回生負荷とソースの利点:熱コストを削減

空冷または水冷の電力抵抗器は、最も単純な形式の負荷です。

抵抗には、オームの法則 (I = V/R) 2に従い、放電電力 (P = V*I = V /R) の100%を直接熱に変換する固定負荷プロファイルがあります。負荷できる最大電力は、抵抗の定格によって異なります。

空冷抵抗は熱を空気中に放散します。その後、空調またはファンを使用して、作業領域から生成された熱を除去します。エアコンの効いたラボ環境では、空冷抵抗は非常に低コストで柔軟性があり、単純な負荷です。ただし、空冷抵抗は発熱量が大きいため、高電力のテストや製造環境では実用的ではありません。

水冷抵抗には電気的に絶縁された水接続部があり、水がデバイスから熱を運び去ります。残念ながら、水には添加剤や汚染物質が含まれている可能性があり、抵抗が損傷した場合や接続に漏れがあった場合に電気的障害を引き起こす可能性があります。水接続の要件により、このタイプのデバイスを使用できる場所とタイミングが制限されます。

電子負荷は、放電電力 (P = V*I) の100%を直接熱に変換します。抵抗とは異なり、電子負荷は定抵抗に加えて、定電流、定電圧、定電力などのより高度な負荷プロファイルを提供できます。さらに、負荷プロファイルは、UUTを切断することなく動的に変更できます。

^{図1:AC電子負荷}

空冷式電子負荷は、廃熱を空気中に放散するため、十分なスペースまたは空気冷却能力があれば、ラボや製造スペースのどこでも使用できます。逆に、水冷式電子負荷は、水接続を介して廃熱を放散するため、これらの負荷の使用場所が制限されます。さらに、水冷システムのメンテナンス中は、テストが中断される場合があります。

回生電子負荷は、放電電力 (P = V*I) を施設で使用可能な電力に変換して戻すため、2つの方法で柔軟性が向上します。

まず、総電力需要とそれに関連する電気コストが削減されます。

第二に、回生によって、発生する廃熱が大幅に減少するため、施設の冷却に必要なエネルギーと機器を削減できます。これにより、ラボや製造ワークスペースの計画、アップグレード、再配置を柔軟に行うことができます。

図2に示すように、従来の負荷に関連する電力潮流を考えてみましょう。

^{図2:従来の負荷を使用した電力潮流}

UUTには施設接続から電力が供給されます。UUTの出力には、この電力を廃熱に変換する従来の負荷がかかります。さらに、ワークスペースから廃熱を除去するために冷却装置を動作させるには追加の電力が必要になります。 

UUTの変換効率が90%で、100 kWの出力を提供すると仮定すると、UUTは変換損失により11.1 kWの廃熱を発生します。負荷は、100 kWの出力を直接廃熱に変換します。合計111.1 kWは379,123 BTUの熱に変換され、ワークスペースからこの熱を除去するにはかなりの追加電力が必要になります。

図3は、回生負荷を使用した場合の同じテストシナリオを示します。

^{図3:回生負荷を使用した電力潮流}

従来の負荷を効率92%の回生負荷に置き換えることで、電力の使用量と発生する熱を82%以上削減できます。UUTはなお、変換損失により11.11 kWの廃熱を生成します。ただし、回生負荷はUUTの出力電力の92 kWを施設に戻し、廃熱として8 Wしか寄与しません。総廃熱は111.11 kWから30 kW未満に、または379,123 BTUから65,206 BTUに減少し、作業スペースから廃熱を除去するために必要な冷却装置の電力量が削減されます。

UUT入力電力 (式1) は、その変換効率に依存します。

式1:UUT入力電力 = UTT電力/UTT変換効率

UUTは、商用電力および回生ソースから電力を供給します。したがって、必要な商用電力の合計 (式2に記載) は、入力電力、回生電力量、冷却装置の動作に必要な電力によって異なります。回生によって必要な入力電力量を直接的に削減し、必要な冷却装置の電力量も削減します。

式2:商用電力の合計 = (UUT入力電力 − 回生電力) + 冷却装置電力

式3で必要な冷却装置の電力量は、熱に変換される電力量、冷却装置のタイプ、サイズ、全負荷/部分負荷エネルギー効率比 (EER) によって異なります。産業用冷凍機の最大負荷時のEERはしばしば10に達し、類似の水冷式冷却装置のEERは20に達します。空冷式冷却装置で廃熱を除去するには約34.12%多くの電力が必要ですが、水冷式冷却装置では約17.06%多くの電力が必要です。

