить потребность в трансформаторах и привести к затратам, которые чаще всего ниже, чем у следующего по размеру доступного трансформатора. Вот почему метод запуска следует учитывать при расчете размеров, а не только при выборе панели управления.
Проблема возникает из-за того, что VFD-технологию рассматривают как способ уменьшения размера трансформатора. Хотя технология устраняет проблему пускового тока, она создает проблему гармоник. Стандартный трансформатор на 15 kVA будет перегреваться из-за 5-й и 7-й гармоник задолго до того, как трансформатор достигнет своей номинальной мощности. В этом случае следует использовать трансформатор с рейтингом K вместо более крупного.
Три правила расчета размеров и откуда они берутся
В области применяются три руководящих принципа, которые касаются уникальных проблем, в то время как хороший дизайн учитывает все три из них.
- Правило 2×. Оно гласит, что kVA трансформатора должно быть как минимум в 2 раза больше, чем рабочий kVA самого большого двигателя. Это базовое фактическое правило, которое учитывает всплеск заблокированного ротора при запуске с прямым подключением, одновременный запуск валов или вспомогательных устройств и импеданс трансформатора, вызывающий падение напряжения перед тем, как двигатель начнет вращаться.
- Правило 1.25×. Оно гласит, что kVA трансформатора должно быть как минимум 125% от общего подключенного kVA нагрузки. Это предотвращает перегрузку трансформатора, если все включено.
- Правило 65%. Оно гласит, что полный ток нагрузки двигателя не должен превышать примерно 65% от полного тока нагрузки трансформатора.
Поэтому возьмите большее значение из двух вышеуказанных и примените правило номер 3. Правило 2 применяется в случаях с одним крупным двигателем, в то время как правило 1 применяется, если имеется много малых двигателей.
| Двигатель | Рабочий kVA (приблизительно) | Правило 2× | Практический размер запаса |
|---|---|---|---|
| 7 кВт / 5 л.с. | ~5 кВА | 10 кВА | 10 или 15 kVA |
| 5 кВт / 7.5 л.с. | ~7 кВА | 14 кВА | 15 кВА |
| 5 кВт / 10 л.с. | ~10 кВА | 20 кВА | 20 или 25 kVA |
| 11 кВт / 15 л.с. | ~14 кВА | 28 кВА | 30 кВА |
| 15 кВт / 20 л.с. | ~19 кВА | 38 кВА | 45 кВА |
| 22 кВт / 30 л.с. | ~28 кВА | 56 кВА | 63 или 75 кВА |
Всегда выбирайте следующий стандартный размер после этого. Разница в цене между одним размером кВА и следующим мала по сравнению с затратами на переходы при смене инструмента, системами регенерации при ускорении/замедлении и будущими модернизациями моторов.
Пример: 5 л.с., однофазная, высокоинерционная нагрузка
Мотор мощностью пять лошадиных сил (5 л.с.), 230 вольт (В) однофазный, питающий поршневой компрессор. Из-за инерции компрессоров мотор остается в состоянии заблокированного ротора в течение нескольких секунд, прежде чем начать работать.
- Рабочий ток. Национальный электрический кодекс (NEC) Таблица 430.248 указывает рабочий ток в двадцать восемь ампер (28 А) для однофазного мотора 5 л.с., 230 В.
- Рабочий кВА. Формула: 230 вольт умножить на двадцать восемь (28 А) делить на 1000 дает кВА равное шести целым сорока четырем (6.44 кВА).
- Проверка на табличке. Код Национальной ассоциации производителей электротехники (NEMA) - G, что означает, что требуется от пяти целых семи до шести целых трех кВА на каждую лошадиную силу. Шесть (6) кВА должно быть выбрано как среднее.
- КВА заблокированного ротора. КВА равен пяти л.с. умножить на шесть кВА, что равно тридцати кВА.
- Испытание на трансформаторе мощностью семь целых пять (7.5) кВА. Импеданс составляет четыре целых пять процентов (4.5%), следовательно, короткозамыкательный кВА будет семь целых пять делить на ноль целых ноль сорок пять, что равно ста шестидесяти семи кВА. Падение напряжения равно тридцати делить на сто шестьдесят семь, что равно восемнадцати (18%).
