Un constructeur de panneaux reçoit un transformateur d'une capacité de 15 kVA. Le transformateur fonctionne à 480 volts et a une connexion monophasée, mais devient un équipement inutile pendant six longs mois après avoir été installé et placé en amont d'un contrôleur logique programmable et de quatre servomoteurs. Après six mois, quelqu'un entreprend une analyse à l'aide d'un multimètre à pince et découvre que 11 ampères de courant harmonique triplen sont présents sur le conducteur neutre.
La faute ne vient pas du transformateur, car il a été choisi pour être utilisé dans des applications à usage général. Ainsi, c'est le problème qui se produit le plus souvent dans le domaine de l'automatisation industrielle.
Le bon transformateur d'isolement pour l'automatisation industrielle dépend de la charge plutôt que de la tension. Les PLC, l'alimentation de contrôle et d'instrumentation nécessitent un transformateur d'isolement blindé 1:1 (de Hammond Power Solutions, SolaHD, Acme et Rex Power Magnetics), tandis qu'un transformateur d'isolement pour entraînement doit être utilisé du côté ligne des VFD en raison du notchage causé par le processus de commutation SCR. Un transformateur d'isolement classé K est nécessaire si les courants harmoniques sont suffisamment forts pour entraîner une surchauffe des enroulements réguliers. Les puissances varient de 1 kVA pour les circuits de contrôle à 660 kVA pour les entraînements ; les spécifications les plus importantes sont le blindage électrostatique et les facteurs de classement K, et non la puissance en kVA.
Ce que fait réellement un transformateur d'isolement
Chaque transformateur offre une isolation galvanique. Avec deux enroulements partageant un noyau magnétique et sans chemin métallique entre son primaire et son secondaire, les transformateurs de distribution abaisseur sont déjà des dispositifs d'isolement que les acheteurs pensent acheter.
Les transformateurs d'isolement sont étiquetés comme tels en raison d'un blindage électrostatique, fabriqué à partir de cuivre ou de feuille d'aluminium et placé entre les enroulements. Si ce n'était pas pour ce blindage, la capacitance disponible entre les enroulements permettrait à des bruits de très haute fréquence de franchir la barrière. Les transitoires en mode commun présents dans l'électricité se retrouveraient du côté secondaire sous la même forme qu'ils sont venus du côté primaire.
Le blindage empêche cela en transférant l'énergie pour une élimination sûre dans la terre. Il ne fournit pas de filtrage des bruits différentiels, ne régule pas la tension et n'éliminera pas la surtension due à la foudre. On pourrait clairement voir qu'il y a trois dispositifs différents, mais les marques du marché les regroupent tous en un seul produit.
Une description précise d'un tel transformateur d'isolement blindé serait : un transformateur qui ne change pas la tension et la puissance de ce qu'il passe tout en filtrant le bruit en mode commun au-dessus de la fréquence d'environ 1 kHz.
Les quatre devoirs qui sont confondus
| Service | Partie qu'il résout | Spécification clé | kVA typique |
|---|---|---|---|
| Isolement général | Système dérivé séparément, mise à la terre, transition de tension | Groupe vectoriel, prises, impédance | 1–1,000 |
| Isolement blindé | Bruit en mode commun, alimentation d'instrumentation et de PLC | Blindage électrostatique, capacitance au blindage | 0.5–75 |
| Isolement d'entraînement | Notchage de commutation SCR des VFD | Atténuation du notch, enroulement à bande, masse thermique supplémentaire | 5–660 |
| K-classé / harmonique | Chauffage triplen et 5ème/7ème harmonique | K-4, K-9, K-13, K-20, K-30 | 15–500 |
Parmi les quatre méthodes spécifiées, deux sont pratiquement équivalentes à chaque fois. Un transformateur d'isolation pour entraînement doit également être K-classé, car son rôle est d'éliminer le notchage en tant que système, et un système VFD génère à la fois un notchage original et des courants harmoniques. Acheter un transformateur K-classé au lieu d'un qui a été DIT (technologie avancée pour transformateurs d'isolation) vous donne une charge thermique sans correction de notchage. En revanche, acquérir un DIT sans se soucier du facteur K rend la solution de transformateur immergé disponible, mais l'enroulement fonctionnera à des températures excessives.
Les constructions en résine coulé et de type sec prévalent clairement dans ce cas particulier pour une raison simple : il n'y a pas de fuites, pas de voûtes, et la charge de combustion est si faible qu'aucun problème n'est soulevé par les assureurs. Les différences de construction entre les conceptions en résine coulé et les alternatives sont exposées dans cette comparaison de unités SCB13 par rapport aux transformateurs en résine coulé internationaux, ce qui est important lorsqu'un projet mélange des entraînements importés avec des équipements de distribution domestiques.
