EV Şarj İstasyonu Transformatörü: Nasıl Boyutlandırılır, Spesifikasyonu Neden Harmonikler Belirler ve Standart Bir Dağıtım Ünitesi Ne Zaman Yetersiz Kalır

Önce cevap: bir EV şarj transformatörü, şarj cihazlarının bağlı kVA'sına göre değil; eşzamanlılık, harmonikler ve arıza akımına göre boyutlandırılır

Neredeyse her EV şarj sahası, gerçekte aşırı yüklenmeden önce kâğıt üzerinde aşırı yüklü görünür; çünkü şarj cihazlarının bağlı kVA'sı, transformatörün gerçekte taşıdığı yük değildir. Doğru üniteyi belirlemek için üç sayıya ihtiyacınız vardır: eşzamanlılık (çeşitlilik) faktörünüz — kaç şarj cihazının aynı anda tam güç çektiği —, transformatörü nominal değerinin çok üzerinde ısıtan şarj cihazı ön uçlarının harmonik içeriği ve transformatörün geçirmesine izin vereceği mevcut arıza akımı. Bir AC Seviye 2 filo deposu için bu genellikle yaklaşık %50–70 eşzamanlılık üzerinden boyutlandırma ve bir K-4 ila K-9 ünite satın alma anlamına gelir; bir DC hızlı şarj merkezi için ise neredeyse tam eşzamanlılık varsayımı, K-13 belirtilmesi (veya %15–20 derating) ve genellikle orta gerilim şebekesinden beslenen özel bir 400 V / 480 V düşürücü ünite anlamına gelir. Yalnızca bağlı kW üzerinden boyutlandırırsanız transformatör en zayıf halka haline gelir — şarj cihazları sınırlarına ulaşmadan çok önce yalıtım sınıfının izin verdiğinden daha sıcak çalışır.

Önemli çıkarımlar

• EV şarj cihazları dirençli yükler değil, güç elektroniği yükleridir. Harmonik akımları, standart bir transformatörün taşımak için hiç derecelendirilmediği ek girdap akımı ve kaçak kayıpları ekler — bu yüzden spesifikasyona yalnızca kVA değil, K-faktörü de girmelidir.
• Bağlı güç üzerinden değil, eşzamanlılık üzerinden boyutlandırın. Şarj cihazlarıyla dolu bir saha neredeyse hiçbir zaman nominal toplamını çekmez; bu toplamın ne kadarının eşzamanlı olduğu, transformatör boyutu üzerindeki en büyük tek kaldıraçtır.
• K-faktörü ve IEEE C57.110 derating gerçek termal derecelendirmeyi belirler. Hafif, karışık ofis/EV yükü için K-4; düzenli AC şarj için K-9 ila K-13; DC hızlı şarj için K-13 — veya standart bir ünitenin sert deratingi.
• Arıza akımı ve kalkış akımı transformatör kararlarıdır. Empedans gerilimi (Uk%), şarj cihazlarının temizlemesi gereken arıza akımını sınırlar ve şarj cihazlarıyla dolu bir sahayı enerjilendirmek, yukarı akış kesicisini açtırmaması gereken bir kalkış akımı çeker.
• EV merkezleri 7/24 kısmi yükte çalışır, bu yüzden yüksüz kayıp önemlidir. Daha düşük kayıplı bir sınıf veya amorf çekirdek, yıllarca sürekli bekleme gücü boyunca kendini amorti eder — ekonomi aşağıda sayısallaştırılmıştır.

Bir EV şarj yükü neden normal bir transformatör yükü değildir

Hem bir AC Seviye 2 şarj cihazı hem de bir DC hızlı şarj cihazı, AC'yi bir doğrultucu üzerinden DC'ye dönüştürür ve bu doğrultulmuş ön uç bir doğrusal olmayan yüktür: akımı düzgün bir sinüs dalgası olarak değil, kısa darbeler halinde çeker. Sonuç, 5., 7., 11. ve 13. harmoniklerin baskın olduğu zengin bir harmonik spektrumdur; bu spektrum transformatörden geçerek sargılarda ve çekirdekte ek girdap akımı ve kaçak kayıplar üretir. Doğrusal (sinüzoidal) bir yük için derecelendirilmiş bir transformatör, bu harmonik yük altında nominal akımının altında akım taşırken bile aşırı ısınabilir; çünkü ek kayıplar tam da yalıtımın bulunduğu yerde ısıya dönüşür. Bu fizik, K-faktörü derecelendirmesinin var olma nedenidir; mekanizma transformatör harmonikleri ve K-faktör transformatör seçimi kılavuzlarımızda ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