- Испытание на трансформаторе мощностью пятнадцать (15) кВА. Короткозамыкательный кВА равен пятнадцати делить на ноль целых ноль сорок пять, что равно трехсот тридцати трем (333 кВА). Падение напряжения равно тридцати делить на триста тридцать три, что равно девяти (9%).
- Вопрос о правиле 65% является важным. Полный ток нагрузки трансформатора в случае трансформатора мощностью пятнадцать (15 кВА) составляет шестьдесят пять ампер (65 А). Полный ток нагрузки мотора составляет двадцать восемь ампер (28 А), что означает, что это сорок три процента (43%) от другого.
Результат рабочей нагрузки показал, что трансформатор мощностью семь целых пять (7.5 кВА) работает нормально, но для пусковой нагрузки требуется трансформатор мощностью пятнадцать (15 кВА). Разница между двумя является основной точкой споров.
Предупреждение относительно расчетов: падение напряжения можно рассчитать по формуле Vd = (входной кВА делить на короткозамыкательный кВА трансформатора умножить на 100). Трансформатор с единичным импедансом четыре целых пять (4.5) имеет короткозамыкательную мощность примерно в двадцать два раза больше, чем его мощность, что позволяет входному кВА в тридцать (30 кВА) работать вполне нормально, используя трансформатор мощностью пятнадцать кВА. Два трансформатора одинаковой мощности в кВА могут вызывать разные падения напряжения из-за различных коэффициентов импеданса.
Пример: 10 л.с., трехфазный, на VFD
Трехфазный мотор мощностью 10 л.с., 460 В и 14 А полного тока работает с VFD.
- Формула для расчета рабочего кВА: рабочий кВА = 1.732 × 460 × 14 ÷ 1,000 = 11.16 кВА.
- Когда двигатель запускается с использованием VFD, он ограничивает пусковой ток до 1-1.5 раз от полного рабочего тока, таким образом, пусковая kVA будет в диапазоне 11–17 kVA.
- Правило, что коэффициент безопасности 2× для переходных процессов все еще соблюдается, поэтому в этом случае используется 2× 11.16 = 22 kVA. Следовательно, фактическая kVA используемого трансформатора составит 25 kVA.
- Проблема гармоник проявится. 6-пульсный выпрямитель производит искаженный ток, который имеет сильные 5-ю и 7-ю гармоники. Таким образом, соответствующий трансформатор должен быть оценен как K.
- Необходимо убедиться в наличии нейтрального провода. Триплетные гармоники накапливаются в нейтрали и не компенсируют друг друга, поэтому соответствующий K рейтинг трансформатора должен составлять 200%.
Падение напряжения: Ограничение, которое на самом деле решает
Возможно, что трансформатор термически достаточен, но все равно не функционирует должным образом в приложении, поскольку ограничивающие критерии сводятся к тому, может ли двигатель выполнять свою работу или нет. Двигатель NEMA Design B может потреблять 5 до 7 раз полный рабочий ток при заблокированном роторе, но уменьшается, как только начинает вращаться. Если совокупное сопротивление питающей линии и трансформатора удерживает напряжение двигателя ниже 80% номинального значения, крутящий момент на срыве не будет достигнут, и двигатель остановится.
Использование более мягких вариантов может помочь решить проблему, учитывая, что размещение трансформатора рядом с двигателем уменьшит длину питающей линии и снизит общее сопротивление. При увеличении размеров трансформатора важно осознавать экономию затрат, которая из этого вытекает. Также метод запуска также является одним из недорогих решений, когда применяемый метод запуска — это мягкий пускатель (2 до 4 раз FLA) и VFD (1 до 1.5 раз FLA).
Допустимое число падения основано на оборудовании, находящемся ниже по линии. Двигатели могут испытывать падение около 15 до 20 процентов, что они могут выдержать. Что касается VFD, то он столкнется с гораздо более сложной ситуацией, когда падение напряжения составляет около 10 до 15 процентов. Поэтому, если VFD и двигатель используют один и тот же трансформатор, лучше соответствовать более строгим требованиям.
Проверка трансформатора, который у вас уже есть
Чаще всего проекты модернизации не начинаются с нуля. Задача обычно заключается в том, способен ли доступный трансформатор подключить еще один двигатель или нет.