Quand l'automatisation industrielle a réellement besoin d'un
Il y a cinq situations nécessitant de dépenser de l'argent. Dans tous les autres cas, la question n'est pas discutée.
- Alimentation et instrumentation PLC dans une usine avec beaucoup de bruit. Un transformateur d'isolation 480V-120V est en amont de l'alimentation de contrôle capable d'éliminer toute perturbation en mode commun causée par des machines à souder, des contacteurs et d'autres entraînements. C'est le cas en pratique et cela fonctionne à moins que le filtre n'ait une bonne mise à la terre et que les fils secondaires soient courts.
- Le côté ligne du VFD. Le fonctionnement d'un moteur à six phases entraîne le court-circuit de deux des phases à chaque commutation, conduisant à la formation des tensions en notch qui ont stressé le transformateur en amont mécaniquement et thermiquement. L'application du transformateur a été réalisée de manière à ce que l'utilisation de conducteurs en bande permette de réduire les pertes par courants de Foucault et d'avoir une bonne marge de chauffage.
- Distribution des courants harmoniques. Lorsque le transformateur alimente des groupes d'entraînements, des redresseurs UPS et des pilotes LED, les courants harmoniques résultants chauffent l'enroulement beaucoup plus que prévu, en référence à la puissance kVA du transformateur. Contrairement au transformateur K-classé, la technologie classique peut fonctionner sans être surdimensionnée dans une certaine mesure.
- Commencer à se rapporter au système dérivé. Dans le cas où l'usine a besoin d'un point neutre local ou d'une mise à la terre différente ou souhaite couper le chemin de défaut à la terre, le transformateur doit être utilisé pour atteindre cet objectif conformément à la NEC 250.30.
- Alimentation des dispositifs critiques avec fonctionnement continu. Les puissances autour des salles de données, des salles blanches et d'autres dispositifs sont d'une importance capitale pour toute entreprise. Ce à quoi cela ressemble en pratique, y compris les choix de dégradation et de redondance, est couvert dans cet aperçu de transformateurs de type sec à haute fiabilité pour centres de données, et le raisonnement se transfère directement à une ligne de processus qui fonctionne 8 000 heures par an.
Dimensionnement : L'Arithmétique que la plupart des offres se trompent
La charge dicte le kVA, pas le rapport de tension. Tout d'abord, déterminez la charge totale connectée, calculez toute la diversité qui peut être justifiée, et sélectionnez la taille standard supérieure la plus proche. Dans un transformateur 1:1, le transformateur ne transfère pas le même kVA car les rapports de tension sont égaux. Il transfère simplement le kVA calculé et maintient le niveau de courant égal aux bornes primaire et secondaire puisque la tension sera également la même.
Il manque deux facteurs de correction dans la plupart des devis.
Efficacité. Par exemple, si un transformateur de 15 kVA est connecté à une charge de 14 kW avec un facteur de puissance de 0,85, il pourrait être classé à 16,5 kVA et fonctionner avec une surchauffe. La valeur kVA sur la plaque signalétique devrait être supérieure à la valeur kVA de la charge qui peut différer de la valeur kW de la charge.
Courant d'appel. Lorsque le transformateur est alimenté, il consomme un courant d'aimantation qui peut atteindre jusqu'à 10 fois la valeur nominale pendant plusieurs cycles. Ainsi, selon la norme NEMA ST-1, la sortie du transformateur de contrôle ne doit pas être inférieure à 85% de la valeur nominale pendant le processus d'appel. Pour cette raison, les transformateurs de contrôle sont conçus pour fonctionner en dessous du niveau de flux que les transformateurs de distribution. Si un transformateur de contrôle est alimenté par un transformateur d'isolement, il y aurait à nouveau un courant d'appel, et le disjoncteur en amont le détectera.
Le tableau standard pour les applications d'automatisation a des valeurs de 0,5, 1, 1,5, 2, 3, 5, 7,5, 10, 15, 25, 37,5, 50, 75, 112,5, 150 kVA. Acme produit une gamme de 5 kVA à 660 kVA car dans la plupart des cas, le processus DIT permet d'harmoniser la puissance nominale disponible et les moteurs installés, ainsi les tableaux de sélection sont organisés selon HP et kVA respectivement.
