بار چگونه بر راندمان ترانسفورماتور قدرت غوطه‌ور در روغن تأثیر می‌گذارد؟

اگر تا به حال در یک غروب گرم تابستانی در کنار یک پست برق ایستاده باشید - وقتی همه واحدهای AC را می‌چرخانند، اجاق‌ها را روشن می‌کنند و نمایش‌ها را به طور همزمان تماشا می‌کنند - آن زمزمه عظیم و کم صدا را در هوا احساس کرده‌اید. این صدای ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن است که برای روشن نگه داشتن چراغ‌ها اضافه کار می‌کنند. به عنوان تامین کننده ای که سال ها صرف اندازه، ساخت و عیب یابی این واحدها کرده است، بیش از هر سوال دیگری از من یک سوال پرسیده می شود: "این همه بار اضافی در واقع چقدر کارآمدی این ترانسفورماتورها را تغییر می دهد؟" این یک پاسخ بله/خیر ساده نیست، و چیزی نیست که بتوانید آن را فقط در گوگل جستجو کنید و یک روز به آن زنگ بزنید. چیزهای ظریف زیادی در آن مخازن فولادی و آن روغن عایق دفن شده است و رد شدن از روی آن می تواند منجر به سردردهای پرهزینه شود.

ابتدا، بیایید اصول اولیه را برای هر کسی که مهندس قدرت نیست مرور کنیم (نگران نباشید، من این اصطلاح را سبک نگه می دارم). ترانسفورماتورهای قدرت غوطه ور در روغن، نیروی کار شبکه هستند - آنها ولتاژ را بالا یا پایین می کنند تا الکتریسیته بتواند مسافت های طولانی را بدون از دست دادن آب زیاد طی کند و سپس آن را برای خانه ها و مشاغل ایمن کند. روغن داخل دو کار کلیدی انجام می‌دهد: سیم‌پیچ‌های الکتریکی را عایق می‌کند تا کوتاه نشوند، و گرمایی را که هنگام عبور جریان از آن سیم‌پیچ‌ها ایجاد می‌شود، دفع می‌کند. بدون آن روغن، ترانسفورماتور در عرض چند دقیقه بیش از حد گرم می شود، به خصوص زمانی که بار زیاد باشد.

بار، در این زمینه، فقط مقدار توانی است که ترانسفورماتور در واقع در مقابل حداکثر ظرفیت نامی خود ارائه می کند. هر ترانسفورماتور دارای یک "رتبه نام" است - مثلاً 10 MVA (مگا ولت آمپر) - این حداکثر باری است که برای حمل مداوم بدون آسیب رساندن به خود طراحی شده است. اما نکته اینجاست: راندمان (که اساساً این است که چقدر از توان ورودی به توان خروجی قابل استفاده تبدیل می شود، نه به عنوان گرما هدر می رود) با بالا یا پایین رفتن بار از یک خط مستقیم پیروی نمی کند. اینجاست که قسمت سرگرم کننده (و گاهی اوقات خسته کننده) وارد می شود.

بیایید دو نوع اصلی تلفات را در یک ترانسفورماتور قدرت غوطه‌ور در روغن تجزیه کنیم زیرا ریاضیات راندمان در اینجاست. اول، "تلفات بدون بار" وجود دارد که گاهی اوقات تلفات اصلی نامیده می شود. این اتفاق می افتد حتی زمانی که ترانسفورماتور فقط در آنجا نشسته است، به برق متصل است اما باری را حمل نمی کند. آنها از هسته مغناطیسی داخل ترانسفورماتور می آیند - جریان های کوچک (به نام جریان های گردابی) که در فلز می چرخند، و چرخش مداوم حوزه های مغناطیسی در چرخه جریان AC. این تلفات ثابت هستند، مهم نیست چقدر بار می کشید. سپس "تلفات بار" وجود دارد، که با میزان جریانی که شما از طریق ترانسفورماتور عبور می دهید تغییر می کند. اینها از مقاومت سیم‌پیچ‌های مسی ناشی می‌شوند - به لطف قانون ژول، جریان بیشتر به معنای گرمای بیشتر است (من R را برای افراد عصبی در اتاق مربع کردم).