式3: 冷却装置の所要電力

この簡略化された例では、各冷却装置タイプのエネルギー効率比が一定であると想定されていることに注意してください。実際のエネルギー効率は、メンテナンス、季節的な気候、負荷量などの (ただしこれらに限定されない) 複数の要因に影響される可能性があります。

以下の表では、効率92%の回生空冷負荷を使用した場合のコストと、標準の空冷または水冷負荷を使用した場合のコストを比較できます。この表では、固定電気料金$0.15/kWhを想定しています。平均電気料金がわかっている場合は、その値から運用コストを求めることができます。

^{表1:負荷タイプごとのエネルギーコスト}

^{表2:100 kWあたりのエネルギーコスト削減}

従来型負荷の総所有コストには、負荷の初期購入以外にも多くのコストが含まれます。

従来型負荷は、より多くの電気使用量を意味します。電気使用量が増えると、追加のテストステーションをサポートするために電気システムのアップグレードが必要になる場合があります。新規にステーションを設置するたびに大量の廃熱が発生するため、新規の空調設備や水冷冷却装置の接続ポイントなど、施設の変更が必要になる可能性があります。さらに、冷却システムは、増加する廃熱を処理するためにアップグレードや地方自治体からの許可が必要になる場合があります。これらのコストおよびその他のコストはすべて、単純な廃熱除去に関連する可能性があります。

一方、回生は電力を廃熱に変換するのではなく、施設またはUUTに電力を戻します。また、従来の空冷式および水冷式負荷には、定期的なメンテナンスサイクル、年次検査、毎日の冷却装置の記録管理を考慮すると、隠れた運用コストもかかります。さらに、冷却システムは、ピーク効率で稼働し続けるための年次保守を実行している間は、利用できない場合があります。この運転停止中は、テストが中断される可能性があります。

NIは、DCおよびAC負荷用に特別に設計された回生負荷を提供しています。各負荷はモジュール式であるため、将来のより高いテスト電力のニーズに合わせて、拡張または並列使用することで対応できます。このモジュール式負荷設計は、テストの柔軟性を最大限に高め、比類のない構成オプションと将来の拡張性を提供します。

ACおよびDC回生負荷には、NHR-9200中電圧DCバッテリモジュールサイクラとエミュレータ、NHR-9300高電圧DCバッテリモジュールサイクラとエミュレータ (高電圧DC負荷付き)、NHR-9430回生AC負荷 (4象限AC負荷付き) が含まれます。さらに、NHR-9410回生グリッドシミュレータシステムは、商用電圧をシミュレートし、グリッドに接続されたインバータによって供給される電力を回生する特殊な双方向電源です。

回生負荷には、高度な内蔵デジタル測定システムが含まれており、電圧、電流、電力、エネルギー (Ah/kWh) の測定がすぐに行なえます。さらに、すべてのモデルには波形キャプチャ機能が含まれており、詳細な解析用に電力関連イベントを高い解像度でキャプチャできます。

^{図4:NHR-9300システムでは、2つの100 kWバッテリを同時に充放電するのに必要な電力は17 kW未満。}

AC製品とDC製品は両方とも双方向であるため、同じ内部電子回路を使用して電力の流れを反転できます。たとえば、NHR-9300高電圧DCバッテリパックサイクラとエミュレータは、回生負荷または充電システムとして動作できます。また、バッテリ関連製品をテストするために、バッテリをエミュレートすることもできます。さらに、NHR-9430回生AC負荷は真の4象限AC負荷として機能し、電力の流れを反転してソーラーインバータまたはエネルギー貯蔵システムをエミュレートすることができます。最後に、多層の独立したUTT安全機能により、環境やオペレータエラーによる破損を防ぎます。安全制限を超えると、テスト装置は遮断され、UUT出力はフェイルセーフとして切断されます。

回生によるエネルギーの節約により、標準の負荷や電源とは異なり、高電力のテストが可能になります。図4に示す、2つのバッテリ構成を考えてみます。ここでは、1つのバッテリを100 kWで放電し、もう1つのバッテリを100 kWで充電します。必要な施設電力の合計は17 kW未満で、損失のみを補い、1つのバッテリを充電するのに必要な電力よりも大幅に少なくなります。

広範なアプリケーションがあり、ACおよびDC回生テスト装置およびテストシステムは、以下をサポートするように設計されています。

• バッテリテスト
• 充電器
• 電気自動車 (EV)
• 車両からグリッド (V2G)
• フロー電池
• 燃料電池
• マイクログリッドのテスト
• スーパーキャパシタ

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