Guida alla selezione dei trasformatori per impianti cementieri: dimensionamento per l'avviamento dei mulini, armoniche e polvere

Una stazione di macinazione nell'Africa occidentale ci ha chiesto, lo scorso trimestre, di rielaborare il preventivo per un’unità da 8 MVA. L’originale trasformatore per impianto cementiero era stato ordinato sulla base del carico effettivo in esercizio dello stabilimento; per undici mesi, a ogni avvio del mulino per materie prime, la tensione sul bus era scesa così tanto che l’avviatore del mulino rifiutava di rimanere inserito. Nessuno aveva misurato la potenza apparente all’avviamento. Tutti avevano dato per scontato che il problema fosse il trasformatore — oppure, peggio ancora, avevano dato per scontato che non lo fosse.

Il cemento è una delle poche industrie in cui il carico elettrico è dominato da un numero ristretto di motori molto grandi, che avviano sotto carico, funzionano per mesi consecutivi e non entrano mai veramente in regime di riposo. Un trasformatore per impianto cementiero trasformatore per tale applicazione svolge due compiti contemporaneamente: sopporta un carico continuo ventiquattr’ore su ventiquattro e assorbe la corrente di spunto di macchinari la cui potenza apparente all’avviamento è molte volte superiore alla propria potenza nominale. Se si commette un errore su una qualsiasi delle due parti di questa equazione, il guasto si manifesta durante la messa in servizio, non durante le prove in fabbrica.

 

 

 

L’impatto del profilo di carico di un impianto cementiero su una specifica standard

Un moderno impianto di produzione del cemento consuma circa 110-120 kWh di energia elettrica per tonnellata di cemento; i motori elettrici rappresentano la stragrande maggioranza di tale valore: secondo le valutazioni del settore, il carico dei motori corrisponde al 65-75% del consumo elettrico complessivo dell’impianto. La porzione più consistente di tale carico è associata alla comminuzione: il mulino per materie prime, il mulino per cemento e, negli impianti più recenti, una pressa a rulli, ciascuno azionato da un motore principale nella classe da 3 a 6 MW.

Anche la domanda concorda. Lo studio del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti sull’uso di energia elettrica negli impianti di produzione del cemento identifica i grandi mulini di macinazione come i singoli carichi elettrici più elevati presenti sul sito, osservando inoltre che tali impianti operano tipicamente ininterrottamente per mesi tra un fermo e l’altro. Entrambi questi dati sono rilevanti ai fini della specifica tecnica: un impianto privo di un ciclo di carico giornaliero presenta un fattore di carico pari allo 0,8-0,9 della potenza nominale per lunghi periodi, condizione termica ben diversa da quella di un impianto industriale con due picchi di carico giornalieri. Il contesto a livello di settore è monitorato sulla Pagina IEA dedicata al settore del cemento , e i dati della centrale sottostante provengono dallo studio dell'industria del cemento condotto da LBNL/DOE Studio dell'industria del cemento di LBNL/DOE .

Tre grandezze specificate risultano spesso insufficientemente definite nei progetti relativi al cemento più di qualsiasi altra: la potenza apparente richiesta all’avviamento dei motori, il contenuto armonico proveniente dagli azionamenti dei mulini e le effettive condizioni ambientali e di polvere sul sito. Il resto di questa guida analizza ciascuna di esse nell’ordine in cui solitamente causano problemi.

 

Dimensionamento basato sull’avviamento dei motori del mulino, non sulla potenza assorbita in condizioni di esercizio

L’abituale richiesta di offerta (RFQ) arriva con il carico connesso espresso in kW e con la richiesta di «un trasformatore adeguato». Queste informazioni non sono sufficienti per dimensionare un trasformatore per impianto cementiero . La potenza apparente all’avviamento è quella che determina l’abbassamento di tensione, e tale potenza apparente all’avviamento dipende dalla corrente di spunto (locked-rotor current), non dalla potenza assorbita in condizioni di esercizio.

