Pelliculage Hi-B CRGO : qu'est-ce que c'est et quand le coût en vaut-il la peine ?

Hi-B CRGO est simplement de l'acier à grains orientés qui gaspille moins d'énergie. Vous payez un supplément pour le matériau du noyau, et vous récupérez cet argent en réduisant les pertes à vide, en utilisant des noyaux plus petits ou en apposant des étiquettes d'efficacité plus strictes. Dans certains transformateurs, le retour sur investissement est évident et rapide. Dans d'autres, le surcroît de qualité est surtout une ligne de satisfaction sur la fiche technique.

Ce que "Hi-B" change réellement dans votre cœur

Vous savez déjà ce qu'est le CRGO, il est donc plus facile de considérer le Hi-B comme un ensemble de petites améliorations techniques empilées : des grades de perméabilité plus élevés, un contrôle plus strict de la texture, des jauges plus fines, un raffinement du domaine. Ensemble, ils poussent la courbe de perte vers le bas et vous permettent de maintenir une densité de flux un peu plus élevée sans payer la pénalité habituelle.

Les qualités Hi-B modernes atteignent couramment des pertes spécifiques de noyau de ≤0,9 W/kg à 1,7 T, 50 Hz, en particulier lorsqu'elles sont découpées au laser. Le CRGO conventionnel utilisé dans les services publics tend à se situer davantage dans la fourchette de 1,0 à 1,6 W/kg, en fonction de l'épaisseur et de la qualité.

Les producteurs affinent également les domaines par des traitements de surface qui, à eux seuls, peuvent réduire les pertes de 10-15% à environ 1,7 T en laboratoire. Dans les noyaux assemblés, on ne voit jamais le nombre de feuilles pures. Le facteur de construction, les joints à onglet et les dommages dus à la manipulation s'ajoutent à cela. Les données ORIENTCORE Hi-B de Nippon Steel, par exemple, montrent que les joints à 45° maintiennent le facteur de construction proche entre Hi-B et CRGO conventionnel, mais que les joints à 90° exagèrent l'avantage de Hi-B parce que ses propriétés dans le sens du laminage sont plus fortes.

En bref : Le Hi-B est toujours un CRGO, simplement réglé pour que chaque petite inefficacité dans le processus de magnétisation soit réduite un peu plus. Cela n'a d'importance que si vous laissez ces watts réduits s'accumuler.

Quel est le coût réel de Hi-B ?

Les prix varient, mais la tendance est stable. Pour une épaisseur et une situation d'approvisionnement données, le prix du CRGO Hi-B se situe généralement 10-25% au-dessus du CRGO standard par tonne, parfois plus pour les lots à pertes très serrées. Les listes publiques pour l'acier à grains orientés montrent un écart où les bobines standard sont plus basses, les options "Hi-B" ou "HGO" étant toujours plus chères.

Comparez cela à l'amorphe. Il y a quelques années, en dehors des États-Unis, le ruban amorphe était coté autour de 0,95 USD/lb tandis que l'acier Hi-B GO se situait approximativement à 0,86 USD/lb : plus élevé que le CRGO de base, plus bas ou similaire à l'amorphe. Les réalités locales peuvent perturber ces chiffres, mais la hiérarchie tend à se maintenir : CRNO au bas de l'échelle, CRGO conventionnel, Hi-B, amorphe et alliages plus exotiques.

Ce qui est important, c'est que vous n'achetez pas une physique différente. Vous achetez un rapport différent entre les dépenses d'investissement et les kilowattheures perdus en chaleur. Ce rapport est la seule raison pour laquelle cette discussion est importante.

Une façon simple d'envisager la récupération

Si l'on supprime tous les termes de marketing, la question se réduit à une simple fraction.

L'argent supplémentaire dans le noyau, divisé par l'énergie annuelle économisée. Si le résultat est inférieur à votre délai de récupération acceptable (ou inférieur à la durée de vie prévue du transformateur), Hi-B travaille pour vous.

L'économie annuelle est principalement due à la réduction des pertes à vide. Pour un transformateur alimenté 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, elle est d'environ :

Économie annuelle ≈ ΔP₀ × 8760 h × prix effectif de l'énergie

ΔP₀ est la réduction de la perte au cœur du système en kW, et non en W/kg. Le "prix effectif de l'énergie" est rarement le seul tarif ; il mélange le tarif réel, la capitalisation des pertes dans les règles de planification de votre compagnie d'électricité, et toute pénalité ou récompense découlant des réglementations en matière d'efficacité.

