В типичном сценарии техник HVAC связывается с экспертами, чтобы сообщить о новом кровельном блоке с номинальным напряжением 230 вольт, но он получает постоянное напряжение всего 208 вольт, что вызывает частые отключения компрессора из-за падения напряжения. Решение оказывается довольно простым, занимает 20 минут и стоит около $200; существует простое устройство, маленькая коробка, прикрепленная рядом с отключателем, которая повышает напряжение до 230 вольт, известное как трансформатор понижения-повышения. Трансформаторы понижения-повышения не очень хорошо понимаются и довольно запутаны, так как имеют компактный вид, похожий на трансформатор, но не работают так же.
Этот пост служит практическим руководством для понимания возможных проблем, решаемых трансформаторами понижения-повышения, работы автотрансформатора, способности трансформатора 1kVA выдерживать нагрузку 9.5kVA, принципов работы трансформаторов понижения-повышения в однофазных и трехфазных системах, их конструкции на основе различий между изоляционными трансформаторами, распределительными трансформаторами и другими актуальными проблемами, с которыми сталкиваются пользователи, включая потенциальный скачок напряжения из-за открытого нейтрала в существующих четырехпроводных системах.
В заключение, трансформатор понижения-повышения — это тип автотрансформатора, который используется для небольших изменений напряжения (от 5 процентов до 20 процентов, например, с 208 В до 230 В или с 240 В до 208 В), который обычно используется для электрического оборудования, такого как двигатели, оборудование HVAC или импортные приборы. В большинстве случаев только изменение напряжения передается на обмотки трансформатора; это связано с тем, что номинальная мощность трансформатора рассчитывается на основе разницы между выходным напряжением и обычным вторичным напряжением, что означает, что трансформатор kVA, работающий на 208 вольтах и повышающий до 230 вольт, может работать с нагрузкой около 9.58 kVA. Трансформатор понижения-повышения работает очень эффективно (97-99 процентов) и предполагается, что его срок службы составляет 20-30 лет, в то время как он не имеет изоляции, а также имеет низкий диапазон стабилизации напряжения.
Что на самом деле делает трансформатор Buck и Boost
Два задания и одно название определяют устройство, потому что это один и тот же блок с двумя различными схемами подключения проводов.
- Термин boost относится к обеспечению напряжения. Вторичные обмотки подключены в фазе к первичной, чтобы получить выходное напряжение как входное и напряжение на обмотке. Например, 208-вольтовое питание изменяется на 232 вольта, когда во вторичной катушке есть 24 вольта.
- Buck относится к избавлению от напряжения. Вторичные катушки подключены в обратном порядке, и выходное напряжение определяется как входное напряжение минус напряжение на обмотке. Подключив 240 вольт к оборудованию, выходное напряжение составит 208 вольт, когда в обмотке будет 32 вольта и так далее.
Это вся концепция. Она работает на принципе обрезки напряжения. В соответствии с этим принципом работы не происходит создания энергии, также нет изменений в частоте или фазе. Основное преимущество устройства заключается в том, что распределение напряжения в Северной Америке далеко от стандартизированного, когда люди думают по-разному. В Северной Америке номинальные значения напряжения, такие как 208 В, 240 В, 480 В или 600 В, относятся к диапазону напряжений, основанному на положении отводов трансформатора, длине линий электропередачи и условиях нагрузки. Например, здание, расположенное на большем расстоянии от электростанции, может иметь напряжение 197 В при высокой нагрузке и 213 В при легкой нагрузке.
Если вы хотите ознакомиться с терминологией, связанной с этими рейтингами — коэффициент трансформации, импеданс, повышение температуры, отводы — спецификациям трансформаторов объяснено это стоит прочитать перед тем, как что-либо специфицировать, потому что buck-boost специфицируется иначе, чем любой другой трансформатор в каталоге.
Почему 1 kVA Buck-Boost может нести 9.5 kVA
Это раздел, который больше всего сбивает с толку покупателей и также объясняет, почему buck-boost трансформаторы могут показаться довольно маленькими для выполняемой работы.