Prendi un motore per mulino grezzo da 4 MW e 6,6 kV con corrente di blocco pari a sei volte la corrente a pieno carico, rendimento 0,94 e fattore di potenza 0,90. La potenza apparente nominale del motore è circa 4,7 MVA, quindi la potenza apparente di avviamento si attesta intorno a 28 MVA — circa sei volte la potenza apparente nominale del motore. L’abbassamento di tensione sul bus che ne consegue può essere approssimato come (potenza apparente di avviamento × percentuale di impedenza del trasformatore) ÷ potenza nominale del trasformatore. Trascurando l’impedenza di alimentazione — ipotesi valida soltanto con un’alimentazione di rete rigida — il calcolo risulta il seguente:

Potenza nominale del trasformatore	Impedenza	Abbassamento approssimativo del bus durante l’avviamento di un mulino da 28 MVA	Lettura pratica
6 MVA	7.5%	35%	L’avviatore del mulino non mantiene il contatto; l’interfaccia di protezione del motore scatta
10 MVA	7.5%	21%	Marginalità — richiede avviamento a tensione ridotta o avviamento graduale
16 MVA	8.0%	14%	Fattibile con una sorgente stabile; verificare il livello di cortocircuito a monte
20 MVA	8.0%	11%	Avviamento confortevole, ma confermare la resistenza al cortocircuito

 

Il dimensionamento del trasformatore in un cantiere cementiero parte quindi dall’elenco dei motori piuttosto che dal totale del carico connesso. Questi valori presuppongono che il mulino sia l’unico grande motore in avviamento e che la sorgente sia sufficientemente robusta da poter essere trascurata. Nella pratica, un’alimentazione pubblica debole limita comunque l’entità dell’abbassamento di tensione, indipendentemente dalle dimensioni del trasformatore, e la soluzione diventa un soft starter, un VFD o uno studio sull’avviamento dei motori anziché un trasformatore più grande trasformatore a immersione in olio .Abbassamento di tensione all’avviamento del motore, corrente di spunto e impedenza sono trattati in maggiore dettaglio nella nostra guida all’avviamento dei motori.

 

Armoniche: perché la specifica compatibile con gli azionamenti di solito si ferma a metà strada

La maggior parte delle linee cementiere costruite o potenziate nell’ultimo decennio fa funzionare i propri mulini e ventilatori tramite azionamenti a frequenza variabile; un azionamento a sei impulsi assorbe una forma d’onda di corrente ricca di armoniche quinta e settima prima di qualsiasi filtraggio. Queste correnti provocano due effetti: deformano il bus dell’impianto e generano ulteriori perdite per correnti parassitarie all’interno degli avvolgimenti del trasformatore, che si manifestano come punti caldi localizzati anziché come un aumento della temperatura rilevabile dal termometro dell’olio. La conseguenza per un trasformatore per impianto cementiero è che la temperatura del punto caldo sull’avvolgimento, non quella dell’olio in sommità, diventa la condizione limitante.

IEEE 519 stabilisce i limiti di corrente armonica misurati nel punto di collegamento comune; per i rapporti di cortocircuito normalmente riscontrabili sul bus di un impianto, il limite di distorsione totale richiesta cade nella fascia ad una sola cifra — motivo per cui, in una verifica di interconnessione da parte del gestore della rete, viene richiesta la conformità misurata, non una semplice dichiarazione di classe K. armoniche degli azionamenti a frequenza variabile sono pertanto un parametro di specifica, non un problema secondario.

Esistono trasformatori con fattore K specificamente progettati per questo tipo di carico e rappresentano la soluzione standard laddove armoniche degli azionamenti a frequenza variabile sono presenti in quantità. Il numero K è la somma, su tutti gli ordini armonici, del quadrato della corrente armonica in valore per unità moltiplicato per il quadrato del suo ordine: una componente armonica quinta al 25 percento contribuisce da sola con 0,25² × 5² = 6,25 per unità di perdita parassitaria. I trasformatori K-4, K-9 e K-13 sono costruiti in modo che le perdite negli avvolgimenti e nel nucleo rimangano entro il gradiente di progetto previsto per tale spettro armonico; la marcatura è definita nello standard UL per trasformatori a secco.