Des projets réels montrent jusqu'où cela peut aller. Dans une sous-station à forte charge signalée à Busan, le passage à des transformateurs à noyau "super Hi-B" a permis de réduire les pertes à vide d'environ 22%, avec une économie annuelle estimée à 480 000 USD et un retour sur investissement en moins de trois ans. Il s'agit d'un cas agressif, mais il montre la direction à suivre : si les coûts de l'énergie sont élevés et que le transformateur est grand et toujours sous tension, l'économie évolue rapidement.

Pour un transformateur de distribution plus petit dans un marché à tarifs modérés, le même calcul donne une réponse plus calme. Peut-être que le noyau Hi-B supplémentaire vous coûte 2-5% de plus sur le transformateur, et que la réduction de la perte de noyau vous donne un délai de récupération situé quelque part entre 4 et 10 ans. C'est parfois bien, parfois moins bien, selon la façon dont votre équipe financière conçoit la valeur actuelle nette et selon la rigueur avec laquelle les régulateurs évaluent les pertes.

Où Hi-B est presque toujours une bonne idée

Pensez d'abord au profil d'exploitation, puis aux normes, puis à la géométrie. Et non l'inverse.

Le Hi-B tend à se justifier lorsque le transformateur reste sous tension presque en permanence et passe une grande partie de sa vie à une charge modérée. Dans ce cas, les pertes à vide représentent une part importante du gaspillage d'énergie pendant la durée de vie du transformateur, et il est généralement moins coûteux de les réduire avec l'acier qu'avec le cuivre. Les transformateurs de distribution et de puissance alimentant des réseaux urbains ou industriels denses entrent dans ce schéma. Les codes nationaux et régionaux qui fixent des valeurs maximales de pertes pour chaque classe de kVA (EU Ecodesign, DOE, BIS, et similaires) poussent discrètement les prescripteurs à utiliser du CRGO ou du Hi-B de qualité supérieure pour rester dans les limites autorisées sans faire exploser la taille du cuivre.

Autre situation : lorsque l'encombrement est réduit. La perméabilité plus élevée et les pertes plus faibles du Hi-B à densité de flux égale vous permettent de pousser Bmax un peu plus haut, ou de réduire la surface de la section transversale du noyau tout en respectant les objectifs de pertes. Cela vous permet de concevoir un réservoir plus petit et parfois une baie de sous-station plus compacte. Les catalogues de plusieurs fournisseurs d'acier et de noyaux présentent des qualités Hi-B avec des pertes inférieures à environ 0,70-0,85 W/kg à 1,7 T dans des épaisseurs minces, ce qui permet d'adopter cette approche de conception à flux plus élevé.

Enfin, si votre organisation capitalise explicitement les pertes dans les évaluations d'offres, Hi-B est presque triviale à justifier. Une fois que la perte à vide est multipliée par un chiffre réglementé en dollars par watt, une réduction de 15-25% de cette perte grâce aux laminés Hi-B dépasse facilement une augmentation de 10-20% du coût de l'acier, en particulier pour les unités de moyenne et grande taille.

Là où le CRGO conventionnel est généralement suffisant

Il y a aussi des cas où le Hi-B est honnêtement plus poli que l'outil.

Si un transformateur a relativement peu d'heures d'alimentation par an, ou passe la majeure partie de sa vie près de sa charge nominale, la perte de cuivre domine alors l'histoire de l'énergie. Dans les réseaux ruraux avec de longues coupures ou un fonctionnement saisonnier, ou dans les installations industrielles avec des transformateurs de secours intermittents, l'économie supplémentaire réalisée grâce à un meilleur matériau pour le noyau peut être faible par rapport aux incertitudes liées à l'utilisation réelle.

Le CRGO conventionnel offre déjà des pertes dans le noyau de l'ordre de 1 à 2 W/kg à 1,7 T, 50 Hz. Pour de nombreuses qualités standard, c'est déjà plus que suffisant pour répondre aux exigences actuelles, en particulier pour les kVA les plus faibles. Si votre appel d'offres est décidé principalement sur la base du prix initial et utilise une capitalisation très souple des pertes, le Hi-B peut finir par être un surcoût discret dont les avantages ne sont pas clairs.