- Сначала проверьте kVA на табличке и импеданс (не их предполагаемые значения).
- Затем накопите рабочую kVA всей нагрузки на вторичной стороне, включая новый двигатель.
- Затем рассчитайте kVA заблокированного ротора самого большого двигателя в соответствии с его кодом запуска.
- Продолжите расчет падения напряжения в соответствии с короткозамыкательной kVA трансформатора.
- Затем проверьте, соблюдается ли правило тока 65% для общей нагрузки.
- Наконец, проверьте термический запас при ожидаемом рабочем цикле, а не в одной точке.
Когда и если ответ находится на грани, вы можете решить предпринять один из трех возможных шагов — изменить метод запуска, установить отдельный трансформатор для нового двигателя или согласиться работать при сниженной нагрузке. То, что вы не можете сделать, это предполагать, что текущий трансформатор имеет запас мощности только потому, что он еще не вышел из строя — виды деградации изоляции незаметны, но результат обычно проявляется в следующий жаркий сезон. Формальная версия этой оценки изложена в этом методе для определения того, соответствует ли трансформатор требованиям по мощности.
Тепловой запас и правило 80%
Трансформаторы обычно работают на уровне около 80% от своей номинальной мощности для непрерывной работы, что позволяет учитывать изменения в окружающих условиях, потери гармоник и случайные перегрузки. Это суть “правила 80%” проектирования трансформаторов.
Это правило более актуально при работе с двигателями, чем с непрерывными нагрузками, как в случае с двигателями. Работа моторных нагрузок состоит из циклов. Например, станок работает со средней нагрузкой 60%, в то время как во время тяжелой резки возникают пики в 150%; компрессор работает на 100% до заполнения резервуара, а затем работает вхолостую. Таким образом, все вышеперечисленные сценарии нельзя описать одним математическим параметром. Именно поэтому циклический режим обычно определяет лучшую теплотехническую характеристику, чем номинальная мощность в кВА — это сопровождается меньшим повышением температуры, улучшенным охлаждением и проектированием обмотки двигателя, адаптированным для циклической работы. Откуда берется этот запас и как он формируется, рассматривается в этой заметке о повышении перегрузочной способности и стабильности трансформатора.
Запас мощности за счет снижения импеданса также имеет свои ограничения. Снижение импеданса уменьшает падение напряжения, но, с другой стороны, увеличивает ток короткого замыкания на вторичной стороне, тем самым увеличивая номинал каждого устройства в последующих цепях. Баланс достигается, как правило, где-то около 4–6% в случае трансформаторов распределения сухого типа.
Что включить в спецификацию
Трансформатор для питания двигателя, который может справляться с реальными ситуациями, должен состоять из следующего:
- Номинальная мощность в кВА, рассчитанная с использованием трех правил и округленная до ближайшего доступного номинала напряжения.
- Первичное и вторичное напряжение и диапазон отводов, необходимых.
- Импеданс, явно указанный — 4% или 6% значительно изменяет расчет падения напряжения.
- Векторная группа и заземление, соответствующие приводу и системе заземления.
- K-фактор в случае использования любого VFD — K-4 как минимум и K-13 для нагрузок, доминирующих на приводе.
- Спецификация класса изоляции и повышения температуры, выполненная с изоляцией класса H и повышением класса F или B в случае циклической работы двигателя.
- Номинал нейтрали должен быть установлен на 200% для K-номинированных единиц.
- Заявление о нагрузке и перегрузке, сделанное для всего остального, кроме таблички с данными.
Здесь часто опускаются два пункта. Первый пункт — это импеданс, который оставляется на усмотрение поставщика, что приводит к важному изменению в процессе запуска. Второй пункт — это K-фактор, который был упущен из-за того, что привод был указан другим человеком отдельно от трансформатора через шесть месяцев.
Для привода среднего напряжения на 6-10 кВ обычно используется трансформатор сухого типа из литого смолы, так как он находится в помещении завода и не переносит масло в здание. Номиналы, конструкция обмотки и варианты корпуса для этого класса устройств изложены в этом диапазоне распределительных трансформаторов сухого типа из литого смолы для обслуживания 6–10 кВ.
