Si vous entrez dans une installation de production de nos jours, vous seriez surpris par le nombre de sites de travail qui utilisent des transformateurs. La ligne d'alimentation de 20 kV arrive directement dans un transformateur de 2 000 kVA ; dans la salle de contrôle, il y a un transformateur de 500 kVA qui fournit de l'électricité pour les dispositifs de contrôle et de protection par relais ; sur le sol de l'atelier, il y a les soi-disant transformateurs d'isolement placés entre les entraînements et les équipements de pesage ; au premier étage, vous pouvez voir un transformateur de 160 kVA qui s'assure que les systèmes de gestion des incendies et des bâtiments fonctionnent correctement ; et dans le laboratoire, un transformateur d'isolement triphasé est responsable du bon fonctionnement de tout l'équipement de test. Ainsi, de nombreux transformateurs sont utilisés dans cette seule installation en même temps, même si la plupart des personnes en maintenance les considèrent comme “ une seule chose ”.
La technologie d'automatisation industrielle implique l'utilisation de plusieurs formes de transformateurs en parallèle - principalement des types de transformateurs qui fournissent l'alimentation, des transformateurs de distribution, ainsi que des transformateurs également utilisés pour l'isolement des processus d'entraînement et de traitement thermique, des transformateurs de sécurité qui sont couramment appliqués dans l'éclairage, etc. En termes de prix, nous pouvons commencer à partir de 1 200 pour un petit transformateur de contrôle, et constater que son coût peut atteindre 80k pour l'unité d'entrée de 10 à 60 MVA utilisée. Chaque produit nécessite certaines considérations concernant les caractéristiques telles que la mise à la terre, la classification harmonique, ainsi que les mesures de protection, ainsi choisir soigneusement le bon produit pour chaque cas particulier constitue l'une des décisions d'ingénierie les plus rentables possibles.
Cartographie des rôles des transformateurs dans une usine d'automatisation
Il est utile de dessiner la disposition de l'alimentation d'une usine automatisée régulière avant de passer à autre chose. L'agencement de la structure s'étend de l'entrée de l'utilitaire jusqu'à la plus petite charge de processus.
| Couche d'alimentation | Transformateur typique | Puissance | Rôle principal |
|---|---|---|---|
| Entrée / connexion au réseau | Transformateur principal (immergé dans l'huile ou de type sec) | 1–60 MVA | Réduction de 20 à 110 kV à la tension de distribution de l'usine |
| Distribution au sein de l'usine | Transformateur de distribution | 500–2 500 kVA | Alimente les tableaux de distribution et les MCC à 0,4–0,69 kV |
| Alimentation des entraînements et des machines | Transformateur d'isolement / d'entraînement | 50–2 000 kVA | Alimente les VFD, les convertisseurs et les centres de contrôle de moteurs |
| Instrumentation et contrôle | Transformateur de contrôle, enroulement blindé | 10–160 kVA | Alimentation propre et isolée pour les PLC, les instruments et les panneaux |
| Services auxiliaires | Transformateur de sécurité / d'éclairage | 10–100 kVA | Éclairage, CVC, systèmes d'incendie sur une alimentation protégée |
| Processus spéciaux | Transformateur redresseur, four ou transformateur à décalage de phase | 500 kVA–50 MVA | Électrolyse, chauffage et charges de convertisseur |
Pourquoi la cartographie est-elle importante ? Cela est dû à l'impact que chaque couche a en cas de défaillance. Une panne d'une unité d'entrée principale arrête les opérations d'une usine ; une défaillance d'un transformateur de contrôle peut ne pas produire d'effet évident mais néanmoins conduire à des lectures de processus erronées ou à la chute d'un rack PLC clé ; tandis qu'une défaillance d'un transformateur d'isolement permet au bruit de contaminer le pesage, ce qui peut entraîner le rejet d'une production quotidienne.
Transformateurs d'entrée principaux
Le transformateur principal connecte l'installation au réseau électrique, ajustant généralement les niveaux de tension de 20–110 kV à 6-11 kV ou 0,4–0,69 kV. Les spécifications principales qui guident la conception des usines d'automatisation incluent les éléments suivants :
- Impédance : 6-10% est la valeur moyenne pour les transformateurs d'entrée qui doivent limiter le niveau de courant de court-circuit et se conformer aux spécifications des appareils en aval.
