Выбор мощности трансформатора — как подобрать правильный номинал в kVA

Выбор мощности трансформатора — это баланс между двумя видами ошибок. Заниженная мощность приводит к перегреву, преждевременному старению и ограничивает возможность расширения. Завышенная означает, что вы платите за мощность, которая никогда не будет использована, тогда как потери холостого хода возникают непрерывно в течение всего срока службы независимо от того, насколько слабо загружен трансформатор.

На этой странице изложена методика выбора правильного номинала с учётом факторов, которые чаще всего упускают из виду.

Методика в пять шагов

Шаг 1 — присоединённая нагрузка

Перечислите все нагрузки, которые будут питаться, и просуммируйте их мощности: электродвигатели, освещение, системы ОВиК, технологическое оборудование, розеточные сети, резервные системы. Эта величина почти всегда существенно превышает нагрузку, которую фактически увидит трансформатор, но именно она является отправной точкой.

Шаг 2 — спрос и одновременность

Не всё работает одновременно, а то, что работает, редко работает на полную мощность. Это учитывают два отдельных коэффициента:

Типовые коэффициенты спроса по типу объекта:

Шаг 3 — перевод kW в kVA

Трансформаторы нормируются по полной мощности, поскольку их тепловой предел определяется током, который протекает независимо от коэффициента мощности нагрузки.

Коэффициент мощности существенно влияет на требуемый номинал:

Шаг 4 — перспективный рост нагрузки

Трансформатор, устанавливаемый сегодня, как правило прослужит 25–30 лет. Нагрузка редко остаётся постоянной в течение этого срока.

• Известное расширение — если вторая очередь проекта уже запланирована, включите её в расчёт
• Общий запас на рост — 20–25 % является обычной практикой, если конкретное расширение не определено
• Тенденции электрификации — зарядка электромобилей, тепловые насосы и электрификация технологических процессов добавляют нагрузку объектам, спроектированным до их появления

Запас должен быть результатом инженерного суждения, а не привычки. Добавление 25 % к нагрузке, которая заведомо не вырастет, означает оплату потерь холостого хода на неиспользуемую мощность в течение трёх десятилетий.

Шаг 5 — стандартный ряд мощностей

Трансформаторы изготавливаются по стандартному ряду мощностей в kVA. Выбирайте ближайший больший номинал относительно расчётной мощности.

Разобранный пример — объект лёгкой промышленности

Выбранный агрегат при текущей нагрузке работает на 77 % номинала, оставляя запас на ожидаемый рост. При полной перспективной нагрузке загрузка составит 93 % — приемлемо, хотя к этому моменту объект приблизится к необходимости в дополнительной мощности.

Разобранный пример — солнечная электростанция

Выбор мощности для генерации отличается от выбора под нагрузку. Трансформатор должен пропускать полную выработку станции, и определяющей величиной является суммарная мощность инверторов, а не расчёт по коэффициенту одновременности.

Вопрос загрузки

Значение имеют две величины, и они тянут в противоположные стороны:

Индекс пиковой эффективности определяет загрузку, при которой трансформатор наиболее эффективен. См. Как рассчитать PEI — методика расчёта.

Один крупный агрегат или два меньших?

Если расчётная мощность значительна, часто стоит рассмотреть её разделение между двумя трансформаторами.

Факторы, меняющие результат

• Температура окружающей среды — стандартные номиналы предполагают максимальную температуру 40 °C и среднегодовую 20 °C. Более высокая температура требует либо снижения нагрузки, либо конструкции, рассчитанной на условия объекта.
• Высота над уровнем моря — выше 1000 м пониженная плотность воздуха ухудшает охлаждение. Требуется снижение нагрузки или изменённая конструкция.
• Содержание гармоник — нелинейные нагрузки нагревают обмотки и магнитопровод сильнее, чем следует из действующего значения тока. Объекты, где преобладают приводы и выпрямители, требуют либо понижающего коэффициента, либо конструкции, учитывающей гармоническую нагрузку.
• Профиль нагрузки — трансформатор, несущий пиковую нагрузку два часа в сутки, ведёт себя иначе, чем работающий при постоянной нагрузке. IEC 60076-7 содержит указания по нагрузке с учётом тепловых постоянных времени агрегата.
• Пуск электродвигателей — прямой пуск крупных электродвигателей кратковременно вызывает ток в шесть-восемь раз выше номинального. Возникающая просадка напряжения может определять выбор напряжения КЗ, а не номинальной мощности.

Типичные ошибки

• Выбор мощности по присоединённой нагрузке без учёта одновременности — даёт трансформатор в два-три раза больше необходимого, постоянно работающий при малой нагрузке с низкой эксплуатационной эффективностью.
• Игнорирование коэффициента мощности — выбор трансформатора 500 kVA под нагрузку 500 kW оставляет его перегруженным с первого дня, если фактический коэффициент мощности равен 0,8.
• Наложение запасов друг на друга — уже консервативный коэффициент спроса плюс запас на рост, плюс округление до следующего стандартного номинала, плюс дополнительный запас «на всякий случай» способны удвоить требуемую мощность.
• Пренебрежение классом потерь — два трансформатора одинаковой мощности могут существенно различаться по потреблению энергии за срок службы. Номинал определяет, какую нагрузку агрегат способен нести; класс потерь определяет, во что обойдётся его эксплуатация.