En fonction de la manière dont cela est appliqué, les informations sur le transformateur/moteur peuvent être considérées comme inutiles. Cela est dû au fait que le transformateur, qui est connecté au moteur par une connexion directe, n'a pas de cote d'application de transformateur répertoriée correspondant à la plaque signalétique du moteur en termes de courant, par conséquent, il ne fournit pas non plus une cote précise du transformateur. La cote d'application du transformateur est en réalité basée sur la quantité de puissance apparente consommée par le moteur en tant qu'onduleur, et il n'y a aucune indication de l'un de ces paramètres sur la plaque signalétique du moteur. Deux paramètres sont nécessaires pour créer une configuration d'onduleur réussie.
En conclusion, la cote sélectionnée pour le transformateur d'alimentation du moteur doit être basée sur le kVA du transformateur plutôt que sur sa cote en kW. Afin de dimensionner correctement le transformateur, trois simulations doivent être réalisées ; la cote kVA du transformateur sera deux fois plus grande que le moteur ayant la cote kVA la plus élevée, et 1,25 fois plus grande que le total des kVA pour toutes les charges connectées au transformateur. Par conséquent, le courant total de charge du moteur ne doit pas dépasser 65% du courant total de charge des transformateurs. Lors du démarrage du moteur, il ne devrait pas y avoir de chute de tension dépassant 80 à 85 pour cent du kVA du rotor bloqué du moteur divisé par le kVA de court-circuit du transformateur utilisé pour démarrer le moteur. Lors de l'utilisation de charges à variateur de fréquence (VFD), un transformateur de type K doit être utilisé, car les transformateurs standard ne peuvent pas gérer les courants harmoniques générés par les systèmes de redressement à six impulsions.
Pourquoi les transformateurs sont évalués en kVA et non en kW
La puissance est mesurée en puissance apparente car le transformateur doit gérer l'ensemble du courant indépendamment de la charge connectée. Les pertes sont principalement dues au courant (perte en cuivre selon le calcul I²R) et à la tension (perte dans le noyau) ce qui n'a pas d'importance si la charge est résistive ou réactive. Dans le cas d'un transformateur de 100 kVA alimentant une charge à un facteur de puissance de 0,8, il fournit 80 kW tandis que le même transformateur fournissant une charge à un facteur de puissance de 0,95 fournit 95 kW de puissance. Le courant est le même, mais le résultat est différent.
C'est pourquoi la charge du moteur doit être convertie en kW avant d'être comparée à la capacité du transformateur. Dans un moteur triphasé :
kVA = √3 × VL-L × I / 1000
Pour une phase, abandonnez le √3. Quoi qu'il en soit, le calcul est la seule chose qui doit être correcte avant que l'une des règles empiriques ne s'applique, et la méthode complète, y compris l'hypothèse du facteur de puissance, est développée dans ce guide pour calculer le kVA pour l'alimentation triphasée.
La raison pour laquelle le terme “ dimensionné selon l'exigence en kVA ” est plus précis qu'il n'y paraît est que la définition inclut une valeur en fonctionnement, une valeur en condition de démarrage et un composant harmonique, et le transformateur doit supporter simultanément ces trois valeurs.
Les quatre chiffres qu'un moteur vous donne
Tout en aval provient de quatre points de données, et trois d'entre eux figurent sur la plaque signalétique. Ce que chacun signifie en termes de puissance nominale est important ici, car les quatre chiffres d'un moteur ne sont pas les mêmes que les quatre sur lesquels un transformateur est spécifié — la différence est expliquée dans cet aperçu de ce que la puissance nominale en kVA d'un transformateur représente réellement.
| Numéro | D'où cela vient | À quoi cela sert |
|---|---|---|
| Puissance nominale (kW ou HP) | Plaque signalétique | Contexte de dimensionnement uniquement — pas la charge du transformateur |
| Courant à pleine charge (FLA) | Plaque signalétique, ou tableaux NEC 430.248 / 430.250 | kVA de fonctionnement, et le dimensionnement du conducteur 125% |
| Facteur de service et efficacité | Plaque signalétique | Demande de fonctionnement réaliste |
| Lettre de code NEMA | Plaque signalétique | kVA de rotor bloqué par cheval-vapeur — la charge de démarrage |
La lettre de code NEMA est celle que les gens ignorent, et c'est celle qui décide de la taille. Elle exprime le kVA de rotor bloqué par cheval-vapeur, et elle varie d'un facteur de sept à travers l'alphabet.