Часто задаваемые вопросы
Каковы стандартные размеры кВА для трансформаторов?
В использовании находятся две формы лестницы. Метод IEC следует методу R10, который составляет примерно 25% для каждого увеличения, что является приемлемыми значениями 100, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1,000, 1,250, 1,600, 2,000 и 2,500 кВА. Североамериканский метод следует 15, 30, 45, 75, 112.5, 150, 225, 300, 500, 750, 1,000, 1,500, 2,000 и 2,500 кВА. На обеих лестницах есть низковольтные устройства от 10 до 50 кВА, что делает невозможным контролировать возможный диапазон на разных рынках с одинаковыми требованиями: например, уровень 45 кВА может быть указан в одном регионе, в то время как в другом – на 50 кВА.
Почему трансформаторы размеряются в кВА?
Поскольку ток не знает нагрузки, трансдьюсер сразу же подвергается воздействию из-за мгновенного тока с течением времени и напряжением; это также означает. В главном вопросе всех рейтингов, все kVA является статутной видимой мощностью оборудования без перегрева. При сравнении любых рейтингов моторов и трансдьюсеров, это также идеальная причина, почему рейтинг кВт мотора должен быть преобразован в kVA.
Какой рейтинг kVA требуется для трансформатора?
Выберите одно из двух значений, которое больше: в два раза максимальное kVA любого используемого мотора или 1,25 раза от общего нагрузки kVA. После этого убедитесь, что ток полной нагрузки мотора составляет примерно 65% или меньше, чем ток полной нагрузки трансформатора, и проверьте, что падение напряжения во время процесса запуска не опускается ниже 80-85% от его номинального значения. Для VFD введите требование для K-фактора. Затем округлите значение до ближайшего стандартного размера.
Каково правило 80% для трансформаторов?
Стандартная практика заключается в том, что при непрерывной работе трансформатора его не следует нагружать более чем на 80% от его рейтинга kVA; менее 80% от номинального kVA позволит обеспечить достаточный запас для экстремальных температур окружающей среды (при этом стандартная температура считается 30 °C), гармонических потерь, вызванных нелинейными нагрузками, и кратковременной перегрузки. В этом случае это относится к совету, а не к коду, поскольку реальный предел — это температура обмотки трансформатора, что означает, что класс изоляции и повышение температуры так же важны, как и значение kVA.
Ссылки
- NFPA — NFPA 70 Национальный электрический кодекс, статья 430 моторные цепи и таблицы 430.248 / 430.250
- NEMA — кодовые буквы на табличке мотора и kVA заблокированного ротора на классификацию лошадиных сил
- Eaton — руководство по выбору размеров трансформаторов, выбору K-фактора и применению гармонических потерь
- Schneider Electric — данные спецификации трансформаторов сухого типа и руководство по размеру нагрузки мотора
- Electrical Engineering Portal — определение размеров трансформаторов и расчет падения напряжения для запуска больших моторов
- UL Solutions — UL 1561 трансформаторы сухого типа и признанные рейтинги K-фактора
- Международная электротехническая комиссия — серия IEC 60076 для силовых трансформаторов и IEC 60034 для вращающихся машин
- Министерство энергетики США — руководство по системам моторов и эффективности трансформаторов
Заключение
Трансформаторы выбираются на основе их способности к kVA, и при выборе правильного трансформатора учитываются не только размер kVA электрического двигателя, но и тип его применения (как он будет запущен) и характеристики работы. Новый преобразованный рейтинг kVA должен отражать общую kVA стоимость двигателя, включая все источники электрической энергии (например, коррекция коэффициента мощности/реактивная мощность) и kVA заблокированного ротора (или ‘наихудшее’ рабочее состояние). При сравнении с обычными асинхронными двигателями, которые обычно используют метод двухточечной замены (для рейтинга kVA и заблокированных ротором), существует также другой тип kVA, гармонический ток, основанный на ‘K-факторе’ VFD. При расчете емкости kVA также необходимо учитывать падение напряжения, так как это может произойти (несмотря на то, что трансформатор термически способен), что может привести к недостаточному выходному напряжению для запуска двигателя. Это относится к электрическим двигателям мощностью от 5HP до 500HP и более.