İkinci standart dışı özellik yük profilidir. Bir fabrika transformatörünü kademeli olarak yükler; bir EV merkezi ise neredeyse boşta bekleme durumundan, bir araç fişe takıldığı anda ağır, güç yoğunluğu yüksek bir yüke geçer. Bu döngüsellik iki açıdan önemlidir: yalıtımı ve yağı tekrarlanan termal döngüye maruz bırakır (bu da yaşlanmayı hızlandırır) ve tasarım durumu olarak ortalamayı değil tepe değeri belirler. Günlük ortalama üzerinden boyutlandırılan bir transformatör, saha her dolduğunda termal olarak zorlanır.

Bir EV şarj transformatörü nasıl boyutlandırılır: üç adımlı bir yöntem

Yöntem kasıtlı olarak basittir, çünkü hatalar aritmetikte değil girdilerde meydana gelir.

Adım 1 — Bağlı yükü toplayın

Şarj cihazlarının nominal gücünü toplayın. Yirmi dört adet 22 kW AC şarj cihazı 528 kW bağlı yüktür; altı adet 180 kW DC hızlı şarj cihazı 1.080 kW bağlı yüktür. DC üniteler için nominal değer çıkış gücüdür, bu nedenle transformatörün sağlaması gereken giriş kW'ına ulaşmak için şarj cihazının kendi dönüşüm kayıpları için yaklaşık %5–10 ekleyin.

Adım 2 — Eşzamanlılık (çeşitlilik) faktörünü uygulayın

Bağlı yükü, aynı anda tam güçte çalışmasını beklediğiniz şarj cihazlarının oranıyla çarpın. Uzun süreli halka açık AC şarj kademelidir (tipik olarak 0,3–0,5); araçları arka arkaya çeviren bir filo deposu daha eşzamanlıdır (yaklaşık 0,6–0,7); kısa, yüksek güçlü seansları ve yoğun saat kuyrukları olan bir DC hızlı şarj merkezi 0,7–0,9'a yaklaşır. Bir yük yönetimi veya akıllı şarj denetleyicisinin kurulu olduğu yerlerde — giderek standart hale gelen bir uygulama — saha talebi bu denetleyici tarafından sınırlandırılır ve transformatör ham toplama göre değil, sınıra göre boyutlandırılmalıdır. Herhangi bir transformatörü yöneten aynı yük faktörü düşüncesi burada da geçerlidir; yük faktörü ve aşırı yük kapasitesi kılavuzumuza bakın.

Adım 3 — kVA'ya dönüştürün ve bir harmonik derecelendirmesi seçin

Eşzamanlı kW'ı şarj cihazı giriş güç faktörünü (modern üniteler için yaklaşık 0,95–0,99) kullanarak kVA'ya dönüştürün, ardından harmonik profille eşleşen bir K-faktörü seçin — veya standart bir dağıtım transformatörü kullanılması gerekiyorsa, aşağıda açıklanan IEEE C57.110 deratingini uygulayın. Son olarak ortam sıcaklığı ve gelecekteki büyüme için %10–15 marj ekleyin. Sonuç transformatör kVA'sıdır ve genellikle şarj cihazlarının naif toplamından daha küçüktür — bu tam da bir EV sahasının tahminle fazla satın alınmak yerine doğru şekilde belirtilebilmesinin nedenidir.

AC Seviye 2 depo ile DC hızlı şarj merkezi: iki farklı transformatör spesifikasyonu

Aynı fizik oldukça farklı iki spesifikasyon üretir. Aşağıdaki tablo her biri için tipik tasarım zarfını özetlemektedir (değerler ana akım ekipman için sektör deneyimidir, katalog sınırları değildir).