Il y a également un aspect mécanique. Les qualités Hi-B ont souvent des calibres plus fins et peuvent être plus sensibles aux bavures des bords, aux rayures ou à un empilage imprudent. Chaque défaut réduit l'avantage de la perte de laboratoire. Si vos processus de poinçonnage, de recuit et d'empilage sont marginaux, vous pouvez payer pour la qualité supérieure et en restituer la moitié au cours de la fabrication. Les articles sur le traitement du CRGO "avec précaution" sont très clairs à ce sujet : une mauvaise manipulation du CRGO éloigne les pertes réelles du noyau du chiffre garanti pour la feuille.

Dans ce type d'atelier, il arrive que l'amélioration la plus pratique ne concerne pas le matériel, mais le processus.

Hi-B vs amorphe et autres matériaux de base de qualité supérieure

Le Hi-B se situe à mi-chemin entre le CRGO conventionnel et les alliages amorphes ou nanocristallins. Les noyaux amorphes peuvent réduire les pertes à vide à environ un tiers des valeurs du CRGO conventionnel, bien qu'ils soient souvent spécifiés à des densités de flux inférieures telles que 1,3 T ; des pertes spécifiques inférieures à environ 0,3-0,6 W/kg sont courantes dans les fiches techniques. Mais le ruban amorphe est mince, fragile et exige des processus de coupe et d'enroulement différents, ce qui explique que de nombreux services publics le réservent principalement aux transformateurs de distribution.

Pour mettre les options côte à côte, non pas comme une base de données stricte mais comme un instantané pratique, vous pouvez penser à peu près comme suit :

Les chiffres exacts varient en fonction de la qualité et du fabricant, mais la tendance relative est constante : chaque pas vers la droite réduit les pertes de feuilles et augmente les coûts des matériaux et des processus.

Le rôle de Hi-B est clair dans cette grille. C'est l'option "faire plus avec la même philosophie de conception" : vous pouvez toujours construire des noyaux avec des méthodes familières, toujours empiler des laminés de la manière habituelle, toujours acheter auprès des chaînes d'approvisionnement CRGO existantes, mais vous obtenez une perte de base plus faible.

Cœurs mixtes et stratégies hybrides

Il n'est pas nécessaire de penser en termes de tout ou rien. Un résultat intéressant de la recherche sur les noyaux enroulés est que l'utilisation d'un mélange de CRGO conventionnel et de matériaux à haute magnétisation peut réduire à la fois les coûts et les pertes. Les sections internes et externes du noyau utilisent le matériau de qualité supérieure, tandis que le reste utilise du CRGO standard. Les rapports typiques montrent que les transformateurs à noyau mixte ont des pertes légèrement supérieures à celles des noyaux conventionnels, mais que le coût des matériaux est inférieur à celui des conceptions Hi-B complètes.

Dans la pratique, des idées similaires se manifestent sous la forme suivante : Hi-B sur les jambes principales, CRGO conventionnel sur les culasses : Hi-B sur les pieds principaux, CRGO conventionnel sur les culasses ; Hi-B pour certaines catégories de kVA seulement ; ou Hi-B réservé à des marchés spécifiques où les pertes sont plus difficiles à monétiser. Le fait est que le choix du laminage n'est pas un choix binaire au niveau de l'entreprise. Il est possible de l'adapter à chaque famille de conception.

Comment se décider rapidement pour un transformateur spécifique ?

Lorsque vous êtes confronté à un appel d'offres ou à un examen interne de la conception, il suffit généralement de procéder à une vérification de base pour décider de passer du système CRGO conventionnel au système Hi-B. Une approche simple et un peu brutale est toujours utile :

Tout d'abord, estimez la réduction de la perte à vide de Hi-B à votre flux de conception. Si votre qualité de catalogue actuelle donne environ 1,3 W/kg à 1,7 T et que vous pouvez passer à une qualité Hi-B d'environ 0,9 W/kg, cela représente une amélioration d'environ 30% en termes de feuilles. Après prise en compte du facteur de construction et de la géométrie réelle, vous pourriez obtenir un résultat plus proche de 15-25% au niveau du noyau.