- OLTC : Le changeur de prises sous charge est indispensable dans les unités de plus de 10 MVA ; pour une puissance inférieure, il est tout de même recommandé.
- Surveillance : Il y a également une demande croissante pour la surveillance des niveaux de DGA et de température en raison de l'importance de l'unité.
En ce qui concerne les coûts spécifiques des transformateurs, le modèle de 5 MVA, 35/10 kV aura un prix variant entre $60,000-$120,000 ; le coût pour le modèle de 20 MVA, 110/10 kV variera entre $180,000-$400,000. Lors du lancement d'un tel transformateur, il est nécessaire de réaliser des essais sur site d'abord conformément à la norme IEEE C57.12.90.
Transformateurs de contrôle et auxiliaires
Les transformateurs de contrôle et de sous-station sont la force invisible derrière l'automatisation dans l'industrie. Ils fournissent de l'énergie aux racks PLC, aux armoires DCS, à l'installation d'instruments et de vannes solénoïdes, et au fonctionnement des réseaux électriques. Leurs exigences fondamentales sont la conception simple et continue de l'unité de contrôle.
- Enroulement blindé ou à écran électrostatique : minimise le couplage du bruit en mode commun aux électroniques de contrôle ;
- Régulation : généralement conçue pour une régulation de tension de 3 – 5% à 100% de charge afin que les alimentations de puissance PLC aient une tension fiable à l'entrée ;
- Enveloppe : IP54 – IP65, fréquemment monté sur des murs ou occupant des compartiments séparés.
Les transformateurs de contrôle suivent la norme IEC 61558 pour la sécurité des transformateurs de puissance, des équipements d'alimentation et des réacteurs au lieu de réaliser des tests approfondis basés sur la norme IEC 60076. Ces dispositifs sont produits dans une plage de 10-160 kVA et offrent un prix inférieur de $1200 pour une unité de transformateur de 15 kVA jusqu'à $8000 – $12000 pour un transformateur de qualité panneau avec une capacité de 160 kVA.
Transformateurs d'isolement pour entraînements et instruments
Les transformateurs d'isolement sont utilisés dans deux fonctions uniques qui peuvent souvent être confondues. La première est l'isolement d'entraînement, donc le transformateur est installé entre l'alimentation et l'entraînement à fréquence variable (VFD) ou le convertisseur. La seconde est l'isolement d'instrumentation, ce qui signifie que le transformateur agit pour protéger les circuits de mesure des boucles de terre et des perturbations de bruit.
| Taper | Application | Exigence clé | Évaluation typique |
|---|---|---|---|
| Transformateur d'isolement de moteur | Entre l'alimentation et l'entrée VFD | Gère les harmoniques, les courants d'appel élevés, les commutations à vide | 100–2 000 kVA |
| Transformateur d'isolement d'instrument | Alimente les circuits PLC, de pesée, d'analyse | Enroulement blindé, faible capacité, régulation stricte | 1–50 kVA |
| Transformateur classé K-factor | Charges lourdes d'entraînement | Classification K-4 à K-20 pour le courant harmonique | 150–1 500 kVA |
L'un des problèmes courants dans le domaine de l'instrumentation est que les transformateurs d'isolement avec une puissance inférieure à 5 kVA reçoivent des spécifications identiques à celles des transformateurs de moteur, exposant ainsi les circuits délicats aux interférences en mode commun. La solution à ce problème consiste à demander un enroulement blindé ayant une capacitance inférieure à 0,001 µF entre le primaire et le secondaire, une solution qui augmente le prix de l'unité de 10–20% mais élimine la plupart des problèmes associés aux instruments liés aux boucles de terre.
Transformateurs à usage spécial dans les lignes de production
Certaines applications d'automatisation nécessitent des unités de transformation au-delà de la distribution conventionnelle. Les plus typiques dans les installations d'aujourd'hui incluent :
- Transformateurs redresseurs pour le placage électrolytique, l'anodisation et la formation de batteries, fournissant de l'énergie à des redresseurs à thyristors ou à diodes, résistant à de fortes distorsions harmoniques ; ils varient de 0,5 MVA à 10 MVA et coûtent $18000 à $120000.
- Transformateurs de four pour des processus de chauffage par induction ou par résistance, capables de délivrer un courant élevé à basse tension ; un transformateur de four de *2 MVA* est tarifé entre $40000 et $90000.