| Lettre de code | kVA de rotor bloqué par HP | Lettre de code | kVA de rotor bloqué par HP |
|---|---|---|---|
| A | 3.15 | J | 7.2–8.0 |
| B | 3.16–3.55 | K | 8.1–9.0 |
| E | 4.6–5.0 | L | 9.1–10.0 |
| F | 5.1–5.6 | M | 10.1–11.2 |
| G | 5.7–6.3 | N | 11.3–12.5 |
| H | 6.4–7.1 | P et au-dessus | 12.6–22.4 |
Le code NEMA G fait référence aux moteurs qui respectent les normes de fabrication NEMA de conception B, car la plupart des moteurs industriels sont également conçus selon ces normes. Le code NEMA A spécifie un moteur qui a un faible courant de démarrage tandis que les codes N et supérieurs classifient les moteurs qui exerceront beaucoup de pression sur les transformateurs conçus en fonction des charges de fonctionnement.
L'équation kVA de rotor bloqué = HP × kVA/HP basée sur le code donnera un kVA dans ce cas de 30 kVA pour un moteur classé à 5 HP de code G, tandis que la charge de fonctionnement exige 6,4 kVA, un facteur de 5, rendant ainsi tous les calculs basés uniquement sur la charge de fonctionnement erronés par ce facteur.
La méthode de démarrage change la réponse plus que la taille du moteur
Le même moteur exécuté de quatre manières différentes présente quatre cas de charge différents au transformateur, et c'est ici que la spécification peut être améliorée sans investir d'argent dans le transformateur.
| Méthode de démarrage | Multiple de FLA | kVA de démarrage approximatif | Compromis |
|---|---|---|---|
| Direct-en-ligne (DOL) | 6–8× | 5–7× kVA en fonctionnement | Couple de décollage complet ; le pire pour le transformateur |
| Étoile-delta | 2–3× | 2–3× kVA en fonctionnement | Réduit le couple de démarrage à environ un tiers |
| Démarreur progressif | 1.5–4× | 2–3× kVA en fonctionnement | Rampe réglable, stress mécanique réduit |
| VFD | 1–1.5× | 1–1,5× kVA en fonctionnement | Les harmoniques imposent un transformateur de type K |
En termes simples, l'installation d'un VFD sur un moteur direct-on-line peut réduire considérablement le besoin de transformateurs et entraîner des coûts qui sont, la plupart du temps, inférieurs à ceux du prochain plus grand transformateur disponible. C'est la raison pour laquelle la technique de démarrage doit être prise en compte lors du dimensionnement, et pas seulement lors du choix du panneau de contrôle.
Le problème vient de la pensée selon laquelle la technologie VFD est un moyen de réduire la taille du transformateur. Bien que la technologie élimine le problème de l'inrush, elle crée le problème des harmoniques. Un transformateur standard de 15 kVA surchauffera en raison des 5ème et 7ème harmoniques bien avant que le transformateur n'atteigne sa capacité nominale. Dans ce cas, un transformateur de type K devrait plutôt être utilisé au lieu d'un plus grand.
Les Trois Règles de Dimensionnement, et d'où elles proviennent
Trois directives sont employées sur le terrain et elles traitent de préoccupations uniques, tandis qu'une bonne conception respecte toutes les trois.
- La directive 2×. Elle stipule que le kVA du transformateur doit être au moins 2 fois supérieur au kVA en fonctionnement du plus grand moteur. C'est la règle factuelle de base sur le terrain qui prend en compte la montée en puissance du rotor bloqué lors d'un démarrage direct, le démarrage simultané des arbres ou des auxiliaires, et l'impédance du transformateur causant une chute de tension avant que le moteur ne commence à tourner.