Ensuite, convertissez ce chiffre en kilowattheures par an en utilisant votre cycle d'utilisation prévu. Un transformateur sous tension toute l'année fonctionnera 8760 heures ; vous avez déjà une bonne idée de la fréquence à laquelle vos transformateurs sont mis hors tension.

Troisièmement, appliquez la valeur interne ou réglementaire que vous attribuez aux pertes. Si votre compagnie d'électricité capitalise les pertes à hauteur de 5 à 10 fois le tarif, par exemple, ce multiplicateur écrase rapidement les changements modestes du coût de l'acier. Si votre utilisateur industriel paie un tarif spot pur sans capitalisation des pertes et qu'il peut remplacer l'usine dans sept ans, le calcul devient plus serré.

Quatrièmement, comparez avec la prime proposée pour les laminés ou les noyaux Hi-B. Si les dépenses supplémentaires divisées par les économies annuelles sont inférieures à l'horizon de récupération de votre organisation, alors Hi-B a fait son travail sur le papier. S'il est plus long, mais que vous avez toujours besoin de Hi-B pour atteindre une classe d'efficacité, vous ne faites pas vraiment un choix économique ; vous vous contentez de vous conformer aux règles.

Bien sûr, cela ne tient pas compte des effets de second ordre : réduction de l'élévation de la température de l'huile, légère diminution du bruit ou réduction éventuelle de la taille. Mais ce filtre rapide permet d'ancrer la discussion dans les chiffres plutôt que dans les goûts.

Des notes pratiques souvent négligées

Quelques détails permettent de déterminer si le Hi-B se comporte comme le Hi-B ou comme un grade conventionnel très coûteux.

La conception du joint est importante. Lorsque la magnétisation s'écarte du sens du laminage, la perte augmente fortement ; les données fournies par les principaux producteurs montrent que la perte à 90° peut être plus de trois fois supérieure à la valeur dans le sens du laminage. Des joints mal conçus ou mal alignés peuvent donc réduire à néant une grande partie du gain que vous attendez de la technologie Hi-B.

La manipulation et le poinçonnage ont également leur importance. Les bavures, les rayures et les contraintes résiduelles dues au poinçonnage ajoutent des champs localisés et augmentent l'hystérésis et les pertes par effet de Foucault. Cela est vrai pour tous les CRGO, mais plus l'acier est fin et raffiné, plus il est facile d'endommager la surface et plus le matériau devient sensible. Les contrôles de processus qui étaient "suffisants" pour les anciennes qualités de CRGO peuvent ne pas l'être pour le Hi-B moderne.

Et les normes évoluent. Les normes nationales comme IS 3024 séparent les aciers à grains orientés conventionnels et à haute perméabilité, avec différents tableaux de pertes spécifiques maximales à 1,7 T, 50 Hz. Lorsque les organismes de réglementation resserrent les pertes admissibles, les concepteurs qui attendaient la norme Hi-B se retrouvent souvent contraints de la respecter lors de la prochaine révision.

Dans quels cas le pelliculage Hi-B vaut-il la peine d'être utilisé ?

Si l'on fait abstraction des détails, le modèle n'est pas compliqué. Le pelliculage Hi-B en vaut généralement la peine :

Il est possible de monétiser la perte à vide pendant la durée de vie du transformateur.

Le nombre d'heures d'utilisation est élevé pour des charges modestes, en particulier pour les puissances supérieures en kVA.

Vous avez besoin de classes d'efficacité plus strictes, ou vous vous orientez vers ces classes, qu'il est difficile d'atteindre avec le seul système CRGO conventionnel.

Votre processus de fabrication est suffisamment bon pour ne pas gâcher l'avantage par de mauvaises articulations ou une manipulation brutale.

En dehors de ces conditions, Hi-B peut encore être utile, mais l'argument s'affaiblit. Il s'agit moins d'un choix économique que d'un choix d'image de marque ou de conformité.

C'est la vérité qui se cache derrière toutes les brochures en papier glacé : Hi-B CRGO n'est pas magique. Il s'agit d'une version plus pointue d'un outil familier. Lorsque vous l'adaptez soigneusement au profil de charge, à la pression réglementaire et à la discipline de fabrication, il est rentable et reste invisible pendant des décennies. Lorsque vous le placez dans un contexte inapproprié, il ne fait que rendre un bon transformateur légèrement plus cher.