- Transformateurs à décalage de phase destinés à des convertisseurs multi-pulses considérables (redresseurs 12/24-pulses), en raison de l'annulation des 5ème et 7ème harmoniques, coûtant entre $30000 et $150000.
- Transformateurs servo et transformateurs d'isolement de mouvement utilisés dans de vastes installations d'emballage et robotiques qui sont généralement de petite taille (5-50 kVA) mais ont des critères d'immunité transitoire stricts.
Chaque type a sa propre norme régissant les procédures d'essai pour les transformateurs ; généralement, les transformateurs redresseurs doivent répondre aux exigences de la norme IEC 61378-1 tandis que les transformateurs de four doivent généralement répondre au schéma de certification de l'entreprise basé sur la norme IEC 60076. La principale demande pour l'ingénieur en automatisation est que le fournisseur de transformateurs doit être introduit tôt, car ces éléments ont des délais de livraison longs (10-24 semaines) et sont presque impossibles à substituer par un équipement standard pendant la phase de mise en service.
Comparaison des applications de transformateurs
Le tableau ci-dessous explique comment la même usine utilise les caractéristiques de base complètes des transformateurs pour différentes fonctions dans le processus de production complet.
| Caractéristique | Prise | Distribution | Isolement de conduite | Contrôle / Instrument |
|---|---|---|---|---|
| Puissance typique | 1–60 MVA | 500–2 500 kVA | 100–2 000 kVA | 1–160 kVA |
| Tension primaire | 20–110 kV | 10–35 kV | 4–0.69 kV | 4 kV |
| Impédance | 6–10% | 4–6% | 4–8% | 2–5% |
| Gestion harmonique | Limité | Limité | Élevé (facteur K) | N/A (blindé) |
| Norme clé | IEC 60076 | IEC 60076 | IEC 60076 + IEEE 519 | IEC 61558 |
| Impact de la défaillance | Arrêt de l'usine | Panne de zone | Arrêt de ligne | Dégradation du contrôle |
| Prix typique (USD) | $60,000–$400,000 | $9,000–$38,000 | $4 000–$22 000 | $1,200–$12,000 |
En regardant le tableau, nous pouvons voir la logique de conception. L'impédance et la redondance de protection sont plus élevées pour les couches associées à des processus critiques ; les couches sensibles bénéficient d'un blindage et d'un meilleur contrôle ; tandis que les couches qui traitent une quantité significative d'harmoniques utilisent également le facteur K et des conceptions spéciales. Il convient de souligner qu'il n'existe pas de “transformateur standard” idéal qui puisse être utilisé dans tous les cas.
Guide de spécification par application
- Entrée : Indiquez le OLTC, 10 MVA ou plus, avec une impédance allant de 6-10%, ainsi que la vérification que les caractéristiques DGA et le certificat de test IEC 60076 sont disponibles.
- Distribution : Assurez-vous que le kVA correspond à la demande de 15 minutes à une charge électrique de 60-80% tandis que le type d'équipement est soit un transformateur extérieur immergé dans l'huile, soit un transformateur intérieur de type sec.
- Isolation de conduite : Réduisez ou appliquez la classification K pour un cas où la charge du VFD dépasse 30% et fournissez également des réacteurs d'entrée conformément à l'IEEE 519.
- Contrôle : Utilisez un enroulement blindé de faible capacité de couplage et validez que la régulation de tension se produit pendant la pleine charge.
- Instrumentation : Exigez un design à faible bruit, différents points de mise à la terre, ainsi qu'une immunité aux transitoires conformément à l'IEC 61000-4-4.
- Processus spéciaux : Travaillez avec tout fournisseur dès le début de la phase de conception et assurez-vous d'un délai de livraison de 10 à 24 semaines.