K-faktörü, harmonik derating ve IEEE C57.110 kuralı

K-faktörü, bir transformatörün nominal sıcaklık artışını aşmadan harmonik yük akımına ne kadar iyi dayandığını tanımlayan tek bir sayıdır. Standart seri K-1 (yalnızca doğrusal yükler), K-4, K-9, K-13 ve K-20'dir. Bir K-13 transformatörü, girdap akımı kayıpları saf sinüs dalgasınınkinin on üç katına kadar olan bir harmonik yükle tam nominal akımını taşıyacak şekilde üretilmiştir; bu da çoğu karışık EV kurulumunu kapsar; K-4, yalnızca az miktarda şarj içeren dirençli ve aydınlatma devrelerinin baskın olduğu hafif yükler için uygundur; ağır bir DC hızlı şarj merkezi için en iyisi K-13 veya daha iyisidir.

K dereceli bir ünite tedarik edilemiyorsa ve standart bir dağıtım transformatörü kullanılması gerekiyorsa, IEEE C57.110 ne kadar derate edileceğini tanımlar. Derating, harmonik spektruma ve transformatörün girdap kaybı faktörüne bağlıdır: pratik bir kural olarak, yaklaşık %20 akım THD'li bir yük tipik olarak büyüklük mertebesinde %10–20 kVA derating gerektirir ve harmonik açısından zengin DC şarj bunu daha da ileri itebilir. Pratik sonuç açıktır — 1.000 kVA etiketli bir transformatör, EV harmonikleri hesaba katıldığında 800–900 kVA'lık bir ünite gibi davranabilir. Harmonik derecelendirmeli bir transformatör belirtmek, bunu saha inşa edildikten sonra keşfetmekten neredeyse her zaman daha ucuzdur.

Gerilim sınıfı, yağlı tip ile kuru tip ve transformatörün konumu

EV şarjı düşük gerilimli bir yüktür: AC şarj cihazları 230 V tek fazlı veya 400/480 V üç fazlı alır ve DC hızlı şarj cihazları geleneksel olarak 400 V (AB) veya 480 V (ABD) üç fazlı alır. Bu nedenle transformatör neredeyse her zaman sahanın orta gerilim beslemesinden — genellikle 10, 15, 20 veya 33 kV, ya da Kuzey Amerika'da 13,8 kV — 400 V veya 480 V'a bir düşürücü ünitedir. İki yerleşim seçeneği baskındır. Bir otopark yapısı veya şarj salonu içinde, kuru tip (dökme reçine) transformatör olağan tercihtir: sızıntı yapacak veya yanacak yağ yoktur ve daha küçük açıklıklar gerektirir; yağlı tip ile kuru tip karşılaştırma kılavuzumuzda karşılaştırılmıştır. Dış mekânda, bir pad üzerinde veya kompakt bir trafo merkezi içinde, yağlı tip transformatör daha kompakttır ve kVA başına daha ucuzdur ve yüksek ortam sıcaklığı ile güneş kazancına daha zarif bir şekilde dayanır — bu önemlidir çünkü şarj merkezleri sıklıkla tam güneş altında bulunur. Hangisini seçerseniz seçin, soğutma sınıfını sahanın gerçek ortam sıcaklığıyla eşleştirin, çünkü 25 °C'de doğru olan bir ünite 45 °C'de aşırı yüklenebilir.

Koruma, kalkış akımı ve arıza akımı: alıcıların unuttuğu spesifikasyon noktaları

EV görevi için bir transformatör sipariş edildiğinde rutin olarak üç nokta atlanır. Birincisi, arıza akımı: transformatörün empedans gerilimi (Uk%), şarj cihazlarına ve kesicilerine ne kadar kısa devre akımının ulaşacağını belirler. Düşük Uk%'li bir ünite daha sıkı gerilim regülasyonu sağlar ancak daha yüksek arıza seviyesi verir, bu nedenle AG koruması ve şarj cihazlarının kesme derecelendirmeleri mevcut gerçek arıza akımıyla koordine edilmelidir — kısa devre akımı kılavuzumuzda işlenmiştir. İkincisi, kalkış akımı: transformatörü enerjilendirmek çekirdeğini manyetize eder ve nominalin çok üzerinde kısa süreli bir kalkış akımı çeker ve transformatörü enerjilendirdikten sonra birçok şarj cihazını aynı anda devreye alan bir merkez, yalnızca kararlı duruma göre boyutlandırılmış bir yukarı akış cihazını açtırabilir — 5–12× kuralı kalkış akımı kılavuzumuzda açıklanmıştır. Üçüncüsü, gerilim regülasyonu: şarj cihazları düşük gerilimde derate olur veya devreden çıkar ve her şarj cihazının gerçekte gördüğü gerilim, transformatörün regülasyonu artı AG kablo düşümü tarafından belirlenir; gerilim regülasyonu kılavuzumuzda ele alınmıştır. Bu üçünü kontrol etmeden transformatör sipariş etmek, devreye almada "çalışan" bir sahanın bir yıl sonra yoğun saatte arızalanmasının yoludur.

