Если вы войдете в производственное предприятие сегодня, вы будете удивлены количеством рабочих мест, которые используют трансформаторы. Линия входящего напряжения 20 кВ идет прямо в трансформатор мощностью 2,000 кВА; в контрольной комнате находится трансформатор мощностью 500 кВА, который обеспечивает электроэнергией устройства управления и релейной защиты; на производственном этаже расположены так называемые изоляционные трансформаторы, установленные между приводами и весовым оборудованием; на первом этаже вы можете увидеть трансформатор мощностью 160 кВА, который обеспечивает правильную работу систем управления пожарной безопасностью и зданием; а в лаборатории трехфазный изоляционный трансформатор отвечает за правильную работу всего испытательного оборудования. Таким образом, в одном предприятии одновременно используется множество трансформаторов, хотя большинство людей в обслуживании рассматривают их как “одну вещь”.
Технология промышленной автоматизации включает использование нескольких форм трансформаторов параллельно - в первую очередь типов трансформаторов, которые обеспечивают электроснабжение, распределительных трансформаторов, а также трансформаторов, используемых для изоляции процессов привода и тепловой обработки, трансформаторов безопасности, которые обычно применяются в освещении и т.д. В ценовом плане мы можем начать с 1,200 за небольшой контрольный трансформатор, видим, что его стоимость может достигать 80 тыс. за входной блок 10–60 МВА. Каждый продукт требует определенных соображений относительно характеристик, таких как заземление, гармоническое значение, а также защитные меры, поэтому тщательный выбор правильного продукта для каждого конкретного случая делает одно из лучших экономически эффективных инженерных решений возможным.
Определение ролей трансформаторов в автоматизированном заводе
Полезно нарисовать схему электроснабжения обычного автоматизированного завода перед тем, как двигаться дальше. Компоновка структуры простирается от входа коммунальных услуг до самой маленькой нагрузки процесса.
| Электрический уровень | Типичный трансформатор | Рейтинг | Основная роль |
|---|---|---|---|
| Вход / подключение к сети | Главный силовой трансформатор (масляный или сухой) | 1–60 МВА | Понижение напряжения с 20–110 кВ до распределительного напряжения завода |
| Распределение внутри завода | Распределительный трансформатор | 500–2500 кВА | Питает распределительные щиты и MCC на 0.4–0.69 кВ |
| Питание приводов и машин | Изоляционный / приводной трансформатор | 50–2,000 кВА | Питает VFD, преобразователи и центры управления двигателями |
| Измерение и управление | Контрольный трансформатор, экранированная обмотка | 10–160 кВА | Чистое, изолированное питание для ПЛК, приборов и панелей |
| Вспомогательные услуги | Трансформатор безопасности / освещения | 10–100 кВА | Освещение, HVAC, системы пожарной безопасности на защищенном питании |
| Специальные процессы | Выпрямитель, печь или трансформатор с фазовым сдвигом | 500 кВА–50 МВА | Электролиз, нагрев и нагрузки преобразователя |
Почему важно определение? Это связано с влиянием каждого уровня на сбои. Поломка главного входного блока останавливает работу завода; сбой контрольного трансформатора может не вызвать очевидного эффекта, но тем не менее привести к ошибочным показаниям процесса или отключению ключевого шкафа ПЛК; в то время как сбой изоляционного трансформатора позволяет шуму загрязнять взвешивание, что может привести к отклонению ежедневного выпуска.
Главные входные трансформаторы
Первичный трансформатор соединяет предприятие с электросетью, обычно производя регулировку уровней напряжения с 20–110 кВ до 6-11 кВ или 0.4–0.69 кВ. Основные характеристики, определяющие проектирование автоматизированных заводов, включают следующее:
- Импеданс: 6-10% — это среднее значение для входных трансформаторов, которые должны ограничивать уровень короткого замыкания и соответствовать спецификациям устройств, находящихся ниже по цепи.
- OLTC: Переключатель отводов под нагрузкой обязателен для установок мощностью выше 10 МВА; при меньшей мощности его также рекомендуется использовать.