В изолирующих трансформаторах вся мощность нагрузки преобразуется с помощью сердечника магнитным образом. Это означает, что нагрузка 10 кВА требует трансформатор 10 кВА. Однако в автотрансформаторе загрузка первичных и вторичных обмоток происходит с одной обмоткой для обеих. Стоит отметить, что только разница напряжения подвергается преобразованию, поскольку максимальная электрическая мощность передается от входа к выходу без какого-либо преобразования. Практическая формула здесь будет:
Нагрузка кВА = Трансформатор кВА × (Выходное напряжение ÷ Номинальное вторичное напряжение)
Простой пример — это случай питания 208 В с 1-кВА buck-boost с 12/24 В вторичной обмоткой, подключенной для 24 В.
Логика выглядит следующим образом:
230 ÷ 24 = 9.58, что означает, что 1-кВА трансформатор работает на нагрузку 9.58 кВА. Стоит отметить, как 27-фунтовая коробка работает под нагрузкой, которая в других случаях потребовала бы 10-кВА изолирующий трансформатор.
Тот же принцип также применим при обрезке. Если вы используете то же устройство, но снижаете 240 В до 208 В, это даст вам 208 ÷ 24 = 8.67, что обеспечивает 8.67 кВА нагрузки от устройства 1 кВА.
| Применение | Вход → Выход | Используемая обмотка | Множитель | Нагрузка от 1 кВА устройства |
|---|---|---|---|---|
| Повышение HVAC / мотора | 208 В → 230 В | 24 В | 9.58× | 58 кВА |
| Повышение до 240 В | 208 В → 240 В | 32 В | 7.50× | 50 кВА |
| Понижение до 208 В | 240 В → 208 В | 32 В | 6.50× | 50 кВА |
| Понижение до 208 В | 240 В → 216 В | 24 В | 9.00× | 00 кВА |
| Понижение импортного оборудования | 480 В → 380 В | 100 В | 3.80× | 80 кВА |
| Понижение питания мотора | 480 В → 460 В | 20 В | 23.0× | 00 кВА |
Последняя строка — это причина, по которой трансформаторы понижения-повышения можно найти почти во всех старых промышленных предприятиях. Падение с 480 В до 460 В для соответствия номинальному напряжению двигателя составляет снижение на 4%, что приводит к огромному множителю и очень маленькому блоку.
Правильный размер означает движение в противоположном направлении от того, как обычно подбирают трансформаторы. Необходимая нагрузка kVA основана на фактической подключенной нагрузке, так как ошибка в этом может умножить эту ошибку. Непрерывный и непостоянный режим работы и пусковой ток двигателя затем определяют, работает ли устройство в холодном или горячем режиме.
Однофазные и трехфазные системы ведут себя по-разному.
Для обеспечения трехфазного питания трансформаторы понижения-повышения соединяются вместе, при этом правильные способы подключения сильно зависят от конфигурации трансформатора.
Дельта-трехфазная, трехпроводная цепь состоит из двух однофазных устройств, соединенных для получения открытой дельтовой конфигурации. Эта схема позволяет типичное использование двух единиц, извлекая третью фазу, что приемлемо в случае использования сбалансированной нагрузки. Однако несбалансированные нагрузки могут привести к сбоям в третьей фазе, поэтому убедитесь в правильной оценке нагрузки перед тем, как продолжить с этой схемой.
Звездообразная трехфазная, четырехпроводная цепь не дает никаких электрических преимуществ при использовании двух однофазных трансформаторов в работе. На самом деле, открытая дельтовая схема не будет работать в четырехпроводной системе, которая включает в себя большинство нагрузок 120 В, подаваемых от панели 208Y/120 В. В системе 208Y/120 В, когда все три фазы повышаются на 24 В и преобразуются в 232Y/134 В, обеспечивается неприемлемое напряжение, подаваемое на нагрузку, т.е. 134 В на устройство, что не соответствует стандартам отклонений 10% от допусков, установленных большинством компаний при работе с трансформатором buck-boost.
Оценка нагрузок моторов с учетом трансформатора buck-boost требует проверки вращения фаз в зависимости от типа оборудования и пускового тока на основе типа пускового тока, который используется. Автотрансформатор позволяет избежать огромного количества повреждений при запуске за счет пропорционального прохождения пускового тока. В результате недоразмеривание трансформатора может быть оправдано в случае работы генератора.
Трехфазная работа в целом — это область, где обычно выигрывает специально разработанное устройство. Subian производит трехфазные трансформаторы именно для тех случаев, когда открытая дельта из двух небольших единиц buck-boost перестает быть разумным решением — когда нагрузка несбалансирована, когда коррекция превышает 20%, или когда вам нужен нейтрал, который правильно отслеживает.