بنابراین بیایید یک مثال سریع برای ساختن این بتن انجام دهیم. فرض کنید یک ترانسفورماتور 10 MVA با تلفات بی باری 10 کیلو وات و تلفات بار در بار کامل 40 کیلو وات داریم. در بار 0٪، خروجی 0 کیلو وات است، بنابراین راندمان 0٪ است - منطقی است. در بار 25% (2.5 MVA)، تلفات بار به 40 کیلو وات * (0.25)^2 = 2.5 کیلو وات کاهش می یابد. مجموع تلفات 10 + 2.5 = 12.5 کیلو وات است. توان ورودی خروجی + تلفات است، بنابراین خروجی مثلاً 2500 کیلو وات است (از آنجایی که بار متناسب با MVA است، با فرض ضریب توان واحد برای سادگی). راندمان 2500 / (2500 + 12.5) = ~ 99.5٪ است. این خوب است. در بار 50٪ (5 MVA)، تلفات بار 40 کیلو وات * 0.25 = 10 کیلو وات است. مجموع تلفات 20 کیلو وات. راندمان 5000 / 5020 = ~ 99.6٪ است. حتی بهتر. اکنون در بار 75% (7.5 MVA)، تلفات بار 40 کیلووات * 0.5625 = 22.5 کیلو وات است. مجموع تلفات 32.5 کیلو وات. راندمان 7500 / 7532.5 = ~ 99.55٪ است. هنوز عالی است، اما کمی شروع به فرو رفتن کرده است. در بار کامل (10 MVA)، تلفات بار 40 کیلو وات است. مجموع تلفات 50 کیلو وات. راندمان 10000 / 10050 = ~ 99.5٪ است. اوه! بنابراین جایی بین 50 تا 75 درصد بار به اوج می رسد، نه در بار کامل. این بخشی است که بیشتر مردم نمی دانند.

صبر کن، پس چرا اینطور است؟ زیرا تلفات بدون بار ثابت است. در بارهای بسیار کم، این تلفات ثابت بخش عظیمی از توان ورودی را می خورند. با افزایش بار، تلفات بار بالا می رود، اما از هیچ شروع می شود، بنابراین برای مدتی، اضافه کردن بار بیشتر به این معنی است که تلفات ثابت روی توان خروجی بیشتری پخش می شود، بنابراین راندمان بالا می رود. هنگامی که بار از آن نقطه شیرین عبور می کند، تلفات بار سریعتر از توان خروجی شروع به افزایش می کند، بنابراین راندمان کاهش می یابد. آن نقطه شیرین "نقطه بازده حداکثر" نامیده می شود و برای هر ترانسفورماتور متفاوت است. این به طراحی بستگی دارد - سیم پیچ ها چقدر ضخیم هستند، مواد هسته، حتی نوع روغن استفاده شده (صبر کنید، نوع روغن برای تلفات مهم است؟ کمی، اما بیشتر برای خنک کردن).

حالا چرا این موضوع در دنیای واقعی اهمیت دارد؟ بیایید به آن عصر تابستانی که قبلاً ذکر کردم برگردیم. اگر اندازه یک ترانسفورماتور دقیقاً برای اوج بار تابستانی باشد (بنابراین در 10٪ مواقع با بار کامل کار می کند و در بقیه سال بسیار کمتر از آن است)، میانگین راندمان آن در طول سال کمتر از زمانی خواهد بود که اندازه آن را کمی بزرگتر کنید، بنابراین بیشتر اوقات در آن نقطه شیرین کار می کند. من این را به طور مستقیم با تعدادی از ترانسفورماتورهای سرویس ایستگاه خود دیده‌ام - واحدهای کوچکتر اما حیاتی که اتاق‌های کنترل پست، سیستم‌های خنک‌کننده و سایر تجهیزات کمکی را تامین می‌کنند. چند سال پیش، مشتری به ما مراجعه کرد و از اینکه ترانسفورماتور سرویس ایستگاه آنها انرژی زیادی هدر می دهد و قبض برق آنها از پشت بام می گذشت، شکایت داشت. مشخص شد که آنها آن را بزرگتر کرده بودند زیرا فکر می کردند "بزرگتر بهتر است"، اما در 90٪ مواقع تنها با 10-15٪ بار کار می کرد. تلفات ثابت بدون بار باعث مرگ آنها شد. ما آن را با واحدی با اندازه درست تعویض کردیم که در بیشتر مواقع با 50 تا 60 درصد بار کار می کند و صورتحساب انرژی آنها در سال اول 18 درصد کاهش یافت. این همان تأثیر دنیای واقعی است که من را هیجان زده می کند - این فقط مطالب کتاب درسی نیست، پولی است که در جیب مردم است.