- Мониторинг: Существует также растущий спрос на мониторинг DGA и уровней температуры из-за важности устройства.
Что касается конкретных затрат на трансформаторы, модель 5 МВА, 35/10 кВ будет стоить от $60,000 до $120,000; стоимость модели 20 МВА, 110/10 кВ будет варьироваться от $180,000 до $400,000. При запуске такого трансформатора необходимо сначала провести испытания на месте в соответствии со стандартом IEEE C57.12.90.
Управляющие и вспомогательные трансформаторы
Трансформаторы на контроле и подстанции являются невидимой силой, стоящей за автоматизацией в отрасли. Они обеспечивают питание для PLC-стойков, шкафов DCS, установки приборов и соленоидных клапанов, а также для работы электрических сетей. Их основные требования — это простота и непрерывность конструкции управляющего устройства.
- Экранированная или экранированная обмотка: минимизирует связывание общего режима шума с управляющей электроникой;
- Регулирование: обычно проектируется для 3 – 5% регулирования напряжения при нагрузке 100%, чтобы источники питания PLC имели надежное напряжение на входе;
- Корпус: IP54 – IP65, часто устанавливается на стенах или занимает отдельные отсеки.
Управляющие трансформаторы соответствуют стандарту IEC 61558 для безопасности силовых трансформаторов, оборудования питания и реакторов, вместо того чтобы проводить обширные испытания на основе стандарта IEC 60076. Эти устройства производятся в диапазоне 10-160 кВА и предлагают более низкую цену $1200 за трансформатор мощностью 15 кВА до $8000 – $12000 за трансформатор панельного типа с мощностью 160 кВА.
Изоляционные трансформаторы для приводов и приборов
Изоляционные трансформаторы используются в двух уникальных функциях, которые часто могут быть перепутаны. Первая — это изоляция привода, то есть трансформатор устанавливается между источником питания и преобразователем частоты (VFD) или инвертором. Вторая — это изоляция инструментов, что означает, что трансформатор защищает измерительные цепи от контуров заземления и шумовых помех.
| Тип | Применение | Ключевое требование | Типичное номинование |
|---|---|---|---|
| Трансформатор изоляции привода | Между источником питания и входом VFD | Обрабатывает гармоники, высокие пусковые токи, переключение без нагрузки | 100–2,000 кВА |
| Изоляционный трансформатор для инструментов | Питает PLC, весовые, аналитические цепи | Экранированная обмотка, низкая емкость, жесткое регулирование | 1–50 кВА |
| Трансформатор с рейтингом K-фактора | Нагрузки с высоким приводом | Рейтинг K-4 до K-20 для гармонического тока | 150–1,500 кВА |
Одна из распространенных проблем в области инструментирования заключается в том, что трансформаторы изоляции с рейтингом менее 5 kVA имеют спецификации, аналогичные спецификациям моторных трансформаторов, что подвергает деликатные цепи воздействию общего режима помех. Решение проблемы заключается в запросе экранированной обмотки с емкостью менее 0,001 µF между первичной и вторичной обмотками, решение, которое увеличивает цену устройства на 10–20%, но устраняет большинство проблем, связанных с приборами, подверженными помехам от контуров заземления.
Специальные трансформаторы в процессных линиях
Определенные автоматизационные приложения требуют трансформационных устройств, выходящих за рамки обычного распределения. Наиболее типичными в современных предприятиях являются:
- Прямоточные трансформаторы для гальванопластики, анодирования и формирования батарей, обеспечивающие питание тиристорным или диодным выпрямителям, выдерживающие высокие гармонические искажения; они варьируются от 0,5 MVA до 10 MVA и стоят от $18000 до $120000.
- Печные трансформаторы для индукционного или резистивного нагрева, способные выдавать высокий ток при низком напряжении; печной трансформатор мощностью *2 MVA* стоит от $40000 до $90000.
- Трансформаторы с фазовым сдвигом, предназначенные для значительных многопульсных преобразователей (12/24-пульсные выпрямители), благодаря отмене 5-й и 7-й гармоник, стоимостью от $30000 до $150000.