Как трансформаторы buck-boost отличаются от других трансформаторов
| Свойство | Buck-boost / автотрансформатор | Изоляционный трансформатор | Распределительный трансформатор |
|---|---|---|---|
| Соотношение обмоток | Общая (автотрансформатор) | Отдельные первичные и вторичные | Отдельные первичные и вторичные |
| Типичное изменение напряжения | 5–20% | Любое соотношение | Любое соотношение, фиксированное |
| kVA для данной нагрузки | Небольшая доля нагрузки kVA | Равно нагрузке kVA | Равно нагрузке kVA |
| Гальваническая изоляция | Ничего | Да | Да |
| Обработка нейтрали | Не создает новую нейтраль | Может создать отдельно выведенную систему | Может создать отдельно выведенную систему |
| Аттенюация гармоник | Ничего | Некоторые | Некоторые |
| Типичный диапазон размеров | 05–10 kVA однофазный | 5 kVA до нескольких сотен kVA | 15 kVA до 10 MVA+ |
| Типичная стоимость | $80–$2,500 | $400–$15,000 | $2,000–$200,000 |
То, что делает разницу в функциональности, — это нейтраль. Трансформатор buck-boost не поставляет новую нейтраль и не предоставляет отдельно выведенную систему. Этот трансформатор только изменяет напряжение существующей системы. Тем временем, распределительный трансформатор создает совершенно новую систему, которая также имеет свою собственную точку заземления и соединения. Если вам нужно преобразовать систему 480 В дельта в систему 208Y/120 В с правильной нейтралью, вам нужен распределительный трансформатор — физика того, как строятся распределительные трансформаторы и где они находятся в сети является совершенно другим проектным заданием.
Давайте скажем это просто: изоляция жизненно важна, когда она необходима. Бак-буст трансформатор не предотвращает попадание первичных помех на нагрузку и не снижает ток короткого замыкания или не помогает прервать контур заземления. Если ваша покупка вызвана любыми проблемами, связанными с шумом, скачками напряжения или контурами заземления, а не несовпадением напряжения, вы находитесь не в том месте.
Недостатки, о которых вы должны знать перед покупкой
Бак-буст трансформаторы выполняют одну конкретную задачу хорошо. Проблемы возникают, когда эти устройства используются для чего-то другого, кроме этой конкретной задачи.
- Без изоляции удержание неисправностей невозможно. Поскольку обмотки общие, короткое замыкание с любой стороны может подать первичное напряжение на нагрузку. Это объясняет, почему автотрансформаторы не используются в определенных ситуациях и почему бак-буст трансформаторы не подходят для питания персонала и чувствительного оборудования, если не применяется дополнительный уровень защиты.
- Проблемы, связанные с открытым нейтралем в четырехпроводных системах. Это серьезная проблема. Когда бак-буст трансформаторы используются в трехфазной четырехпроводной системе и нейтраль ослабляется на входной стороне, напряжение перераспределяется, и вторичное напряжение поднимается выше нормы. Оборудование, рассчитанное на 230 В, может быть уничтожено при 300 В таким образом. Если бак-буст трансформаторы подключены к системе звезда, нейтраль станет важной проблемой безопасности, а не незначительной деталью.
- Требования NEC к ответвлениям и питающим линиям. NEC 450.4 требует, чтобы трансформаторы имели защиту от перегрузки, и это относится к автотрансформаторам. Статьи 210.9 и 215.11 содержат уникальные требования к использованию автотрансформаторов в питающих ответвлениях и линиях. Практическое следствие заключается в том, что установка бак-буст требует разработки схемы защиты, а не импровизации — той же дисциплины, которая предотвращает преждевременные отказы трансформаторов. это применимо здесь, и оборудование для коррекции напряжения более чувствительно к этому, чем большинство, потому что окно неисправности маленькое, а последствия немедленные.
- Следует помнить, что за пределами диапазона коррекции 20% множитель kVA падает, и экономика переворачивается. Это означает, что если вы хотите повысить 208 вольт до 277 вольт (коррекция 33%), вы получите множитель 4.6, что означает, что небольшая нагрузка потребует удивительно большого оборудования, в то время как использование изоляционного трансформатора становится более безопасным и дешевым вариантом.
- Невозможность преобразования частоты. Существует значительная разница: машина, работающая на 50 Гц и питаемая от 60 Гц из Северной Америки, требует преобразователь частоты, а не трансформатор. Другими словами, клиенты покупают устройства buck-boost для решения проблем с импортными машинами, только чтобы выяснить, что трансформатор может быть эффективен только в половине случаев.