- La règle 1,25×. Elle stipule que le kVA du transformateur doit être d'au moins 125% de la charge totale en kVA connectée. Cela prévient la surcharge du transformateur si tout est en marche.
- La règle 65%. Elle stipule que le courant à pleine charge du moteur ne doit pas dépasser environ 65% du courant à pleine charge du transformateur.
Prenez donc la valeur la plus élevée des deux ci-dessus et appliquez la règle numéro 3. La règle 2 s'applique dans le cas d'un moteur principal, tandis que la règle 1 s'applique s'il y a beaucoup de petits moteurs.
| Moteur | kVA en fonctionnement (environ) | Règle 2× | Taille de stock pratique |
|---|---|---|---|
| 3,7 kW / 5 HP | ~5 kVA | 10 kVA | 10 ou 15 kVA |
| 5,5 kW / 7,5 HP | ~7 kVA | 14 kVA | 15 kVA |
| 7,5 kW / 10 HP | ~10 kVA | 20 kVA | 20 ou 25 kVA |
| 11 kW / 15 HP | ~14 kVA | 28 kVA | 30 kVA |
| 15 kW / 20 HP | ~19 kVA | 38 kVA | 45 kVA |
| 22 kW / 30 HP | ~28 kVA | 56 kVA | 63 ou 75 kVA |
Prenez toujours la taille standard suivante après cela. La différence de prix entre une taille kVA et la suivante est faible par rapport au coût des transitoires de changement d'outil, des systèmes régénératifs d'accélération/décélération et des futures mises à niveau de moteur.
Exemple travaillé : 5 HP, monophasé, charge à haute inertie
Un moteur monophasé de cinq chevaux (5 HP), 230 volts (V) alimentant un compresseur à piston. En raison de l'inertie des compresseurs, le moteur reste dans l'état de rotor bloqué pendant plusieurs secondes avant de devenir opérationnel.
- Courant de fonctionnement. Le Code national de l'électricité (NEC) Tableau 430.248 spécifie un courant de fonctionnement de vingt-huit ampères (28 A) pour le moteur monophasé de 5 HP, 230 V.
- kVA de fonctionnement. La formule est 230 volts multipliés par vingt-huit (28 A) divisés par 1000 donne kVA égal à six point quarante-quatre (6,44 kVA).
- Vérification de la plaque signalétique. Le Code de l'Association nationale des fabricants électriques (NEMA) est G, ce qui signifie qu'il nécessite cinq point sept à six point trois kVA pour chaque cheval-vapeur. Six (6) kVA doit être choisi comme étant la moyenne.
- kVA du rotor bloqué. KVA égal à cinq HP multiplié par six kVA, ce qui est égal à trente kVA.
- Test sur un transformateur de sept point cinq (7.5) kVA. L'impédance est de quatre point cinq pour cent (4.5%) donc le kVA de court-circuit serait sept point cinq divisé par zéro point zéro quatre cinq égal à cent soixante-sept kVA. La chute de tension est égale à trente divisé par cent soixante-sept égal à dix-huit (18%).
- Test sur un transformateur de quinze (15) kVA. Le kVA de court-circuit est quinze divisé par zéro point zéro quatre cinq ce qui équivaut à trois cent trente-trois (333 kVA). La chute de tension est égale à trente divisé par trois cent trente-trois égal à neuf (9%).
- La question de la règle 65% est une question importante. Le courant à pleine charge du transformateur dans le cas d'un transformateur de quinze (15 kVA) est de soixante-cinq ampères (65 A). Le courant à pleine charge du moteur est de vingt-huit ampères (28 A), ce qui signifie qu'il représente quarante-trois pour cent (43%) de l'autre.
Le résultat de la charge en fonctionnement montrait que le transformateur de sept point cinq (7.5 kVA) fonctionne très bien mais que la charge de démarrage nécessite le transformateur de quinze (15 kVA). L'écart entre les deux est le point de base des arguments.