Verimlilik ve bekleme kaybı: bir EV merkezinin 7/24 ekonomisi

Gece birkaç saat boşta duran bir fabrika transformatörünün aksine, halka açık bir şarj merkezindeki transformatör günün her saati enerjilidir ve çoğu zaman kısmi yükte çalışır. Bu rejimde baskın olan kayıp, bir aracın fişe takılı olup olmamasına bakılmaksızın yılda 8.760 saat biriken yüksüz (demir) kaybıdır. Bu, daha yüksek verimli kayıp sınıflarını — S13/S20 veya bir amorf çekirdekli üniteyi — ekonomik açıdan ilginç kılar: ek ilk maliyet, merkezin ömrü boyunca daha düşük bekleme kaybından geri kazanılır. Yük kaybı bileşenini de ekleyin ve toplam sahip olma maliyeti argümanına sahip olursunuz; kayıp sınıfı karşılaştırmamız ve amorf çekirdek kılavuzumuz bu ödünleşimi sayısallaştırır ve toplam sahip olma maliyeti yöntemi bunu ihale dosyanıza koyabileceğiniz bir sayıya dönüştürür. Yük tarafını tek adımda boyutlandırmak için, mühendislik araç kutusu hesaplayıcısı saha verilerini alır ve ekipman ile bütçeyi birlikte döndürür.

EV şarj transformatörü spesifikasyon kontrol listesi

• Bağlı kW ve eşzamanlılık faktörü belgelenmiş — herhangi bir yük yönetimi veya akıllı şarj talep sınırı dahil.
• Harmonik profili / beklenen akım THD'si belirtilmiş, ortaya çıkan K-faktörü (veya IEEE C57.110 deratingi) sabitlenmiş.
• Sekonder gerilimi ve konfigürasyonu — 400 V veya 480 V, delta-yıldız, vektör grubu sahanın topraklamasıyla eşleştirilmiş.
• Empedans gerilimi (Uk%) arıza akımı koordinasyonu için seçilmiş, yalnızca gerilim regülasyonu için değil.
• Mevcut arıza akımı hesaplanmış ve koordine edilmiş şarj cihazlarının kesici kesme derecelendirmeleriyle.
• Soğutma sınıfı ve tasarım ortam sıcaklığı kurulumla eşleştirilmiş (sıcak iklimlerdeki dış mekân merkezleri derate olur).
• Kayıp sınıfı veya amorf çekirdek 7/24 kısmi yük ekonomisi için seçilmiş.
• Kalkış akımı marjı doğrulanmış yukarı akış koruma şemasına karşı.
• Yağlı tip veya kuru tip kurulum konumu ve yangın yönetmeliğine göre seçilmiş, dış mekân veya kıyı sahaları için doğru IP ve korozyon sınıfıyla.

Kaynaklar / 资料来源

• Kaynak: IEC 61851 serisi — Elektrikli araç iletken şarj sistemi
• Kaynak: IEC 62196 — Elektrikli araçlar için fişler, priz çıkışları, araç konektörleri ve araç girişleri
• Kaynak: IEC 60364-7-722 — Alçak gerilim elektrik tesisatları — Elektrikli araçların beslenmesi
• Kaynak: IEEE C57.110 — Sinüzoidal olmayan yük akımları beslerken transformatör kabiliyetinin belirlenmesi için önerilen uygulama
• Kaynak: IEEE C57.12.01 — Kuru tip dağıtım ve güç transformatörleri için genel gereksinimler
• Kaynak: IEEE 519 — Elektrik güç sistemlerinde harmonik kontrol için önerilen uygulama ve gereksinimler
• Kaynak: NEC Madde 625 (NFPA 70) — Elektrikli Araç Güç Aktarım Sistemi
• Kaynak: GB/T 18487.1 — Elektrikli araç iletken şarj sistemi — Genel gereksinimler
• Kaynak: QDTB Mühendislik Ekibi — tipik eşzamanlılık faktörleri, şarj cihazı derecelendirmeleri ve K-faktör seçimi için sektör deneyimi