Guide de sélection des transformateurs pour usines de ciment : dimensionnement pour les démarrages de broyeurs, les harmoniques et la poussière

Une station de broyage en Afrique de l’Ouest nous a demandé de reprendre le devis d’une unité de 8 MVA le trimestre dernier. L’origine transformateur pour cimenterie avait été commandé sur la base de la charge en fonctionnement de l’usine ; pendant onze mois, il avait fait chuter la tension du réseau suffisamment à chaque démarrage du broyeur brut pour que le démarreur du broyeur refuse de rester enclenché. Personne n’avait mesuré la puissance apparente au démarrage. Tout le monde avait supposé que le transformateur était le problème — ou pire, qu’il n’en était pas la cause.

Le ciment est l’un des rares secteurs industriels où la charge électrique est dominée par une poignée de très gros moteurs qui démarrent sous charge, tournent pendant des mois d’affilée et ne s’arrêtent pratiquement jamais. Un transformateur pour cimenterie transformateur dans cette application remplit deux fonctions simultanément : il supporte une charge continue jour et nuit, et il absorbe les courants de pointe de machines dont la puissance apparente au démarrage est plusieurs fois supérieure à sa propre puissance nominale. Une erreur sur l’une ou l’autre de ces deux composantes se manifeste lors de la mise en service, et non lors des essais en usine.

 

 

 

L’impact d’un profil de charge d’une usine de ciment sur une spécification standard

Une usine de ciment moderne consomme environ 110 à 120 kWh d’énergie électrique par tonne de ciment, et les moteurs électriques représentent la majeure partie de cette consommation — selon les évaluations sectorielles, la charge des moteurs correspond à 65 à 75 % de la consommation électrique de l’usine. La part la plus importante de cette charge concerne la comminution : le broyeur de matières premières, le broyeur de ciment et, sur les lignes les plus récentes, une presse à rouleaux, chacun étant entraîné par un moteur principal de classe 3 à 6 MW.

Le côté demande est d’accord. Une étude du Département de l’énergie des États-Unis sur la consommation d’électricité dans les cimenteries identifie les grands broyeurs comme les plus importantes charges électriques uniques sur site, et note que ces usines fonctionnent généralement en continu pendant plusieurs mois entre deux arrêts. Ces deux chiffres sont déterminants pour la spécification : une usine sans cycle de charge quotidien présente un facteur de charge de 0,8 à 0,9 de sa puissance nominale sur de longues périodes, ce qui constitue une problématique thermique différente de celle d’une usine industrielle dont la charge atteint deux pics par jour. Le contexte sectoriel est suivi sur la Page du secteur du ciment de l’AIE , et les données sous-jacentes relatives aux usines proviennent de l’ Étude de l’industrie cimentière menée par le LBNL/DOE .

Trois grandeurs de spécification sont sous-spécifiées plus fréquemment que toute autre sur les projets liés au ciment : la puissance apparente (kVA) requise au démarrage des moteurs de broyeur, la teneur en harmoniques provenant des variateurs de vitesse des broyeurs, et les conditions réelles d’ambiance et de poussière sur le site. Le reste de ce guide traite chacune de ces trois grandeurs dans l’ordre où elles posent habituellement problème.

 

Dimensionnement autour du démarrage des moteurs de broyeur, et non autour de la puissance active (kW) en régime permanent

La demande de prix habituelle arrive avec la charge connectée en kW et une demande « d’un transformateur adapté ». Cela ne constitue pas suffisamment d’informations pour dimensionner un transformateur pour cimenterie . La puissance apparente au démarrage détermine la chute de tension, et cette puissance apparente au démarrage dépend du courant de blocage, et non de la puissance en fonctionnement.

Prenons un moteur de broyeur brut de 4 MW, 6,6 kV, avec un courant de blocage égal à six fois le courant nominal, un rendement de 0,94 et un facteur de puissance de 0,90. La puissance apparente nominale du moteur est d’environ 4,7 MVA ; ainsi, la puissance apparente au démarrage atteint environ 28 MVA — soit approximativement six fois la puissance apparente nominale du moteur. La chute de tension sur le jeu de barres qui suit peut être estimée par la formule suivante : (puissance apparente au démarrage × impédance % du transformateur) ÷ puissance nominale du transformateur. En négligeant l’impédance de l’alimentation — hypothèse valable uniquement pour une source réseau rigide — le calcul devient le suivant :

Puissance nominale du transformateur	Impédance	Chute approximative sur le jeu de barres lors du démarrage d’un broyeur de 28 MVA	Interprétation pratique
6 MVA	7.5%	35%	Le démarreur du broyeur ne maintient pas la fermeture ; la protection du moteur déclenche
10 MVA	7.5%	21%	Limite — nécessite un démarrage à tension réduite ou un démarrage progressif
16 MVA	8.0%	14%	Fonctionne avec une source stable ; vérifier le niveau de défaut en amont
20 MVA	8.0%	11%	Démarrage confortable, mais confirmer la tenue au court-circuit

 

Le dimensionnement du transformateur sur un site cimentier débute donc à partir de la liste des moteurs plutôt que du total de la charge connectée. Ces chiffres supposent que le broyeur est le seul gros moteur en démarrage et que la source est suffisamment forte pour être négligée. En pratique, une alimentation publique faible limite la chute de tension, quelle que soit la puissance du transformateur, et la solution devient alors un démarreur progressif, un variateur de fréquence (VFD) ou une étude de démarrage moteur plutôt qu’un transformateur plus puissant transformateur immergé dans l'huile .Chute de tension au démarrage du moteur, courant au rotor bloqué et impédance sont traités plus en détail dans notre guide sur le démarrage des moteurs.