- Тепло и снижение мощности. Эти устройства обычно построены для работы в условиях класса H (180°C) с максимальным повышением температуры 115°C. Если вы поместите устройство в потолочный плевен без вентиляции, вы сократите его срок службы.
- Доступность устройств. Устройства доступны с начальной мощностью примерно 0.05 kVA до 10 kVA для однофазных приложений. Если появятся отклонения от стандартных размеров, время ожидания превысит нормальные пределы.
Где на самом деле устанавливаются трансформаторы Buck и Boost
Список приложений краток и очень точен. Если вы не найдете проблему, которую хотите решить, в нем, вам следует искать другие источники.
| Применение | Почему buck-boost подходит | Типичный размер |
|---|---|---|
| Кровельные системы HVAC на 208 V | Название устройства 230 V, питание 208 V | 1–3 кВА |
| Совпадение таблички с данными мотора | Питание 480 V, табличка 460 V | 5–5 kVA |
| Европейское оборудование на питании 600 V или 480 V | Импортное оборудование 380–400 V | 3–10 кВА |
| Регулировка напряжения освещения и управления | Длинный ввод с хронически низким напряжением | 5–2 kVA |
| Небольшие трехфазные нагрузки, требующие 480 V | Повышение 240 V до 480 V | Два устройства, открытая дельта |
| Совпадение выходного напряжения солнечного инвертора | Регулировка выходного напряжения инвертора до точки соединения | Специфично для проекта |
Следует отметить пропуски в списке: любой случай использования нового нейтрали, изоляции текущей системы, любое отклонение, требующее более одного процента коррекции, и, наконец, случаи с несбалансированной трехфазной нагрузкой.
Сколько стоят трансформаторы Buck-Boost
Указанные ниже ставки являются обычными торговыми ставками для однофазных устройств в США и ЕС, открытых или закрытых, и зависят от изменений в ценах на медь и сталь и ожидаются изменения в зависимости от времени покупки.
| Рейтинг | Типичная цена | Общее использование |
|---|---|---|
| 05–0.25 kVA | $60–$120 | Управление, небольшие цепи освещения |
| 5 kVA | $90–$180 | Регулировка одного мотора |
| 1 кВА | $150–$280 | До ~9.5 kVA нагрузки при повышении 208→230 V |
| 2 кВА | $250–$450 | Небольшие системы HVAC, насосы |
| 3 кВА | $350–$600 | Кровельные устройства, небольшие машины |
| 5 кВА | $500–$900 | Более крупные системы HVAC, импортное оборудование |
| 5–10 kVA | $900–$2,500 | Тяжелые однофазные нагрузки |
Если сравнить два устройства, разница в соответствующих расходах становится очевидной: изоляционный трансформатор на 9,58 кВА или распределительный трансформатор стоит несколько тысяч долларов и весит более ста фунтов, в то время как трансформатор buck-boost на 1 кВА, выполняющий ту же работу, стоит менее $300 и может быть перемещен одним человеком. Для более широкого охвата классов трансформаторов, сколько стоит электрический трансформатор разбивает его по типу и номиналу, и картина остается неизменной: чем больше изоляции и чем больше коррекция, тем круче кривая.
Часто задаваемые вопросы
Каковы недостатки преобразователя buck-boost?
Существует четыре реальных недостатка. Прежде всего, нет изоляции между первичной и вторичной обмотками, что подвергает нагрузку первичному напряжению в случае короткого замыкания. Во-вторых, диапазон коррекции ограничен — он составляет около 5%-20%, и эффективность падает за его пределами. В-третьих, и это самое критическое, в трехфазной четырехпроводной системе открытая нейтраль первичной обмотки приводит к повышению напряжения на вторичной обмотке, что может повредить подключенное к ней оборудование. Поэтому соединение нейтрали необходимо рассматривать как важное! Наконец, buck-boost не может изменить частоту и создать новую нейтраль или отдельно выведенную систему. Другими словами, он не может преобразовать 50 Гц в 60 Гц или генерировать 120 В из 480 В дельта питания. Если вы имели в виду DC-DC преобразователь buck-boost, как те, что используются в силовой электронике, ситуация совершенно иная, так как теперь мы имеем дело с потерями на переключении и ЭМИ вместо проблем с трансформаторами.