اما صبر کنید، وقتی بار بسیار بالاتر از رتبه پلاک نام است، چطور؟ مانند، در طول موج گرما، زمانی که هر واحد AC روشن است، و شبکه تحت فشار است، بنابراین یک ترانسفورماتور با 110٪ یا 120٪ بار کار می کند. چه اتفاقی برای کارایی می افتد؟ اول اینکه روغن نمی تواند آن را نیز خنک کند. هرچه بار از امتیاز بالاتر می‌رود، تلفات بار با مجذور درصد اضافه بار افزایش می‌یابد، بنابراین آنها سر به فلک می‌کشند. دمای روغن افزایش می یابد که مقاومت سیم پیچ های مسی را افزایش می دهد و تلفات بار را حتی بیشتر می کند. بنابراین راندمان به سرعت کاهش می یابد - بسیار سریعتر از اضافه بار معمولی. همچنین، بارگذاری بیش از حد بیش از حد یا برای مدت طولانی تنها به کارایی ضربه نمی زند. طول عمر ترانسفورماتور را کوتاه می کند، زیرا عایق در دماهای بالاتر سریعتر از بین می رود. من همیشه به مشتریان می گویم: اوج بار برای دوره های کوتاه خوب است، اما عادت نکنید که بیش از 105 درصد بار برای هفته ها دویدن داشته باشید. ارزش خطر یک قطعی برنامه ریزی نشده را ندارد، زیرا هزینه آن بسیار بیشتر از مقدار کمی انرژی اضافی است که ممکن است صرفه جویی کنید.

نکته دیگری که باید در نظر گرفت: خود نوع بار. همه بارها یکسان ایجاد نمی شوند. بارهای القایی، مانند موتورهای AC یا یخچال ها، ضریب توان کمتری دارند. ضریب توان معیاری است که نشان می دهد ترانسفورماتور چقدر از جریانی که می دهد استفاده می کند. ضریب توان کم به این معنی است که ترانسفورماتور جریان بیشتری را برای ارائه همان مقدار توان واقعی حمل می کند، که تلفات بار را افزایش می دهد و بازده را کاهش می دهد، حتی اگر "قدرت" (بر حسب کیلووات) یکسان باشد. به همین دلیل است که شرکت‌های برق برای ضریب توان بالا فشار می‌آورند - ترانسفورماتورهای آنها کارآمدتر هستند و نیازی به ایجاد ظرفیت اضافی برای حمل آن توان راکتیو ندارند. هنگامی که ما ترانسفورماتورهای روغنی سه فاز را برای مشتریان تجاری یا صنعتی طراحی می کنیم، همیشه با تیم های برق آنها کار می کنیم تا ضریب توان معمولی آنها را تنظیم کنیم، بنابراین واحد را به درستی اندازه می کنیم و راندمان را برای مشخصات بار خاص آنها بهینه می کنیم. اینجا برای همه مناسب نیست، به همین دلیل است که ما زمان زیادی را صرف سؤال از مشتریان در مورد اوج بار، تغییرات فصلی، و حتی نوع تجهیزاتی که آنها در حال تامین انرژی هستند می‌کنیم.

بیایید در مورد برخی از افسانه های رایجی که همیشه می شنوم صحبت کنیم. افسانه 1: ترانسفورماتورهای بزرگتر همیشه کارایی کمتری دارند. نه، نه لزوما. ترانسفورماتور 10 MVA که با بار 50٪ کار می کند بسیار کارآمدتر از ترانسفورماتور 5 MVA است که با بار 100٪ کار می کند، حتی اگر پیک راندمان ترانسفورماتور کوچکتر بیشتر باشد. همه چیز در مورد تطبیق اندازه ترانسفورماتور با بار واقعی است. افسانه 2: نوع روغن بر کارایی تأثیر نمی گذارد. خوب، نکته جزئی، اما حقیقت دارد. روغن معدنی رایج ترین است، اما روغن های مبتنی بر استر دارای استحکام دی الکتریک کمی بالاتر و خواص خنک کنندگی بهتری هستند، بنابراین می توانند به کاهش تلفات بار کمک کنند، به خصوص در محیط های با دمای بالا. این تفاوت بسیار زیاد نیست - مانند، کمتر از 1٪ - اما در طول 20 سال، که به هزاران دلار هزینه انرژی اضافه می شود. افسانه 3: کارایی فقط برای ترانسفورماتورهای شبکه بزرگ مهم است. نه حتی یک ترانسفورماتور کوچک غوطه‌ور در روغن که چراغ‌های پارکینگ یک مرکز خرید را تامین می‌کند، اگر با بار مطابقت نداشته باشد، کارایی بدتری خواهد داشت و این به مرور زمان افزایش می‌یابد. من با صاحبان مشاغل کوچکی کار کرده ام که متوجه نبودند ترانسفورماتورشان بزرگ است و سالیانه 500 دلار اضافی به عنوان انرژی تلف شده می پرداختند. این مجموعه جدیدی از یخچال‌ها یا یک سال خدمات برقی برای دفترشان است - پولی که می‌توانند برای رشد کسب‌وکارشان استفاده کنند.

