Harmonic Mitigating Transformers (HMTs) sind spezielle elektrische Geräte, die Energieverschwendung reduzieren sollen, indem sie Verluste durch harmonische Verzerrungen minimieren. Dies erreichen sie durch mehrere Mechanismen:
1. Triplen-Harmonische-Auslöschung: Durch die Auslöschung von Nullphasen-Harmonischen-Flüssen verhindern HMTs, dass Triplen-Harmonische-Ströme in den Primärwicklungen zirkulieren. Dies führt zu einer Verringerung der primärseitigen I2R- und Wirbelstromverluste.
2. Ausgeglichene Harmonische-Reduktion: HMTs mit mehreren Ausgängen sind in der Lage, die symmetrischen Komponenten von Harmonischen höherer Ordnung wie der 5. und 7. Ordnung in ihren Sekundärwicklungen zu eliminieren. Nur die unsymmetrischen Restharmonischen erreichen die Primärwicklungen, was zu einer Reduzierung der Verluste führt.
3. Hohe Effizienz bei Grund- und Oberschwingungsfrequenzen: Bestimmte HMT-Designs weisen nicht nur bei den standardmäßigen 60 Hz, sondern auch bei Oberschwingungsfrequenzen eine hohe Effizienz auf. Modelle, die den Energy Star-Standards entsprechen, erfüllen die Mindesteffizienz von NEMA TP-1 bei 35 % Belastung und erreichen dies durch die Verringerung der Kernverluste, um die Effizienz bei geringer Belastung zu steigern. Die Energy Star-konformen HMTs der Harmony™-Serie von Mirus sind so konstruiert, dass sie die Mindesteffizienz von NEMA TP-1 über den gesamten Betriebsbereich von 35 % bis 65 % Belastung erfüllen.
Abbildung 1: 75-kVA-Transformatorverluste bei verschiedenen Belastungsbedingungen mit nichtlinearem K-9-Lastprofil.
Nachgewiesene Energieeinsparungen:
Ein Beispiel in der obigen Abbildung zeigt die potenziellen Einsparungen, die durch den Einsatz von HMTs anstelle von herkömmlichen oder K-bewerteten Transformatoren erzielt werden. Ein 75-kVA-Transformator wurde unter verschiedenen Lastbedingungen mit einem nichtlinearen K-9-Lastprofil analysiert, das typisch für Umgebungen mit starker Computernutzung ist (Ithd = 83 %). Die Grafik vergleicht die Verluste zwischen einem herkömmlichen Delta-Stern-Transformator (Conv), einem Delta-Stern-Transformator mit K-13-Bemessung und einem Harmony-1E™-HMT mit Einzelausgang und Energy Star-Konformität.
Abbildung 2: Energieeffizienz für verschiedene Arten von 75-kVA-Transformatoren, die lineare (K-1) und nichtlineare (K-9) Lasten unter unterschiedlichen Lastbedingungen versorgen.
Auswirkungen nichtlinearer Belastung auf die Effizienz:
Diese Abbildung veranschaulicht weiter, wie sich nichtlineare Belastung auf die Effizienz von Transformatoren auswirkt. Sie stellt die Leistung verschiedener Transformatoren unter sowohl linearen (K-1) als auch nichtlinearen (K-9) Belastungsbedingungen gegenüber. Die Effizienz herkömmlicher und K-13-Transformatoren sinkt unter nichtlinearer Belastung erheblich, insbesondere bei höheren Belastungen.
Schätzung der Energieeinsparungen:
Um die Energieeinsparungen durch reduzierte Oberschwingungsverluste zu quantifizieren, müssen der Stromtarif und das Betriebsprofil der Last berücksichtigt werden. Diese Faktoren können je nach Standort und Anwendung stark variieren. Tabelle 1 zeigt die Energieeinsparungen beim Vergleich eines 75-kVA-HMT mit einem K-13-Transformator in einer Büroumgebung mit umfangreicher Computerausstattung.
HMT-Energieeinsparungen und Amortisationsschätzung beim Vergleich eines 75-kVA-HMT mit einem K-13-Transformator in einer typischen Büroumgebung mit einer hohen Konzentration an Computergeräten
Berechnung der jährlichen Einsparungen:
Bei einem angenommenen Betrieb von 12 Stunden pro Tag an 260 Tagen im Jahr, einem durchschnittlichen Stromtarif von 0,07 US-Dollar pro kWh und unter Berücksichtigung der zusätzlichen Kühlenergie, die zur Ableitung der vom Transformator erzeugten Wärme benötigt wird (geschätzt 30–40 % der Verlustleistung), lassen sich die jährlichen Einsparungen wie folgt berechnen:
Jährlicher Verbrauch = (Gesamtverluste in kW) x (Std./Tag) x (Tage/Jahr) + (NL-Verlust in kW) x (24 – Std./Tag) x (365 – Tage/Jahr)) $/Jahr-Ersparnis = (H1E Jahresverbrauch – K13 Jahresverbrauch) x 1,35 x (Tarif in $/kWh)
Amortisationsanalyse:
Basierend auf den Transformatorkosten und einer angenommenen Lebensdauer von 30 bis 40 Jahren kann der für ein Harmony-1E HMT gezahlte Aufpreis allein durch Energieeinsparungen um ein Vielfaches zurückgewonnen werden. Die Amortisationszeit beträgt bei einer Auslastung im Bereich von 50 % bis 65 % normalerweise 1 bis 4 Jahre.
Zusätzliches Beispiel:
Tabelle 2 zeigt ein Szenario für eine Rundfunkanlage oder ein Rechenzentrum mit geringerem Oberschwingungsgehalt (K4-Lastprofil), das 24 Stunden am Tag und 365 Tage im Jahr in Betrieb ist. Wenn der Transformator in einem klimatisierten Bereich steht, verkürzt sich die Amortisationszeit sogar noch, was die Investition in HMTs in solchen Anwendungen besonders attraktiv macht.
Tabelle 2: HMT-Energieeinsparungen und Amortisationsschätzung beim Vergleich eines 75-kVA-HMT mit einem K-13-Transformator in einer typischen Rundfunkanlage oder einem Rechenzentrum
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die inhärente Fähigkeit von HMTs, harmonische Ströme in ihren Wicklungen zu eliminieren, zu messbaren Energieeinsparungen führt, wenn man sie mit den höheren Verlusten vergleicht, die bei herkömmlichen oder K-bewerteten Transformatoren auftreten. Wenn wir die durchschnittlichen Premiumkosten von HMTs im Vergleich zu K-13-Transformatoren berücksichtigen, beträgt die typische Amortisationszeit für Energieeinsparungen 1 bis 4 Jahre, wenn die Last voraussichtlich im Bereich von 50 % bis 65 % liegt.
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