Un avertissement concernant les calculs : la chute de tension peut être calculée en utilisant la formule Vd = (le kVA d'appel divisé par le kVA de court-circuit du transformateur multiplié par 100). Un transformateur ayant une impédance par unité de quatre point cinq (4.5) a une capacité de court-circuit environ vingt-deux fois plus grande que sa capacité, ce qui permet au kVA d'appel de trente (30 kVA) de fonctionner parfaitement bien, en utilisant le transformateur de quinze kVA. Deux transformateurs de la même capacité en kVA peuvent provoquer des chutes de tension différentes en raison des différents taux d'impédance.
Exemple travaillé : 10 HP, Triphasé, sur un VFD
Un moteur triphasé classé à 10 HP, 460 V et 14 A de courant à pleine charge avec un VFD est en fonctionnement.
- La formule pour calculer le kVA en fonctionnement est kVA en fonctionnement = 1.732 × 460 × 14 ÷ 1,000 = 11.16 kVA.
- Lorsque le moteur est démarré en utilisant le VFD, il limite le courant de démarrage à 1-1.5 fois celui du courant à pleine charge, donnant ainsi un kVA de démarrage dans la plage de 11 à 17 kVA.
- La règle selon laquelle un facteur de sécurité de 2× pour les transitoires est suivi, c'est pourquoi 2× 11.16 = 22 kVA est utilisé dans ce cas. Ainsi, le kVA réel du transformateur utilisé sera de 25 kVA.
- Le problème harmonique prendra sa place. Le redresseur à 6 impulsions produit un courant déformé qui a de fortes harmoniques de 5ème et 7ème ordres. Ainsi, le transformateur correspondant doit être classé comme K.
- Il faut s'assurer du fil neutre. Les harmoniques triplen s'accumulent dans le neutre et ne s'annulent pas, donc la classification K correspondante d'un transformateur doit être 200%.
Chute de tension : La contrainte qui décide réellement.
Il est possible qu'un transformateur soit thermiquement suffisant mais ne fonctionne toujours pas correctement en application, car les critères limitants dépendent de la capacité du moteur à faire son travail ou non. Un moteur de conception NEMA B peut tirer de 5 à 7 fois le courant à pleine charge lorsqu'il est bloqué, mais diminue une fois qu'il commence à tourner. Si l'impédance combinée de l'alimentation et du transformateur maintient la tension du moteur en dessous de 80% de la valeur nominale, le couple de rupture échouera et provoquera le blocage du moteur.
Utiliser des options plus douces peut aider à résoudre le problème, étant donné que localiser le transformateur près du moteur réduira la longueur de l'alimentation et diminuera l'impédance totale. Lors de l'augmentation de la taille du transformateur, il est important de réaliser les économies de coûts qui en résultent. De plus, la méthode de démarrage fait également partie des solutions économiques lorsque la méthode de démarrage appliquée est un démarreur progressif (2 à 4 fois FLA) et un VFD (1 à 1,5 fois FLA) utilisés à la place.
Le nombre de chute acceptable est basé sur l'équipement en aval. Les moteurs peuvent subir une chute d'environ 15 à 20 pour cent, qu'ils peuvent supporter. En ce qui concerne un VFD, il trouvera la situation beaucoup plus difficile où la chute de tension est d'environ 10 à 15 pour cent. Par conséquent, dans le cas où le VFD et le moteur utilisent le même transformateur, il est préférable de se conformer à l'exigence plus stricte.
Vérification d'un transformateur que vous avez déjà
La plupart du temps, les projets de modernisation ne commencent pas de zéro. La tâche consiste généralement à déterminer si le transformateur disponible peut prendre un moteur supplémentaire ou non.
- Vérifiez d'abord le kVA et l'impédance de la plaque signalétique (et non leurs valeurs supposées).
- Ensuite, cumulez le kVA en fonctionnement de l'ensemble de la charge du côté secondaire, y compris le nouveau moteur.
- Puis calculez le kVA du rotor bloqué du plus grand moteur selon sa lettre de code de démarrage.
- Procédez au calcul de la chute de tension selon le kVA de court-circuit du transformateur.
- Ensuite, vérifiez si la règle de courant 65% est respectée pour la charge totale conduite.
- Enfin, vérifiez la marge thermique au cycle de service anticipé, pas seulement à un seul endroit.