La Fiche Technique qui Prévient les Arguments
| Article de ligne | Écrivez ceci | Pourquoi c'est important |
|---|---|---|
| Écran | Écran électrostatique, cuivre, mis à la terre, amené à une borne | Sans une borne, vous ne pouvez pas vérifier la liaison |
| Facteur K | K-4 ou K-13, déclaré | Non déclaré signifie K-1 par défaut |
| Élévation de température | 80°C, 115°C ou 150°C | 150°C est plus petit et a une durée de vie plus courte |
| Classe d'isolation | Classe 180 (H) minimum | Marge contre le chauffage harmonique |
| Impédance | 4–6% typique, déclaré | Définit le courant de défaut en aval |
| Prises | ±2 × 2.5% sur le primaire | Corrige une alimentation trop élevée ou trop basse |
| Enroulement | Cuivre, conducteur en bande au-dessus de 7,5 kVA | Moins de pertes par courants de Foucault, meilleure résistance au court-circuit |
| Enceinte | Type 1, 3R ou 12, selon les exigences de l'emplacement | Les zones de lavage et extérieures ne sont pas de type 1 |
| Liste | UL 1561 ou CSA C9, numéro de dossier | Les inspecteurs demandent, et les assureurs aussi |
Le plus souvent, la borne de l'écran est ignorée. Même si un écran qui a été relié au noyau ainsi que le noyau qui a fusionné dans l'enceinte peut transporter du courant, il est impossible de mesurer la borne avant de le démonter, ce qui n'est souvent pas fait par beaucoup lors de l'assemblage de la machine.
Le groupe vectoriel mérite également une enquête approfondie. Par exemple, un transformateur delta-wye utilisé pour produire un système dérivé séparément vous donnera un neutre, un décalage de phase de 30 degrés, et définira la façon dont le comportement harmonique fonctionne en fonction de la mécanique du circuit. Cette explication de le transformateur delta-wye et son fonctionnement couvre la partie qui compte lors de la mise en service plutôt qu'en théorie.
Marques et familles de produits à retenir
En Amérique du Nord, quatre noms se démarquent clairement. Cependant, l'un est en réalité un spécialiste établi plutôt qu'une marque de catalogue.
- Hammond Power Solutions, qui est le plus grand producteur de transformateurs à sec en Amérique du Nord, est connu pour des transformateurs typiques tels que des transformateurs à usage général, des transformateurs d'isolation de conduite, des transformateurs à taux K, et des transformateurs personnalisés. L'avantage principal de l'entreprise en automatisation est sa capacité à fournir une gamme complète de transformateurs personnalisés, ce qui est nécessaire lorsqu'un fabricant nécessite une entrée de 575 V et une sortie de 480 V dans une enceinte spéciale.
- Acme Electric (Hubbell) est la principale marque en termes d'isolation de conduite. L'écran électrostatique est une qualité standard de la série DIT et n'est pas une option. Tous les transformateurs de plus de 7,5 kVA contiennent des enroulements en bande, tandis que ceux de 440 kVA et plus utilisent un noyau empilé. L'entreprise travaille sur la production de tels transformateurs depuis l'année 1917.
- SolaHD est un concurrent du même type de transformateur. Cependant, leur produit est encapsulé et ventilé, avec le modèle non ventilé inclus dans ce groupe de produits. Cependant, en termes d'unités de puissance de contrôle, leur équipement encapsulé est beaucoup plus puissant.
- Rex Power Magnetics est entré sur le même marché, cependant, l'entreprise est connue pour ses solutions personnalisées et sa livraison rapide, ainsi que pour les réacteurs et filtres qui sont couramment inclus dans la même enceinte.
Pour les acheteurs s'approvisionnant en volume ou selon une spécification plutôt qu'un numéro de catalogue, le côté fabricant est différent. Subian construit des transformateurs secs en résine coulée jusqu'à moyenne tension, et le gamme de transformateurs secs en résine époxy coulée couvre la classe 10 kV qui alimente une sous-station d'usine avant que quoi que ce soit n'atteigne un panneau d'automatisation de 480 V. Cela se situe en amont de la question d'isolation, n'en fait pas partie, et savoir où se trouve la limite empêche la mauvaise demande d'aller au mauvais fournisseur.
Détails d'installation qui décident de son efficacité
Si un transformateur d'isolement blindé est monté incorrectement, il devient inefficace en raison des caractéristiques de la version non blindée, et les problèmes impliqués sont toujours les mêmes.
Longs fils secondaires. Le bruit est induit dans chaque section de conducteur d'un mètre, rendant possible l'utilisation du blindage du transformateur uniquement pour ce qui se passe à l'intérieur du transformateur. Placez le transformateur suffisamment près de la charge, faites les lignes secondaires aussi courtes que possible, et ne les maintenez pas parallèles aux câbles d'alimentation sur 10 mètres.
Boucles de terre à travers le blindage. D'une part, le blindage doit être mis à la terre dans une zone, ce qui signifie qu'il ne faut pas le faire aux deux extrémités, sinon une antenne en boucle est créée autour du bruit. Le blindage doit être connecté au panneau non pas par un métal peint mais par un conducteur.