Per unità di grandi dimensioni trasformatore a immersione in olio una semplice classificazione K non costituisce la risposta completa. La questione termica viene affrontata riducendo la potenza nominale dell’unità in base allo spettro armonico effettivo, come descritto nello standard IEEE C57.110, e richiedendo al fornitore di fornire i calcoli delle perdite armoniche anziché limitarsi a indicare un suffisso sulla targhetta. Nei casi in cui lo spettro sia particolarmente severo, la soluzione ingegneristica più economica si trova spesso a monte: una configurazione a dodici impulsi, un convertitore attivo in ingresso oppure un banco di filtri sintonizzati in sottotonalità sul bus degli azionamenti.

 

Polvere, calore e raffreddamento: le condizioni del sito che determinano l’involucro

L’aumento di temperatura del trasformatore è specificato rispetto a una temperatura ambiente massima di 40 °C, secondo la norma IEC 60076. Negli impianti cementieri del Golfo, del Sahel e di alcune zone dell’Asia meridionale, la temperatura all’ombra raggiunge abitualmente i 45–50 °C, mentre il calore irraggiato dalle strutture dei forni e dalle torri dei preriscaldatori incrementa ulteriormente il carico locale. Oltre tale temperatura ambiente di riferimento, l’unità deve essere sottodimensionata oppure ordinata con un gradiente termico di progetto inferiore: con la stessa potenza nominale, infatti, funzionerebbe semplicemente a temperatura più elevata, invecchiando più rapidamente.

La polvere costituisce la seconda parte del problema ed è innanzitutto un problema di raffreddamento, prima ancora che di pulizia. La polvere di cemento e di materia prima è finissima, alcalina e leggermente conduttiva non appena assorbe umidità, pertanto crea cortocircuiti lungo i percorsi di fuga intorno ai passacavi e ai quadri di terminazione. Inoltre, si insinua negli interstizi delle pareti ondulate del serbatoio e delle alette del radiatore, zone in cui una grande trasformatore a immersione in olio dissipa la maggior parte del suo calore. Un’unità raffreddata forzatamente con filtri intasati perde completamente la sua classificazione di raffreddamento forzato e ritorna alla sua classificazione di raffreddamento autonomo nel preciso momento in cui l’impianto funziona al massimo carico.

Ciò si traduce, nella fase di specifica: maggiore distanza tra le alette o tra i radiatori nei siti particolarmente polverosi, involucri di terminazione con grado di protezione IP54 o superiore, guarnizioni e sigilli certificati per resistere a polveri alcaline, e indicazione continua della differenza di pressione su ogni banco raffreddato forzatamente, affinché il team di manutenzione possa rilevare il caricamento dei filtri prima che comporti una perdita di capacità. Quando un’unità in olio è utilizzata all’interno di una stanza MCC, la scelta dell’involucro segue la stessa logica: filtro, sigillo e pianificazione dell’intervallo di pulizia. Trasformatori specificati per siti caldi e polverosi seguono un insieme comparabile di regole.

 

Certificazioni e prove da richiedere durante la FAT

Per i progetti cementieri nordamericani, la questione della certificazione è risolta prima di quella delle prestazioni, poiché l’ispettore arriva con un elenco. Le unità a liquido e quelle di tipo secco devono recare la marcatura specifica per la loro categoria; i siti canadesi richiedono i marchi CSA o un equivalente riconosciuto, mentre i mercati IEC sono regolati dalla norma IEC 60076, con l’IEC 60076-11 applicabile alle unità di tipo secco. I requisiti generali e i metodi di prova per le unità immerse in liquido sono stabiliti nelle norme IEEE C57.12.00 e IEEE C57.12.90.