Lorsque la réponse est limite, vous pouvez décider de prendre l'une des trois mesures possibles : changer la méthode de démarrage, installer un transformateur séparé pour le nouveau moteur, ou accepter de travailler sous une charge réduite. Ce que vous ne pouvez pas faire, c'est supposer que le transformateur actuel a une capacité de réserve simplement parce qu'il n'a pas encore échoué — les types de dégradation de l'isolation sont imperceptibles, mais le résultat suit généralement lors de la prochaine saison chaude. La version formelle de cette évaluation est exposée dans cette méthode pour déterminer si un transformateur répond aux exigences de capacité.
Marge thermique et règle des 80%
Les transformateurs sont généralement opérés à environ 80% de leur capacité nominale pour un fonctionnement continu, ce qui permet des variations dans les conditions ambiantes, les pertes harmoniques et les surcharges occasionnelles. C'est l'essence de la “règle des 80%” de conception des transformateurs.
Cette règle est plus pertinente lorsqu'il s'agit de moteurs que de charges continues, comme dans le cas des moteurs. Le fonctionnement des charges de moteur consiste en des cycles. Par exemple, un outil machine fonctionne avec une charge de 60% en moyenne, tandis qu'il y a des pics de 150% lors d'une coupe lourde ; un compresseur fonctionne à 100% jusqu'à ce que le réservoir soit rempli, puis il fonctionne au ralenti. Ainsi, tous les scénarios ci-dessus ne peuvent pas être décrits par un seul paramètre mathématique. C'est pour cette raison que le mode cyclique détermine généralement une meilleure ingénierie thermique plutôt que la puissance en kVA — il est accompagné d'une augmentation de température plus faible, d'un refroidissement amélioré et de la conception de l'enroulement du moteur adapté à un fonctionnement cyclique. D'où provient cette marge et comment elle est construite est couvert dans cette note sur l'amélioration de la capacité de surcharge et de la stabilité des transformateurs.
La marge d'achat par diminution de l'impédance a également ses limites. Réduire l'impédance diminue la chute de tension, mais d'autre part, cela augmente le courant de court-circuit au secondaire, augmentant ainsi la puissance de chaque appareil dans les circuits suivants. L'équilibre est généralement atteint quelque part autour de 4–6% dans le cas des transformateurs de distribution de type sec.
Que mettre dans la spécification
Un transformateur d'alimentation de moteur capable de faire face aux occurrences de la vie réelle devrait se composer des éléments suivants :
- Puissance en kVA calculée en utilisant les trois règles et arrondie à la puissance de tension disponible la plus proche.
- Tension primaire et secondaire et plage de prises nécessaires.
- Impédance explicitement indiquée — 4% ou 6% change considérablement le calcul de la chute de tension.
- Groupe vectoriel et mise à la terre correspondant à l'entraînement et à l'arrangement de mise à la terre.
- Facteur K dans le cas de tout VFD utilisé — K-4 comme minimum, et K-13 pour les charges dominantes par entraînement.
- La spécification de la classe d'isolation et de l'augmentation de température réalisée avec une isolation de classe H et une augmentation de grade F ou B dans le cas d'un service de moteur cyclique impliqué.
- La puissance neutre doit être fixée à 200% pour les unités classées K.
- Déclaration de service et de surcharge faite pour tout autre chose que la plaque signalétique.
Deux éléments ici sont très souvent omis. Le premier élément est l'impédance qui est laissée au fournisseur, de sorte qu'un changement important dans l'opération de démarrage se produise. Le deuxième élément est le facteur K qui a été manqué en raison du fait que le variateur a été spécifié par une autre personne séparément du transformateur six mois plus tard.
Pour un variateur de moteur basse tension sur une alimentation de 6-10 kV, il s'agit généralement d'un type sec en résine coulé, car il est situé dans une salle de machines et ne transporte pas d'huile dans le bâtiment. Les classifications, la construction des enroulements et les options d'enveloppe pour cette classe d'unité sont énoncées dans ce gamme de transformateurs de distribution de type sec en résine coulé pour un service de 6 à 10 kV.