 

Harmoniques : pourquoi la spécification « compatible variateur » s’arrête généralement à mi-chemin

La plupart des lignes de ciment construites ou modernisées au cours de la dernière décennie font fonctionner leurs broyeurs et ventilateurs à l’aide de variateurs de fréquence ; or, un variateur à six pulsations prélève un courant dont la forme d’onde est riche en harmoniques de rang 5 et 7 avant tout filtrage. Ces courants produisent deux effets : ils déforment le réseau électrique de l’usine et génèrent des pertes supplémentaires par courants de Foucault dans les enroulements du transformateur, se manifestant sous forme de points chauds localisés plutôt que sous forme d’une élévation détectable par le thermomètre à huile. La conséquence pour un transformateur pour cimenterie est que la température du point chaud de l’enroulement, et non celle de l’huile en tête du transformateur, devient la condition limitante.

La norme IEEE 519 fixe les limites de courant harmonique mesurées au point de couplage commun ; compte tenu des rapports de puissance de court-circuit habituellement observés sur le réseau électrique d’une usine, la limite de distorsion totale demandée se situe dans la fourchette des chiffres simples — raison pour laquelle une étude d’interconnexion avec le réseau public exigera une conformité mesurée, et non une simple mention d’un indice K revendiqué. harmoniques des variateurs de fréquence sont donc une donnée d’entrée de spécification, et non un problème secondaire.

Des transformateurs à facteur K existent précisément pour cette charge, et ils constituent la réponse standard là où harmoniques des variateurs de fréquence sont présents en grand nombre. Le chiffre du facteur K est la somme, sur tous les ordres harmoniques, du courant harmonique exprimé en valeur relative au carré, multiplié par le carré de son ordre : une composante harmonique de rang cinq à 25 % contribue à elle seule à 0,25² × 5² = 6,25 unités relatives de pertes par courants de Foucault. Les transformateurs de classe K-4, K-9 et K-13 sont conçus de façon que les pertes dans les enroulements et dans le circuit magnétique restent inférieures au gradient prévu pour ce spectre harmonique, et cette désignation est définie dans la norme UL relative aux transformateurs secs.

Pour les grands transformateur immergé dans l'huile transformateurs, une simple indication du facteur K ne suffit pas. La question thermique est traitée en réduisant la puissance nominale de l’appareil en fonction du spectre harmonique réel, conformément à la norme IEEE C57.110, et en demandant au fournisseur de fournir des calculs détaillés des pertes harmoniques plutôt qu’un simple suffixe sur la plaque signalétique. Lorsque le spectre est sévère, la solution technique la plus économique consiste souvent à intervenir en amont : configuration à douze impulsions, variateur à interface active (active front end), ou banc de filtres désaccordés sur le bus d’alimentation des variateurs.

 

Poussière, chaleur et refroidissement : les conditions du site qui déterminent l’enceinte

L’élévation de température du transformateur est spécifiée par rapport à une température ambiante maximale de 40 °C selon la base habituelle IEC 60076. Dans les usines de ciment du Golfe, du Sahel et de certaines régions d’Asie du Sud, la température à l’ombre atteint couramment 45 à 50 °C, tandis que la chaleur rayonnante émise par les fours rotatifs et les tours de préchauffage s’ajoute à la charge locale. Au-dessus de la température ambiante de référence, l’appareil doit être déclassé ou commandé avec un gradient de conception inférieur : la même puissance nominale entraînerait tout simplement une température de fonctionnement plus élevée et un vieillissement accéléré.

La poussière constitue la seconde moitié du problème, et il s’agit d’abord d’un problème de refroidissement, avant d’être un problème de propreté. La poussière de ciment et de matière première est fine, alcaline et légèrement conductrice dès lors qu’elle absorbe de l’humidité, ce qui provoque des courts-circuits le long des parcours de fuite autour des traversées isolées et des boîtiers de bornes. Elle obstrue également les interstices des parois ondulées des cuves et des ailettes des radiateurs, là où une grande partie transformateur immergé dans l'huile dissipe la majeure partie de sa chaleur. Une unité à refroidissement forcé dotée de filtres obstrués perd entièrement sa classification « refroidissement forcé » et retombe à sa classification « refroidissement naturel » au moment précis où l’installation fonctionne à pleine charge.

