2 年前の夏、中西部の食品加工工場から、約 750 kVA の電力を供給する電話がありました。乾式変圧器過熱リレーが作動し続けました。パネル電流計が銘板負荷の 62% を示し、ユニットが半分アイドル状態に見えたため、工場長はイライラしていました。当社のエンジニアの 1 人が電力品質調査を実施したところ、状況が一変しました。6 台の押出機に電力を供給する可変周波数ドライブは、合計約 34% の歪んだ電流を流していました。高調波歪み、そして曲がりくねったホットスポットは夏の午後には150度を超えていました。変圧器は大きすぎませんでした。実際に流れる電流の点で静かに過小評価されていました。
高調波電流が変圧器を過熱させる理由
変圧器の銘板は、クリーンな 60 Hz 正弦波電流を想定して計算されています。非線形荷重- VFD、UPS システム、LED ドライバー、EV 充電器、および整流器フロントエンド - は、滑らかな正弦波ではなく、短いパルスで電流を引き出します。その歪んだ波形は、基本周波数の倍数の正弦波が積み重なったもので、通常は 5 次 (300 Hz)、7 次 (420 Hz)、11 次、および 13 次が支配的です。
損傷は巻線損失として現れます。変圧器の負荷損失には、RMS 電流に応じて変化する I²R 損失と、周波数に応じて変化する渦電流損失の 2 つの部分があります。巻線の渦損失は、おおよそ高調波次数の 2 乗で増加します。基本振幅の 30% の 5 次高調波では、渦損失の成分が (0.30 × 5)² ≈ 2.3 倍増加します。表皮効果と近接効果により、余分な電流が小さな導体領域に押し込まれます。そのため、負荷の歪みによって、電流計では決して検出できない局所的なホットスポットが形成されます。ほとんどの購入者が見逃している部分は次のとおりです: 合計高調波歪み5 番目と 7 番目の次数がまさに損失ペナルティが最も高い位置にあるため、控えめに見えてもワインディングを行うことができます。
歪みの限界自体については、IEEE 519-2022電気システムが共通結合点でどの程度の高調波電流を許容すべきかをエンジニアが判断するために使用する基準です。これは、高調波次数とシステムの短絡率によって電流制限を設定します。これは、変圧器の購入後ではなく、購入前に高調波研究を評価する必要がある文書です。
K-Factor 変圧器の定格が実際に意味するもの
A Kファクター変圧器標準の乾式ユニットと異なる機械ではありません。高調波電流によって発生する余分な渦熱を放出するように設計された巻線を備えた同じ変圧器ファミリーです。 K 評価は、UL 1561 に基づいて UL によって認められ、次の方法で計算されます。IEEE C57.110は、負荷内の各高調波電流を次数の 2 乗で重み付けし、その結果を単一の数値で表します。単純な線形負荷設計の場合は K-1、次に K-4、K-9、K-13、K-20、K-30、K-40、および K-50 です。
K-13 は、産業プラントで最も頻繁に引用される評価です。これは、サプライヤーのガイダンスでは、負荷の非線形割合が 75% に近づく場合にこの評価が適切であると一般的に扱われるためです。 K-4 は、照明と小型 UPS ユニットを備えた一般的な商業フロアをカバーします。 K-20 以上は、コンバータの負荷が大きい (UPS 濃度が高い、アーク炉、電気化学的整流器負荷が高い) に属しており、推測ではなくスペクトルベースの計算で確認する必要があります。開始点として、購入者に説明するマッピングは次のとおりです。
| 一般的な負荷プロファイル | 推奨される K 評価 |
| 一般オフィス：照明、PC、小型UPS | K-4 |
| 商業用: エレベーター、VFD ポンプ、UPS 室 | K-13 |
| 産業用: 駆動負荷の高い MCC、押出機、コンプレッサー | K-13 |
| データセンター: 高密度スイッチング、大型 UPS | K-13からK-20まで |
| 深刻な場合: アーク炉、電解整流器 | K-30からK-50まで |
K 値は定格を下げる指示ではなく、巻線の設計目標です。同じ負荷を強制的に供給する標準的な変圧器は、その温度上昇クラスが許容する以上に高温になるか、銘板よりも定格を下げる必要があり、場合によっては標準ユニットの定格を下げる方が安価な解決策となります。どちらのパスも正当です。間違いは、最初に負荷スペクトルを確認せずにどちらかを選択することです。
IEEE C57.110: 評価の背後にある方法
IEEE C57.110-2018 - 非正弦波負荷電流を供給する際の液体浸漬および乾式電力および配電変圧器の能力を確立するための推奨方法 - は、ラベルの背後にある計算です。最新版は次の場所から入手できます。IEEE 標準ストア。この方法では、高調波損失係数 (通常は FHL と表記されます) を定義します。これは、測定されたスペクトルでの巻線の合計渦損失と定格正弦波電流での渦損失を比較し、その係数を許容電流 (標準ユニットがスペクトルに対して伝送できる最大 kVA、または新しいユニットが必要とする K 設計) に変換します。