- Серво-трансформаторы и трансформаторы изоляции движения, используемые в крупных упаковочных и роботизированных установках, которые обычно имеют небольшой размер (5-50 kVA), но имеют строгие критерии по защите от переходных процессов.
Каждый тип имеет свои стандарты, регулирующие процедуры испытаний для трансформаторов; обычно прямоточные трансформаторы должны соответствовать требованиям IEC 61378-1, тогда как печные трансформаторы обычно должны соответствовать схеме сертификации компании на основе IEC 60076. Основное требование для инженера по автоматизации заключается в том, что поставщик трансформаторов должен быть представлен на раннем этапе, так как такие изделия имеют длительный срок поставки (10-24 недели) и практически невозможно заменить стандартным оборудованием на этапе ввода в эксплуатацию.
Сравнение применения трансформаторов
Таблица, приведенная ниже, объясняет, как одно и то же предприятие использует полные базовые характеристики трансформатора для различных функций в полном производственном процессе.
| Характеристика | Вход | Распределение | Изоляция привода | Управление / Инструмент |
|---|---|---|---|---|
| Типичное номинование | 1–60 МВА | 500–2500 кВА | 100–2,000 кВА | 1–160 кВА |
| Первичное напряжение | 20–110 кВ | 10–35 кВ | 4–0.69 кВ | 4 кВ |
| Импеданс | 6–10% | 4–6% | 4–8% | 2–5% |
| Обработка гармоник | Ограниченный | Ограниченный | Высокий (K-фактор) | Н/Д (экранированный) |
| Ключевой стандарт | IEC 60076 | IEC 60076 | IEC 60076 + IEEE 519 | IEC 61558 |
| Влияние отказа | Остановка завода | Отключение зоны | Остановка линии | Ухудшение управления |
| Типичная цена (USD) | $60,000–$400,000 | $9,000–$38,000 | $4,000–$22,000 | $1,200–$12,000 |
Смотря на таблицу, мы можем увидеть логику проектирования. Импеданс и резервирование защиты выше для слоев, связанных с критическими процессами; чувствительные слои получают экранирование и лучшее управление; в то время как слои, обрабатывающие значительное количество гармоник, используют K-фактор и специальные конструкции. Следует подчеркнуть, что не существует идеального “стандартного трансформатора”, который можно было бы использовать в каждом случае.
Рекомендации по спецификациям по применению
- Вход: Укажите OLTC, 10 MVA или более, с импедансом от 6-10%, а также подтвердите наличие характеристик DGA и сертификата испытаний IEC 60076.
- Распределение: Убедитесь, что kVA соответствует 15-минутному спросу при электрической нагрузке 60-80%, в то время как тип оборудования является либо масляным трансформатором для наружного использования, либо сухим трансформатором для внутреннего использования.
- Изоляция привода: Уменьшите мощность или примените рейтинг K-фактора в случае, если нагрузка VFD превышает 30%, и дополнительно предоставьте входные реакторы в соответствии с IEEE 519.
- Управление: Используйте экранированную обмотку с низкой емкостью связи и подтвердите, что регулирование напряжения происходит при полной нагрузке.
- Инструментирование: Требуется конструкция с низким уровнем шума, различные точки заземления, а также устойчивость к переходным процессам в соответствии с IEC 61000-4-4.
- Специальные процессы: Работайте с любым поставщиком на ранней стадии проектирования и убедитесь, что время выполнения составляет 10-24 недели.
Ценовые диапазоны по применению
| Применение | Рейтинг | Типичная цена (USD) | Срок поставки |
|---|---|---|---|
| Трансформатор безопасности / освещения | 10–100 кВА | $900–$4,500 | 2–6 недель |
| Управляющий трансформатор (экранированный) | 15–160 кВА | $1,200–$12,000 | 4–10 недель |
| Трансформатор изоляции привода | 200–2,000 кВА | $4,000–$22,000 | 6–14 недель |
| Распределительный трансформатор | 500–2500 кВА | $9,000–$38,000 | 8–16 недель |
| Выпрямительный трансформатор | 500 кВА–10 МВА | $18,000–$120,000 | 12–24 недели |
| Главный трансформатор ввода | 5–60 МВА | $60,000–$400,000 | 16–40 недель |
Цены зависят от спецификаций, брендов и других деталей, поэтому указанные значения являются оценочными для планирования трансформаторов, соответствующих IEC 60076. Индивидуальные трансформаторы должны быть защищены в соответствии с условиями контракта, поэтому обычно включается пункт о неустойке за задержку поставок.