Oltre la fase di accettazione in fabbrica, il test di accettazione in fabbrica rappresenta il momento in cui un progetto per l’industria del cemento guadagna o perde il proprio cronoprogramma di messa in servizio. I test di tipo standard comprendono rapporto di trasformazione, polarità, resistenza degli avvolgimenti, perdite a vuoto, perdite a carico, impedenza, tensione applicata e indotta, nonché innalzamento di temperatura e prova d’impulso. Due ulteriori verifiche meritano un giorno aggiuntivo nella sala prove: un rapporto misurato sull’innalzamento di temperatura riferito all’ambiente effettivo del sito, anziché una dichiarazione generica basata su 40 °C; e un’analisi della risposta in frequenza (SFRA) eseguita prima della spedizione, in modo da poter rilevare eventuali danni subiti durante il trasporto mediante confronto sul posto, invece di doverne discutere.

 

Come costruiamo e testiamo gli unità per impiego nell’industria del cemento

Ryan Electric produce trasformatori di distribuzione e di potenza dal 2007 presso un impianto produttivo di 120 000 m² dotato di oltre 180 apparecchiature per la produzione e le prove, e di 37 brevetti; dal 2023 intrattiene una partnership paritetica con Eaton. Le unità per impiego nell’industria del cemento vengono realizzate sulle stesse linee produttive destinate ai trasformatori per uso in rete elettrica e nei centri dati, sia in trasformatore a immersione in olio e costruzione a secco.

 

 

Nei progetti su cemento misuriamo le perdite a vuoto e a carico su ogni unità, anziché indicare i valori di progetto, e trattiamo il margine per le perdite armoniche come un calcolo specifico per progetto, determinato dal programma di azionamento del cliente. Il primo documento che i nostri ingegneri applicativi richiedono non è la specifica del trasformatore, ma l’elenco degli azionamenti — quanti azionamenti, quale numero di impulsi e se nel circuito è presente un mulino a rulli — perché questo foglio definisce, in quest’ordine, il fattore K, la classe di impedenza e il sistema di raffreddamento.

L’altra abitudine che consente di risparmiare settimane durante la messa in servizio è l’imballaggio. Una fabbrica di cemento si trova di solito nell’entroterra, il che significa trasporto stradale o ferroviario oltre il porto; pertanto le unità sono rinforzate per resistere agli urti terrestri, l’olio viene spedito in fusti sigillati per le versioni di potenza maggiore e la firma SFRA viaggia insieme al rapporto di prova, in modo che il team sul sito disponga di un riferimento da confrontare.

 

Ordinazione in funzione della finestra di fermo del forno

Una centrale cementiera non si ferma per un trasformatore. Si ferma per un fermo programmato, e la data di tale fermo è fissata dalla campagna del forno, motivo per cui il cronometro degli acquisti deve partire da quella data all’indietro, anziché dalla data dell’ordine in avanti. dimensionamento del trasformatore e la pianificazione dei tempi di consegna appartengono entrambe a tale cronometro.

Inviaci lo schema unifilare, l’elenco dei motoriduttori, le condizioni ambientali del sito e la data del fermo programmato, e ti forniremo una potenza nominale, una classe di impedenza, una soluzione di raffreddamento e una data. Contatta il nostro team di ingegneria applicativa all’indirizzo [email protected] o al numero +86-15371760308, e calcoleremo i dati relativi all’avviamento e alle armoniche sulla base del tuo effettivo elenco di motori.

Informazioni sull’autore: Questa guida è stata redatta dal team di ingegneria applicativa della Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. (Ryan Transformers), che progetta e produce trasformatori immersi in olio e trasformatori in resina per clienti industriali, utility e data center dal 2007. Domande specifiche relative a progetti particolari — ad esempio avviamento di mulini, derating armonico o derating per temperatura ambiente del sito — vengono risposte direttamente dal team di ingegneria all’indirizzo [email protected].