産業用変圧器の設計方法

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変圧器は、産業部門全体のエネルギー分配システムの重要な部品です。 供給インフラストラクチャの全容量に対して適切な量の電力が負荷に到達することを保証します。

産業用変圧器は、配電性能とプロセスのニーズを満たすことに大きな影響を与えます。 変圧器の構造やサイズが不適切だと、業務の有効性と成功が損なわれ、規制遵守が脅かされます。

ここでは、重要なサイジングやコンポーネント選択の考慮事項など、産業用変圧器の設計について知っておくべきことを説明します。

意思決定者は、産業用変圧器の 2 つの主要なカテゴリ、乾式変圧器と液体充填変圧器のどちらかを決定する必要があります。 この決定に影響を与える要因には、場所、環境、目標とするコスト支出、および電気システムの既存の構成が含まれます。

後者のタイプには、電力負荷が高いにもかかわらず、いくつかの欠点があります。 乾式変圧器には、より堅牢な保険適用と換気システムが必要ですが、現場で設置できることが大きな利点です。

もう 1 つの重要なステップは、トランスに必要なコアの種類を決定することです。 これは 2 段階で発生します。

動作周波数に基づいたコア選択のガイドラインをいくつか示します。

一部のコア タイプにはボビンが必要ですが、その他のコア タイプにはボビンが必要ありません。アプリケーションの特定の要件については、コンポーネントのメーカーに問い合わせてください。

Texas Instruments によると、産業用変圧器の許容温度上昇は 40 ～ 50 °C 程度です。 この場合、内部温度は最大 100 °C になります。 コアが大きくなると、トランス内の温度上昇率が低下することに注意してください。 温度を効果的に管理することは、電力損失を管理し、満足のいく効率を確保するためのもう 1 つのステップです。

新しいまたは交換用の産業用変圧器のサイズを最適化することは、長期にわたって許容可能なエネルギーコストを実現するために重要です。 意思決定者は、変圧器が適切な需要と接続負荷定格を持っていることを確認する必要があります。 kVA (キロボルトアンペア) で測定される接続負荷は常に需要負荷よりも大きくなりますが、後者は運用ニーズに関するエンジニアリング チームの理解と一致している必要があります。

トランスのサイズを最適化する最良の方法は、履歴データを使用することです。 NEC ガイドライン 220.87 に基づいて、エンジニアは 1 年間蓄積されたピーク負荷データを使用して、新しい変圧器を最適化できます。 この情報が入手できない場合、NEC では 30 日間の計測されたピーク負荷データの使用も許可しています。 どちらの方法でも、暖房と冷房の要件データの間隔を一致させる必要があります (それぞれ 1 年または 30 日)。

サイズ設定の影響を受ける変数はコストだけではありません。 大きすぎる変圧器と比較して、適切なサイズの変圧器を使用すると、エネルギーの危険やアークフラッシュのリスクが軽減されます。

産業用変圧器はさらに単相と三相に分類されます。 単相変圧器には一次巻線と二次巻線コンポーネントがありますが、三相モデルには 3 つの一次巻線と 3 つの二次巻線が必要です。

単相変圧器の巻線タイプを気にする必要はありません。 ただし、三相変圧器の望ましい性能を達成するには、正しい一次巻線と二次巻線を選択する必要があります。 これらには、スター (Y 字)、デルタ (メッシュ)、および相互接続 (ジグザグ) 巻線が含まれます。

慎重に選択してください。巻線タイプのさまざまな組み合わせには、いくつかのトレードオフと利点が伴います。 たとえば、スターデルタ接続構成は、不平衡負荷の転送に適しており、降圧トランスと関連付けられることが多くなります。 スター-スター配置には、コアの周りに巻く回数が少なくて済むなど、独自の利点があります。

変圧器の能力に対応するために必要な巻線量を決定するために使用される公式を理解しておく必要があります。 120 ボルト入力で 12 ボルト、2 アンペア出力の変圧器は、この式を使用する必要があります。 110 は、システム内の電力損失を相殺するために電力入力を 10% 増加させるためにあります。

変圧器の設計プロセス中に他に何を決定するとしても、高品質の素材と職人技を優先することを忘れないでください。 不適切な構成や低品質のビルドマテリアルには、次のような望ましくない影響がいくつかあります。

適切に製造された変圧器は、25 ～ 40 年の寿命にわたって信頼性の高い性能を発揮する必要があります。 粗悪な製品は耐用年数が短くなり、継続的なメンテナンス費用の増加に始まり、最終的には変圧器が期限内に故障することで終わります。

米国エネルギー省は、多くの場合一般からの意見を取り入れて、産業用変圧器の設計基準の改訂に継続的に取り組んでいます。 これらのコンプライアンス要件をよく理解し、不必要な電力損失から身を守ることが賢明です。

産業用変圧器の設計は、動作のニーズと基本パラメータを決定することから始まります。 作業を開始する前に確認する必要がある最も重要な特性は次のとおりです。

一次電圧は変圧器の入力側に供給されます。 二次電圧は変圧器によって出力されるものです。 供給電圧と必要な出力は、変圧器の能力と一致する必要があります (たとえば、入力が 415 V、出力が 240 V)。

kVA 定格は、変圧器の選択または建設プロセス中に次の式を使用して決定できます。

変圧器の動作周波数は、互換性とコンプライアンスの目的でリストされ、評価される必要があります。

銘板には次の詳細も記載する必要があります。

これらの識別要素はそれぞれ、変圧器の銘板に記載されている必要があります。 その後の変圧器の検査により、銘板の内容が明らかになり、コンポーネントの選択または設置時の誤解を避けることができます。

建設部門は、環境に優しい建築や弾力性のある材料の選択における新たな優先事項など、いくつかの重要な変化を経験しています。 決して変わらないことの 1 つは、産業用変圧器の設計とコンポーネントの選択に何が必要かを理解している電気エンジニアと建物管理者の必要性です。 すべての業界は、生産量の増加と地球との調和の向上を達成するためにデジタル変革の準備を進めており、そのためには信頼性の高い配電インフラが不可欠です。

構築された環境では、これまで以上に高い許容範囲と効率のさらなる優先順位が求められます。 ここに注意を払うと、動作の安定性と安定した電力供給の点で、時間の経過とともに利益が得られます。

画像クレジット: Wang An Qi / Shuttestock.com