Plages de prix par application
| Application | Puissance | Prix typique (USD) | Délai de livraison |
|---|---|---|---|
| Transformateur de sécurité / d'éclairage | 10–100 kVA | $900–$4,500 | 2–6 semaines |
| Transformateur de contrôle (blindé) | 15–160 kVA | $1,200–$12,000 | 4–10 semaines |
| Transformateur d'isolement de moteur | 200–2,000 kVA | $4 000–$22 000 | 6–14 semaines |
| Transformateur de distribution | 500–2 500 kVA | $9,000–$38,000 | 8–16 semaines |
| Transformateur redresseur | 500 kVA–10 MVA | $18,000–$120,000 | 12 à 24 semaines |
| Transformateur d'entrée principal | 5–60 MVA | $60,000–$400,000 | 16–40 semaines |
Les prix dépendent des spécifications, des marques et d'autres détails, donc les valeurs mentionnées ci-dessus sont des estimations pour établir un plan pour des transformateurs conformes à l'IEC 60076. Les transformateurs sur mesure doivent être protégés par les règles contractuelles, il est donc courant d'inclure une clause de dommages-intérêts pour les livraisons retardées.
Meilleures marques et comparaison des prix
En général, lors de la sélection des fournisseurs de produits d'automatisation industrielle, les acheteurs utilisent deux critères pour évaluer les fournisseurs de transformateurs : l'ingénierie produit et le coût. Les prix figurant dans le tableau se réfèrent à un transformateur typique – transformateur de distribution de 1,000 kVA, 10/0.4 kV, bien que les prix des transformateurs uniques soient beaucoup plus élevés.
| Marque | Pays | Forces pertinentes pour l'automatisation | Prix indicatif (USD) |
|---|---|---|---|
| Siemens | Allemagne | Intégration profonde PLC/SCADA, services de jumeau numérique | $15,000 à $27,000 |
| ABB | Suisse | Packages drive-to-transformer, large portefeuille LV/MV | $14,000 à $26,000 |
| Schneider Electric | France | Intégration de contrôle EcoStruxure, résistance des types secs | $13,000 à $25,000 |
| Hitachi Energy | Japon/Suisse | Héritage des transformateurs de puissance, expertise en transformateurs redresseurs | $15,000–$30,000 |
| Eaton | États-Unis | Profondeur des transformateurs de contrôle et d'isolement pour les OEM de machines | $12,000–$24,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Chine | Conformité IEC 60076, gamme complète de types huile/sec/redresseur, OEM | $9,000 à $18,000 |
Les producteurs internationaux de transformateurs réalisent leurs bénéfices en intégrant leurs propres dispositifs. Leurs transformateurs interagissent avec leurs propres entraînements moteurs, équipements de commutation et systèmes de contrôle, économisant ainsi beaucoup de temps sur les projets d'automatisation. Jiangsu Subian Electric Power, en revanche, est un fabricant conforme à la norme IEC 60076 qui propose tous types de transformateurs de contrôle ainsi que de grands systèmes redresseurs à 45-60% des prix établis par les fabricants européens ou américains. En tant que fournisseur d'outils d'automatisation et d'entreprises de fabrication de machines, Jiangsu Subian Electric Power a quelque chose à offrir à ces entreprises, y compris des transformateurs enroulés sur mesure avec impédance et capacité kVA personnalisées.
Questions Fréquemment Posées
Combien de transformateurs une usine automatisée typique utilise-t-elle réellement ?
Les usines de taille moyenne fonctionnent souvent avec 5 à 10 transformateurs, y compris un ou deux transformateurs d'entrée, deux à quatre transformateurs de distribution, ainsi que des transformateurs de contrôle, d'isolement et de sécurité allant de 10 kVA jusqu'à 2,000 kVA en puissance. Les grandes usines de transformation peuvent même atteindre 20 à 40 transformateurs selon la complexité de la ligne de traitement. Cependant, il peut être la première étape de tout programme d'optimisation de suivre tous les transformateurs en fonctionnement.
Quelle est la différence entre un transformateur d'isolement et un transformateur de contrôle ?
Un transformateur d'isolement sert à isoler les circuits pour éviter la possibilité de boucles de terre et de bruit commun dans tout le circuit et peut être utilisé à la fois pour les entraînements et les équipements. Un transformateur de contrôle est une sorte de transformateur d'isolement pour les circuits de contrôle qui est conçu pour servir dans les circuits de contrôle, équipé en interne de blindage, avec une régulation moyenne ne dépassant pas 3-5% et les normes IEC 61558 correspondantes. Tous les transformateurs de contrôle isolent, cependant l'isolement ne signifie pas adéquation pour les applications de contrôle.
Combien coûte un petit transformateur de contrôle ?