Ce qui se traduit, au stade des spécifications : un espacement plus large entre les ailettes ou les éléments du radiateur dans les zones très poussiéreuses, des armoires de raccordement IP54 ou supérieure, des joints et des garnitures étanches conçus pour résister à la poussière alcaline, ainsi qu’un indicateur permanent de pression différentielle sur tout banc à refroidissement forcé afin que l’équipe d’entretien puisse détecter le colmatage des filtres avant qu’il n’entraîne une perte de capacité. Lorsqu’un transformateur sec est installé à l’intérieur d’une salle de commande (MCC), le choix de l’armoire suit la même logique : filtration, étanchéité et planification des intervalles de nettoyage. Transformateurs spécifiés pour des sites chauds et poussiéreux suivent un ensemble de règles comparable.

 

Certifications et preuves d’essais exigées lors de la FAT

Pour les projets de ciment en Amérique du Nord, la question de la certification est tranchée avant celle de la performance, car l’inspecteur arrive avec une liste. Les transformateurs à liquide et les transformateurs secs doivent porter la mention d’homologation appropriée à leur catégorie ; les sites canadiens exigent des marques CSA ou une équivalence reconnue, tandis que les marchés conformes à la norme IEC relèvent de la norme IEC 60076, la partie IEC 60076-11 s’appliquant spécifiquement aux transformateurs secs. Les exigences générales et les méthodes d’essai pour les transformateurs immergés dans un liquide sont définies dans les normes IEEE C57.12.00 et IEEE C57.12.90.

Au-delà de cette étape, les essais d’acceptation en usine déterminent si un projet de ciment respecte ou non son calendrier de mise en service. Les essais de base portent sur le rapport de transformation, la polarité, la résistance des enroulements, les pertes à vide, les pertes en charge, l’impédance, les essais de tenue en tension appliquée et induite, ainsi que l’élévation de température et les essais d’impulsion (essais de type). Deux compléments méritent une journée supplémentaire dans la salle d’essais : un rapport mesuré d’élévation de température lié à la température ambiante sur site — et non une déclaration générique à 40 °C —, et une analyse par réponse en fréquence effectuée avant expédition, afin de détecter tout dommage survenu pendant le transport par comparaison sur site, plutôt que de le discuter a posteriori.

 

Comment nous construisons et testons les transformateurs destinés aux applications cimentières

Ryan Electric fabrique des transformateurs de distribution et de puissance depuis 2007, à partir d’une base de production de 120 000 m² équipée de plus de 180 ensembles d’équipements de fabrication et d’essai, et détient 37 brevets. Depuis 2023, l’entreprise entretient un partenariat en coentreprise avec Eaton. Les transformateurs destinés aux applications cimentières sont produits sur les mêmes lignes que ceux destinés aux réseaux publics et aux centres de données, en aussi bien transformateur immergé dans l'huile et construction sèche.

 

 

Sur les projets liés au ciment, nous mesurons systématiquement les pertes à vide et en charge sur chaque unité, plutôt que de citer des valeurs théoriques de conception, et nous évaluons la marge de sécurité pour les pertes harmoniques au cas par cas, en fonction du calendrier d’exploitation des variateurs fourni par le client. Le premier document demandé par nos ingénieurs applications n’est pas la fiche technique du transformateur, mais la liste des variateurs — nombre de variateurs, nombre de pulsations et présence éventuelle d’un broyeur à rouleaux dans le circuit — car ce document détermine, dans cet ordre précis, le facteur K, la classe d’impédance et le système de refroidissement.

Une autre pratique qui permet d’économiser plusieurs semaines lors de la mise en service est l’emballage. Une usine de ciment se situe généralement à l’intérieur des terres, ce qui implique un transport routier ou ferroviaire depuis le port ; les unités sont donc renforcées pour résister aux chocs liés au transport terrestre, l’huile est expédiée dans des fûts étanches pour les puissances supérieures, et l’empreinte SFRA accompagne le rapport d’essai afin que l’équipe sur site dispose d’une référence de comparaison.

 

Passer les commandes en tenant compte de la fenêtre d’arrêt du four

Une usine de ciment ne s’arrête pas pour un transformateur. Elle s’arrête pour un arrêt planifié, et la date de cet arrêt est fixée par la campagne du four, ce qui explique pourquoi le calendrier d’approvisionnement doit être établi à rebours à partir de cette date, plutôt qu’en avant à partir de la commande. dimensionnement du transformateur et la planification des délais d’approvisionnement appartiennent tous deux à ce calendrier.

Envoyez-nous le schéma unifilaire, la liste des variateurs, les conditions ambiantes sur site et la date de l’arrêt planifié, et nous vous fournirons une puissance assignée, une classe d’impédance, une solution de refroidissement et une date. Contactez notre équipe d’ingénierie d’application à l’adresse [email protected] ou au +86-15371760308, et nous calculerons les courants de démarrage et les harmoniques à partir de votre liste réelle de moteurs.

À propos de l’auteur : Ce guide a été rédigé par l’équipe d’ingénierie applicative de Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. (Ryan Transformers), qui conçoit et fabrique des transformateurs immergés dans l’huile et des transformateurs secs pour des clients industriels, des services publics et des centres de données depuis 2007. Les questions spécifiques à un projet concernant le démarrage de broyeur, la dégradation harmonique ou la dégradation liée aux conditions ambiantes sur site sont traitées directement par l’équipe d’ingénierie à l’adresse [email protected].