Ensuite, les vérifications électriques habituelles. Protection contre les surintensités sur les circuits primaire et secondaire, bond de mise à la terre sur le secondaire si le transformateur crée un système dérivé séparément et l'ensemble complet de mise en service comprenant la vérification de la résistance d'isolement, la vérification du rapport de transformation, la vérification de polarité et le test de charge avant de le remettre au client. La séquence et les valeurs d'acceptation sont énoncées dans ce guide pour tester un transformateur avant mise sous tension, et sauter la vérification du rapport est comment un enroulement inversé atteint un PLC sous tension.
Erreurs qui apparaissent lors de la mise en service
- Commander un appareil 1:1 alors qu'un transformateur abaisseur est requis. Une alimentation de contrôle de 480 à 120 volts est destinée à effectuer des opérations de réduction avec l'avantage de l'isolement ; ce n'est certainement pas un transformateur 1:1. Les clients commandant un transformateur 1:1 avec une alimentation séparée de 120 V finiraient par payer plus et occuper plus d'espace dans le panneau pour atteindre le même objectif.
- Supposer que le blindage s'occupe des boucles de terre. Il élimine le bruit en mode commun, mais ne s'attaque pas à la question de la différence entre deux références de terre.
- Ignorer les sons. Un transformateur installé à l'extérieur du mur de la salle de contrôle, créant 55 dB de bruit, devient un motif de plaintes. La construction du noyau et l'isolement lors du montage reçoivent beaucoup d'attention, mais placer l'unité dans le couloir n'est pas une façon de le concevoir.
- Ignorer la chaleur. Un transformateur avec une puissance nominale de 15 kVA et une efficacité de 97% génère environ 460 W dans l'enceinte. L'enfermer dans un cabinet scellé basé uniquement sur les pertes de conduite fera fonctionner l'équipement 15°C au-dessus des températures attendues.
FAQ
Ai-je besoin d'un transformateur d'isolement 1:1 ou d'un transformateur abaisseur blindé ?
Lorsque la tension de charge est différente, une unité abaisseur avec un blindage est nécessaire au lieu d'une unité 1:1. Si la tension de charge est déjà la même que la tension d'alimentation et que le problème est le bruit en mode commun, l'unité blindée 1:1 est le bon choix. Le terme 1:1 représente le rapport de l'unité et non ses caractéristiques de bruit, et le blindage fonctionne pour la suppression du bruit.
Un transformateur d'isolement protège-t-il contre les surtensions ?
D'une certaine manière, oui. L'inductance réduit les pics de tension brusques, et le blindage empêche les interférences de bruit mais ne fournit pas de protection contre les surtensions et, par conséquent, n'a pas de classification UL 1449 ; les dispositifs de protection contre les surtensions se trouvent au point d'entrée du service, ainsi que dans le panneau du bâtiment.
K-classé ou surdimensionné : lequel est meilleur pour les charges harmoniques ?
La réponse la plus claire est K-classé. Une unité K-13 remplit la nécessité de transporter le courant harmonique tout en maintenant l'élévation de température en dessous de la limite nominale. Lorsqu'une unité K-classée n'est pas disponible dans la taille requise ainsi que dans le délai de livraison, la solution consiste à surdimensionner par un facteur de 1,5 à 2 fois sans aucun effet sur la performance mais avec un impact sur l'espace du panneau pour l'équipement.
Puis-je relier le neutre sur le secondaire ?
En ce qui concerne les transformateurs qui sont des systèmes dérivés séparément, le NEC 250.30 fournit des directives ; il doit y avoir un cavalier de liaison de système connectant le neutre secondaire au conducteur de mise à la terre de l'équipement, soit au transformateur, soit au premier moyen de déconnexion, mais pas aux deux emplacements. Dans les cas où le transformateur n'est pas un système dérivé séparément, le neutre ne sera pas relié au transformateur. Ne pas comprendre cela peut conduire à la création d'un chemin de mise à la terre parallèle et à un défaut de mise à la terre non éliminé.
Références
- Hammond Power Solutions — Catalogue de transformateurs à sec
- Hubbell — Transformateurs d'isolement de conduite Acme Electric
- SolaHD (Emerson) — Transformateurs de qualité et de contrôle de l'énergie
- Rex Power Magnetics — Transformateurs à sec et réacteurs
- NFPA 70 — Code électrique national, Articles 250 et 450
Conclusion
Le meilleur transformateur d'isolement pour un panneau d'automatisation n'est pas nécessairement le plus coûteux. Au contraire, c'est celui qui a des caractéristiques correspondant à la charge : protégé contre le bruit, classé pour la conduite de non-linéarité, K-classé pour les harmoniques, et dimensionné en kVA, plutôt qu'en rapports de tension.
Juste quatre lignes de spécification détermineront si une certaine unité fait quelque chose d'utile. La première est un blindage avec une borne à mesurer. La seconde est que le facteur K est indiqué. La troisième est que l'élévation de température est indiquée. Enfin, c'est la proximité du site de montage à la charge afin que tout potentiel de dysfonctionnement par défaillance de conception soit minimisé.