On peut acheter un transformateur de contrôle blindé de 15 kVA pour environ $1,200 à $2,500 ; un type de station de travail de 160 kVA coûtera entre $8,000 et $12,000. Le prix dépend du niveau d'isolement, de la classe de régulation, de la protection du boîtier (IP54/IP65), ainsi que du fabricant. Bien que ces montants ne soient pas significatifs par rapport à l'unité d'entrée principale, c'est une protection bon marché, car pour $1,500 un transformateur de contrôle peut économiser des millions en équipements PLC et de contrôle.
Ai-je besoin d'un transformateur K-factor pour mes charges d'entraînement ?
Lorsque la charge d'un VFD dépasse environ 30% de capacité de transformateur, il faut choisir soit une unité K-factor (K-4 à K-20), soit une unité standard déclassée. La présence d'harmoniques provenant des convertisseurs entraîne un échauffement accru des enroulements, et l'utilisation d'une unité classée K-13 coûte 10-25% de plus par rapport aux unités standard, mais prévient les défaillances d'isolation qui peuvent être causées par la surchauffe. Sinon, l'utilisation de réacteurs d'entrée à impédance de 5% pour chaque entraînement permettrait d'utiliser un transformateur standard à la place.
Quel est le délai de livraison pour un transformateur redresseur ou de four ?
Les transformateurs, en particulier les types redresseurs et de four, sont fabriqués sur commande avec des délais de livraison beaucoup plus longs que ceux des transformateurs de distribution standard. Les transformateurs redresseurs et de four sont fabriqués en environ 12 à 24 semaines, tandis que la fabrication des transformateurs de distribution habituels prend 8 à 16 semaines. Étant donné que ces transformateurs alimentent des processus qui ne peuvent pas être retardés lors de la mise en service, ils doivent être planifiés 6 à 9 mois avant le démarrage réel, et le témoignage des tests en usine sera une nécessité contractuelle.
Références
- IEC 60076 série — Transformateurs de puissance — la norme de conception de base et de test pour les transformateurs d'entrée, de distribution et d'entraînement.
- IEC 61558 — Sécurité des transformateurs, réacteurs et produits similaires — régit les petits transformateurs de contrôle et de sécurité utilisés dans les circuits de contrôle.
- IEC 61378-1 — Transformateurs de convertisseur — la norme pour les transformateurs de redresseur et de convertisseur dans les lignes de processus.
- IEEE 519 — Contrôle harmonique dans les systèmes électriques — limites de THD pour les usines à forte charge d'entraînement et base pour la sélection du facteur K.
- IEC 60204-1 — Sécurité des machines : Équipement électrique des machines — exigences pour l'alimentation des transformateurs de contrôle et d'isolation au niveau des machines.
- Normes NEMA pour les transformateurs — évaluations et conseils d'application nord-américains pour les acheteurs industriels.
- Jiangsu Subian Electric Power — site officiel — fabricant de transformateurs conforme à la norme IEC 60076 servant des projets d'automatisation industrielle à l'échelle mondiale.
Conclusion
Dans l'automatisation industrielle, différents types de transformateurs entrent en jeu — on peut trouver des transformateurs remplissant différentes fonctions — d'entrée, de distribution, d'isolation d'entraînement, de contrôle, d'instrumentation et de service de processus spécial, entre autres. Le facteur distinctif entre une conception d'usine réussie et une approche de maintenance réactive pour atteindre les résultats opérationnels souhaités est la capacité de la première à déterminer quel transformateur est prévu pour quel travail, à définir les paramètres de fonctionnement (impédance, efficacité de blindage, performance harmonique et régulation) et à s'assurer que le budget est établi en tenant compte du fait que chaque transformateur présente un risque différent et a un coût différent allant de $1,200 à $400,000 chacun.
Les principaux points à considérer sont les suivants :
- Vous devez documenter tous les transformateurs de l'usine avant de commencer l'optimisation.
- Les transformateurs de contrôle doivent être conformes à la norme IEC 61558 avec des enroulements blindés ; les transformateurs d'entraînement doivent être capables de traiter les harmoniques.
- Utilisez des transformateurs K-factor ou des réacteurs d'entrée lorsque les charges VFD dépassent 30%.
- Soyez prêt à commander des transformateurs de processus spéciaux 6 à 9 mois avant leur besoin et à passer par des tests en usine.
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