بنابراین وقتی شما یک ترانسفورماتور قدرت غوطه‌ور در روغن را انتخاب می‌کنید این به چه معناست؟ اول، شما باید یک دسته خوب در نمایه بار خود داشته باشید. فقط به اوج بار نگاه نکنید - ببینید چقدر بار ساعت به ساعت، روز به روز، فصل به فصل متفاوت است. اگر ساختمان تجاری دارید که فقط در طول روز کاری شلوغ است، بار در شب بسیار کمتر است، بنابراین نیازی به ترانسفورماتور با اندازه اوج روز ندارید. اگر کارخانه ای دارید که به صورت 24 ساعته کار می کند، باید اندازه آن را طوری تنظیم کنید که تا حد ممکن به حداکثر بازدهی نزدیک شود، حتی در دوره های تولید کند. دوم، با تامین کننده ای صحبت کنید که واقعاً چیزهای آنها را می داند. ما بیش از یک دهه است که در حال ساخت ترانسفورماتورهای قدرت غوطه‌ور در روغن هستیم و تنها بزرگترین واحدی را که می‌توانیم نمی‌فروشیم. ما سؤالاتی را مطرح می کنیم: اوج بار شما چقدر است؟ حداقل بار شما چقدر است؟ ضریب قدرت شما چیست؟ آیا برنامه ای برای توسعه در 5 سال آینده دارید؟ همه این عوامل در انتخاب یک ترانسفورماتور کارآمد برای نیازهای خاص شما موثر است.

اگر مطمئن نیستید که مشخصات بار شما چیست، اکثر مهندسان برق می توانند به شما در اندازه گیری آن کمک کنند، یا ما می توانیم با شخص ثالثی برای انجام مطالعه بار کار کنیم. این یک سرمایه گذاری کوچک است که با قبوض کمتر انرژی و عمر طولانی تر ترانسفورماتور، سود زیادی را به همراه دارد. من مشتریان زیادی را دیده‌ام که از اندازه‌گیری کوتاهی کرده و در نهایت هزینه آن را پرداخت می‌کنند – چه با هزینه‌های انرژی بالا یا یک ترانسفورماتور خراب که کل سایت را آفلاین می‌کند.

در پایان روز، ترانسفورماتورها ماشین‌های بسیار ساده‌ای هستند، اما کارایی آنها به بسیاری از قطعات متحرک (به معنای واقعی کلمه، در هسته و سیم‌پیچ‌ها) وابسته است. بار بزرگ‌ترین متغیر است، و برقراری صحیح آن تعادل کلیدی برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی، صرفه‌جویی در هزینه، و کارکرد مطمئن برق است. خواه یک شرکت برقی باشید که به ترانسفورماتور پست نیاز دارد، کارخانه ای باشید که نیاز به واحدی برای تامین انرژی تجهیزات خود دارد، یا توسعه دهنده ای که یک سایت تجاری جدید می سازد، انتخاب ترانسفورماتور برق غوطه ور روغنی مناسب برای بار خود یکی از مهم ترین تصمیماتی است که می توانید برای سیستم الکتریکی خود بگیرید.

اگر به دنبال ارتقا یا تعویض ترانسفورماتور خود هستید، یا فقط در مورد تأثیر بار بر واحد فعلی خود سؤال دارید، ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم. تیم ما می‌تواند شما را از میان گزینه‌ها راهنمایی کند، در صورت نیاز یک مطالعه بار انجام دهد، و مطمئن شود که ترانسفورماتور کارآمد، قابل اعتماد و متناسب با نیازهای شما است. می‌توانید طیف وسیعی از ترانسفورماتورهای قدرت غوطه‌ور در روغن ما را در اینجا بررسی کنید، یا در مورد واحدهای تخصصی مانند ترانسفورماتورهای سرویس ایستگاه یا ترانسفورماتورهای روغن سه فاز بیشتر بدانید تا ببینید چه چیزی برای کاربرد شما بهتر است.

مراجع

1. استاندارد NEMA TP 1-2018، طبقه بندی کارایی برای ترانسفورماتورهای توزیع غوطه ور در مایع
2. IEEE C57.12.00-2020، استاندارد الزامات عمومی برای توزیع غوطه ور در مایع، قدرت و ترانسفورماتورهای تنظیم کننده
3. کتاب مرجع انتقال و توزیع برق، ویرایش چهارم، شرکت وستینگهاوس الکتریک
4. Kulkarni, SV, & Khaparde, SA (2004). مهندسی ترانسفورماتور: طراحی و تمرین. مطبوعات CRC
5. "درک تلفات و کارایی ترانسفورماتور"، اداره انرژی دفتر بهره وری انرژی و انرژی های تجدید پذیر