この方法を使用するには、メーカーだけが持つ 1 つのデータが必要です。それは、I²R 損失のパーセンテージとして表される巻線の渦電流損失です。そのため、高調波の多いプロジェクトの本格的な見積もりには、データシート上の K 値だけでなく、変圧器の渦損失 % の数値と負荷の計算された FHL を含める必要があります。お客様が RFQ とともに高調波検討結果を当社に送信すると、K 定格設計とディレーテッド標準設計として双方向で計算が返されるため、比較は実数に基づいて行われます。
現場からの警告が 1 つあります。銘板の K 評価は定義されたスペクトルで割り当てられており、実際の植物は変動します。後でドライブを追加する場合は、調査を再実行してください。試運転時に正確に K-9 と評価され、5 年後に 2 番目の生産ラインが稼動したときにサイズを超えたユニットを交換しました。
現場で失敗が見られる場合
食品加工工場に戻ります。調査では、押出機ドライブからの 5 次および 7 次高調波が大半を占める合計電流歪みが 34% であることが示され、計算された渦損失ペナルティにより、ユニットの実際の容量は銘板の 70% 近くになり、これは迷惑トリップとほぼ正確に一致しました。 750 kVA の標準ユニットを K-13 に置き換えました乾式変圧器同じ定格の温度アラームが停止しました。負荷は変わっていませんでした。巻線は最終的に、実際に流れる電流に合わせて構築されました。
2 番目のパターンはより静かです。メキシコの包装工場は、K-13 ユニットの見積もりを求めてきましたが、なぜ単純に標準ユニットを購入して 30% 削減できないのかと尋ねてきました。彼らはそれができました - そして彼らの義務のために、最悪のフィーダにディレーティングとアクティブ高調波フィルタを加えた方が明らかに安価でした。重要なのは、K 定格の変圧器が常に答えであるということではありません。重要なのは、K 設計とディレーティング パスはどちらも意見ではなく数値に依存するため、スペクトルと損失の計算なしには誰も決定すべきではないということです。
K-Factor トランスの仕様方法: RFQ チェックリスト
ドライブ、UPS システム、または充電器を備えたプラントまたは建物用の乾式ユニットを購入する場合、仕様作業は RFQ が発行される前に行われます。 5 つの項目でそのほとんどがカバーされます。
- 最初に高調波スタディを実行または要求します。変圧器バスの電流歪みを測定します。IEEE 519-2022そして、TDD と支配的な注文 (通常は 5 番目、7 番目、11 番目、13 番目) を記録します。
- サプライヤーにスペクトルから K を計算させます。研究をRFQとともに送信してください。別の工場が使っていたからAKを選んだのはエンジニアリングのふりをした推測だ。
- 総コストに関して、K 定格とディレーティングされた標準を比較します。購入価格、設置面積、損失、およびいずれにしても必要となる可能性のあるフィルターはすべて比較の対象となります。
- 認証が設計と一致していることを確認します。北米の場合は、製品ファミリーだけでなく正確な設計について、K 定格ユニットが UL 1561 - に基づく UL リストを取得しているか、または CSA 認証を取得しているかを問い合わせてください。
- 温度上昇クラスと FHL 計算はテスト パッケージでお問い合わせください。そうすれば、エンジニアは銘板を信頼する代わりに定格を確認できます。
そしてフィルタリングへの扉は開いたままにしておきます。主要な負荷が 1 つの大きな VFD クラスタである場合、標準変圧器の前にあるアクティブ フィルタは、価格で K-30 ユニットを上回る可能性があります。どちらの方法でも比較を引用します - 正直なほうが間違った変圧器よりも安いということです。
ライアン・エレクトリックの見解
Ryan Electric は 2007 年以来、江蘇省の 120,000 m² の施設で乾式変圧器と液浸変圧器を製造してきました。Kファクター変圧器ビルド - キャスト樹脂と VPI - は製品群の標準部分です。 UL、CSA、IEEE、DEKRA 認定をポートフォリオに持つイートンの合弁パートナーとして、当社は K の質問を計算として扱います。負荷プロファイルを送信していただければ、設計に着手する前に C57.110 損失数値を実行します。
指定する場合乾式変圧器VFD、UPS 室、EV 充電器、またはその他の非線形負荷を備えた施設の場合、kVA、電圧クラス、高調波データを次の方法で共有します。ライアントランスフォーマー.com- 当社のエンジニアは、K の推奨事項、損失計算、現実的なスケジュールを携えて戻ってきます。または、標準ユニットとフィルターを組み合わせた方が賢明な購入であるとデータが示している場合は、そのこともお伝えします。
著者について:この記事は、イートンの合弁パートナーであり、中国江蘇省にある UL/CSA 認定の変圧器メーカーである Ryan Electric のエンジニアリング チームによって執筆されました。同社は、北米、ラテンアメリカ、東南アジア、中東の産業、商業、公益事業の顧客にサービスを提供しています。