Топ бренды и сравнение цен
В общем, при выборе поставщиков для продуктов промышленной автоматизации покупатели используют два критерия для оценки поставщиков трансформаторов: проектирование продукта и стоимость. Цены, указанные в таблице, относятся к типичному трансформатору – 1,000 kVA, 10/0.4 kV распределительному трансформатору, хотя цены уникальных трансформаторов значительно выше.
| Бренд | Страна | Автоматизационно-значимые преимущества | Указательная цена (USD) |
|---|---|---|---|
| Сименс | Германия | Глубокая интеграция PLC/SCADA, услуги цифровых двойников | 1ТП4Т15,000–1ТП4Т27,000 |
| ABB | Швейцария | Пакеты "привод-к-трансформатору", широкий портфель НН/СН | 1ТП4Т14,000–1ТП4Т26,000 |
| Schneider Electric | Франция | Интеграция управления EcoStruxure, прочность сухих трансформаторов | $13,000–$25,000 |
| Hitachi Energy | Япония/Швейцария | Наследие силовых трансформаторов, экспертиза в области выпрямительных трансформаторов | $15,000–$30,000 |
| Итон | США | Глубина трансформаторов управления и изоляции для производителей оборудования | $12,000–$24,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Китай | Соответствие IEC 60076, полный ассортимент масляных/сухих/выпрямительных типов, OEM | $9,000–$18,000 |
Международные производители трансформаторов достигают своей прибыли, интегрируя свои собственные устройства. Их трансформаторы взаимодействуют с их собственными приводами, распределительными устройствами и системами управления, что экономит много времени на автоматизацию проектов. Jiangsu Subian Electric Power, с другой стороны, является производителем, соответствующим IEC 60076, который предлагает все виды трансформаторов управления, а также крупные выпрямительные системы по ценам 45-60%, установленным европейскими или американскими производителями. Будучи поставщиком инструментов автоматизации и компаний по производству машин, Jiangsu Subian Electric Power имеет что предложить этим компаниям, включая индивидуально намотанные трансформаторы с индивидуальным импедансом и мощностью kVA.
Часто задаваемые вопросы
Сколько трансформаторов использует типичный автоматизированный завод?
Заводы среднего размера часто используют 5-10 трансформаторов, включая один или два входных трансформатора, два-четыре распределительных трансформатора, а также трансформаторы управления, изоляции и безопасности с номиналом от 10 кВА до 2,000 кВА. Крупные перерабатывающие заводы могут использовать до 20-40 трансформаторов в зависимости от сложности производственной линии. Тем не менее, это может быть первым шагом в любой программе оптимизации — отслеживать все работающие трансформаторы.
В чем разница между изоляционным трансформатором и трансформатором управления?
Изоляционный трансформатор служит для изоляции цепей, чтобы избежать возможности возникновения контуров заземления и общего шума по всей цепи и может использоваться как для приводов, так и для оборудования. Трансформатор управления — это своего рода изоляционный трансформатор для цепей управления, который предназначен для работы в цепях управления, внутренне оснащен экранированием, с средней регулировкой не более 3-5% и соответствующими стандартами IEC 61558. Все трансформаторы управления изолируют, однако изоляция не означает пригодность для приложений управления.
Сколько стоит маленький трансформатор управления?
Можно купить экранированный трансформатор управления мощностью 15 кВА за примерно $1,200 до $2,500; трансформатор рабочего места мощностью 160 кВА будет стоить $8,000 до $12,000. Цена зависит от уровня изоляции, класса регулировки, защиты корпуса (IP54/IP65), а также от производителя. Хотя эти суммы незначительны по сравнению с основным входным устройством, это недорогая защита, так как за $1,500 трансформатор управления может сэкономить миллионы на PLC и оборудовании управления.