Когда использовать трансформатор buck-boost?
Его следует применять в случае всех трех следующих ситуаций: несоответствие напряжения незначительное (менее 20%), сама нагрузка не требует изоляции от источника питания, и необходимая коррекция не включает создание новой системы. Учебный пример — нагрузка номиналом 230 В, работающая от источника питания 208 В, или двигатели номиналом 460 В, работающие в системе 480 В. Другим применением может быть исправление хронического случая низкого напряжения из-за длинного питающего кабеля, но не делайте этого, если необходимо создать новую нейтраль, где требуется изоляция, когда необходима конверсия частоты или когда нагрузка является чувствительной электронной системой, имеющей свои собственные проблемы с кондиционированием.
В чем разница между трансформаторами buck и boost?
Разница в проводке не связана с различием в продукте. Трансформатор называется “повышающим”, когда вторичная обмотка подключена синхронно с первичной, создавая сумму напряжений, и “понижающим”, когда вторичная обмотка подключена таким образом, чтобы компенсировать напряжение. Трансформатор с первичным напряжением 120 × 240 В и вторичным 12/24 В будет повышающим от 208 В до 232 В в случае одного порядка установки, но станет понижающим от 240 В до 216 В в противоположном случае. Производители дают одно и то же обозначение в одном каталоге для обоих вариантов, поэтому ответственность за тип использования лежит на установщике, так как он его определяет. Даже возможно повторное использование той же машины в будущем, так как она не изменится вовсе.
Что такое повышающий-понижающий трансформатор для 120 до 240 вольт?
Не существует такого понятия, как повышающий-понижающий трансформатор, который преобразует 120 вольт в 240 вольт. Если кто-то говорит вам иначе, этот человек пытается что-то вам продать. Повышающий-понижающий трансформатор дает вам только изменение регулировки на 5% до 20%, в то время как преобразование 120 вольт в 240 вольт — это 100% дельта, требующая изолирующего трансформатора 2:1, автотрансформатора с приближением 1:1 сверху или специализированного повышающего трансформатора. Когда люди ищут это, они либо хотят трансформатор, который работает с первичным напряжением 120 В и вторичным напряжением 12 В или 24 В, который используется для небольших коррекций, либо им нужно использовать устройство на 240 В с только 120 вольтами питающего напряжения и необходимо выполнить повышение напряжения. Чтобы решить последнюю проблему, убедитесь, что вы выбрали трансформатор с фактическим соотношением 1:2 и проверьте заземление и нейтральные соединения нагрузки, которая питается.
Ссылки
- NFPA 70 — Национальный электрический кодекс, статья 450 (Трансформаторы и трансформаторные ямы), 210.9 и 215.11
- UL Solutions — UL 506 Стандарт для специализированных трансформаторов
- NEMA — Стандарты для трансформаторов, регуляторов и реакторов
- IEEE — Стандарты серии C57 для трансформаторов и регуляторов
- Министерство энергетики США — Руководство по допустимому напряжению и эффективности моторов
- Acme Electric — Данные по применению и выбору повышающих-понижающих трансформаторов
- Eaton — Техническая документация по трансформаторам и коррекции напряжения
Заключение
Повышающий-понижающий трансформатор обозначает оборудование, занимающееся коррекцией напряжения, а не является трансформатором в полном понимании этого термина. Он решает проблемы с напряжением, корректируя его на 5%-20% с помощью оборудования, стоимость которого значительно ниже и меньше, чем у изолирующего трансформатора. Рейтинг кВт этого трансформатора соответствует 9.58kVA для трансформатора с рейтингом 1kVA, несмотря на то, что повышающий-понижающий трансформатор производится в соответствии с теми же стандартами, которые используются для доказательства того, что постоянное увеличение напряжения на 33% не имеет смысла.
Говоря о преимуществах использования трансформатора buck-boost, следует добавить, что существует три основные группы вопросов, которые необходимо учитывать. Прежде всего, необходимо убедиться, что выбран правильный размер устройства конечного пользователя, и соответствующий фактор проверен, так как даже незначительные ошибки, связанные с нагрузкой, могут привести к нескольким серьезным проблемам. Во-вторых, при работе на 3-фазном подключении необходимо правильно обращаться с нейтральной точкой начальной цепи, чтобы подключение было безопасным для оборудования. И, наконец, при выборе честность должна стать основным фактором.