FAQ
Quelles sont les tailles standard en kVA pour les transformateurs ?
Deux formes d'échelle sont en usage. La méthode IEC suit une méthode R10 d'environ 25% pour chaque incrément, qui sont des valeurs acceptables de 100, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1 000, 1 250, 1 600, 2 000 et 2 500 kVA. La méthode nord-américaine suit 15, 30, 45, 75, 112,5, 150, 225, 300, 500, 750, 1 000, 1 500, 2 000 et 2 500 kVA. Il existe des dispositifs basse puissance sur les deux échelles de 10 à 50 kVA, rendant impossible le contrôle de la plage possible sur différents marchés avec la même exigence : par exemple, le niveau 45 kVA peut être indiqué dans une région, tandis que dans une autre – à 50 kVA.
Pourquoi les transformateurs sont-ils dimensionnés en kVA ?
Parce que le courant ne connaît pas le transducteur de charge est directement affecté par le courant instantané avec le temps et la tension ; ce qui signifie cela aussi. Dans la préoccupation principale de toutes les classifications, tous les kVA sont la puissance apparente statutaire de la classification de l'équipement sans condition de surchauffe. Lorsqu'on compare les classifications de tout moteur et transducteur, c'est aussi la raison idéale pour laquelle la classification en kW du moteur doit être convertie en kVA.
Quelle classification en kVA est requise pour un transformateur ?
Quelle est la règle 80% pour les transformateurs ?
La pratique standard est que lorsqu'un transformateur fonctionne en continu, il ne doit pas être chargé à plus de 80% de sa classification en kVA ; moins de 80% du kVA nominal permettrait une marge suffisante pour des températures ambiantes extrêmes (la température standard étant considérée comme 30 °C), les pertes harmoniques causées par des charges non linéaires, et les surcharges à court terme. Dans ce cas, cela fait référence à un conseil plutôt qu'à un code, car la véritable limite est la température des enroulements du transformateur, ce qui signifie que la classe d'isolation et l'élévation de température sont aussi importantes que la valeur en kVA.
Références
- NFPA — NFPA 70 Code électrique national, Article 430 circuits de moteur et Tables 430.248 / 430.250
- NEMA — lettres de code du nom de plaque du moteur et classifications du kVA de rotor bloqué par cheval-vapeur
- Eaton — dimensionnement des transformateurs, sélection du facteur K et conseils sur les pertes harmoniques
- Schneider Electric — données de spécification des transformateurs à sec et conseils sur le dimensionnement des charges de moteur
- Electrical Engineering Portal — dimensionnement des transformateurs et calcul de la chute de tension pour le démarrage de gros moteurs
- UL Solutions — transformateurs à sec UL 1561 et classifications de facteur K reconnues
- Commission électrotechnique internationale — série IEC 60076 pour les transformateurs de puissance et IEC 60034 pour les machines tournantes
- Département américain de l'énergie — conseils sur les systèmes de moteurs et l'efficacité des transformateurs
Conclusion
Les transformateurs sont sélectionnés en fonction de leur capacité en kVA, et une attention particulière est portée à la sélection du transformateur approprié qui prend en compte non seulement la taille en kVA du moteur électrique mais aussi son type d'application (comment il sera démarré) et ses caractéristiques de fonctionnement. La nouvelle classification en kVA transformée devrait refléter la valeur totale en kVA du moteur, y compris toutes les sources d'énergie électrique (par exemple, correction du facteur de puissance/pouvoir réactif) et le kVA de rotor bloqué (ou la condition de fonctionnement ‘ pire cas ’). En comparant cela aux moteurs à induction standard, qui utilisent généralement la méthode de remplacement à deux points (pour la classification en kVA et les rotors bloqués), il existe également un autre type de kVA, le courant harmonique basé sur le ‘ facteur K ’ d'un VFD. Lors du calcul de la capacité en kVA, nous devons également prendre en compte une chute de tension, car cela peut se produire (malgré le fait que le transformateur soit thermiquement capable) et pourrait entraîner une tension terminale insuffisante pour démarrer le moteur. Cela s'applique aux moteurs électriques allant de 5HP à 500HP ou plus.