Нужен ли мне трансформатор с K-фактором для моих нагрузок привода?
Когда нагрузка VFD превышает примерно 30% мощности трансформатора, необходимо выбрать либо устройство с коэффициентом K (K-4 до K-20), либо стандартное устройство с пониженной мощностью. Наличие гармоник от преобразователей приводит к большему нагреву обмоток, и использование устройства с рейтингом K-13 стоит на 10-25% дороже по сравнению со стандартными, но предотвращает повреждения изоляции, которые могут быть вызваны перегревом. В противном случае использование 5% реакторов с импедансом на входе для каждого привода позволит использовать стандартный трансформатор.
Каков срок поставки для выпрямительного или печного трансформатора?
Трансформаторы, особенно выпрямительные и печные, изготавливаются под заказ с гораздо более длительными сроками поставки, чем для стандартных распределительных трансформаторов. Выпрямительные и печные трансформаторы производятся за примерно 12-24 недели, в то время как обычное изготовление распределительных трансформаторов занимает 8-16 недель. Поскольку эти трансформаторы питают процессы, которые нельзя задерживать при вводе в эксплуатацию, их необходимо планировать за 6-9 месяцев до фактического запуска, а свидетельство о заводских испытаниях будет обязательным условием контракта.
Ссылки
- Серия IEC 60076 — Электрические трансформаторы — базовый проект и стандарт испытаний для входных, распределительных и приводных трансформаторов.
- IEC 61558 — Безопасность трансформаторов, реакторов и аналогичных продуктов — регулирует малые контрольные и защитные трансформаторы, используемые в цепях управления.
- IEC 61378-1 — Преобразовательные трансформаторы — стандарт для выпрямительных и преобразовательных трансформаторов в процессных линиях.
- IEEE 519 — Управление гармониками в электрических системах — пределы THD для заводов с высокой нагрузкой и основа для выбора коэффициента K.
- IEC 60204-1 — Безопасность машин: Электрическое оборудование машин — требования к контролю на уровне машин и поставке изоляционных трансформаторов.
- Стандарты NEMA для трансформаторов — Североамериканские рейтинги и рекомендации по применению для промышленных покупателей.
- Jiangsu Subian Electric Power — официальный сайт — производитель трансформаторов, соответствующий IEC 60076, обслуживающий проекты промышленной автоматизации по всему миру.
Заключение
В промышленной автоматизации используются различные типы трансформаторов — можно найти трансформаторы, выполняющие разные функции — входные, распределительные, изоляционные для приводов, контрольные, измерительные и специальные для процессов, среди прочих. Различающий фактор между успешным проектированием завода и просто реактивным подходом к обслуживанию для достижения желаемых операционных результатов заключается в способности первого определить, какой трансформатор запланирован для какой работы, определить рабочие параметры (импеданс, эффективность экранирования, гармоническое поведение и регулирование) и обеспечить установление бюджета с учетом того, что каждый трансформатор несет разные риски и имеет разную стоимость от $1,200 до $400,000 каждый.
Основные моменты, которые следует учитывать, следующие:
- Вам следует задокументировать все трансформаторы на заводе перед началом оптимизации.
- Контрольные трансформаторы должны соответствовать стандарту IEC 61558 с экранированными обмотками; трансформаторы для приводов должны быть способны обрабатывать гармоники.
- Используйте трансформаторы с коэффициентом K или входные реакторы, когда нагрузки VFD превышают 30%.
- Будьте готовы заказать специальные процессные трансформаторы за 6-9 месяцев до необходимости и пройти заводские испытания.
Сравните известные мировые бренды, такие как Siemens, ABB, Schneider, и их продукцию от сертифицированных по IEC производителей (Jiangsu Subian Electric Power) с точки зрения интеграции экосистемы и стоимости. Для поставки трансформаторов по всему промышленному спектру — от управляющих устройств до выпрямительных трансформаторов — посетите www.subian-electric.com.