Conception du laminage des transformateurs de distribution : lignes directrices pratiques

Si vous traitez laminage Si l'on considère que la conception d'un transformateur est un détail sans incidence sur les coûts, on finit par en payer le prix chaque fois que le transformateur est sous tension. La majeure partie de la perte à vide, une bonne partie du niveau sonore et une quantité surprenante de fiabilité sont déjà bloquées au moment où vous choisissez l'épaisseur, le facteur d'empilement, le style de joint et le chevauchement. Ce texte a pour but d'aider à prendre les bonnes décisions dès la première fois.

1. Partir du budget des pertes, et non du catalogue d'acier

Les tôles de noyau ne sont pas des décorations bon marché. Pour les petits transformateurs de distribution monophasés, le matériau du noyau peut représenter à lui seul environ un tiers du coût total des matériaux, et ses pertes dominent le coût d'exploitation pendant toute la durée de vie du transformateur.

Une réinitialisation mentale utile est simple : commencez par l'objectif de perte sans charge et le niveau sonore autorisé, puis forcez les choix de stratification à servir ces objectifs, et non l'inverse.

Pour les unités de 5 à 50 kVA, une étude de sensibilité portant sur 144 conceptions a comparé trois épaisseurs de CRGO (0,18, 0,23, 0,27 mm) et a montré que la feuille M3 de 0,23 mm permettait généralement d'obtenir à la fois le prix de l'offre le plus bas et le coût total de possession le plus bas dans environ quatre cas sur cinq. Cela ne signifie pas que 0,23 mm est universellement "la meilleure" ; cela signifie que vous ne gagnez à utiliser des feuilles plus fines que lorsque la capitalisation des pertes est réellement élevée, ou lorsque la réglementation vous y oblige physiquement.

Donc avant de toucher à la CAO :

Vous convenez des facteurs de capitalisation pour les pertes sans charge et en charge. Vous traduisez ces facteurs en une fenêtre acceptable de pertes à vide. Ce n'est qu'ensuite que vous vous demandez : "Quelle épaisseur et quel matériau me permettent d'atteindre cette fenêtre avec une certaine marge ?"

Si l'on saute cette boucle, l'"optimisation" de la plastification devient rapidement une supposition.

2. Matériau et épaisseur : faire des compromis délibérés

Acier électrique à grains orientés (GOES) est toujours le cheval de bataille des transformateurs de distribution conventionnels. Les qualités typiques à 50/60 Hz fonctionnent confortablement à des inductions allant jusqu'à environ 1,7 T avec des pertes et un courant magnétisant acceptables, à condition que le chemin du flux reste principalement le long de la direction de laminage.

Les fiches techniques des GOES modernes indiquent des facteurs de laminage supérieurs à 95%, même pour des jauges fines. Un exemple : à une pression d'empilage de 50 psi, une bande de 0,18 mm donne des facteurs de stratification d'environ 95-96%, 0,23 mm d'environ 95-96%, 0,27 mm d'environ 96-97%, et 0,35 mm peut toucher 98%, en fonction du revêtement. Ce seul fait est révélateur. Une feuille plus épaisse augmente légèrement le facteur d'empilement, mais nuit aux pertes par effet de Foucault. Une feuille plus mince a l'effet inverse. Il n'y a pas de repas gratuit, juste un équilibre.

Le ruban amorphe est encore différent. Ses pertes matérielles sont beaucoup plus faibles, mais le facteur d'empilement des noyaux enroulés est d'environ 0,8 au lieu de 0,95+, et l'induction utilisable est plus faible, à peu près dans la région de 1,3-1,4 T pour les conceptions pratiques. Vous gagnez une baisse considérable des watts à vide, mais vous récupérez du cuivre supplémentaire et une fenêtre de noyau plus large.

Une façon pratique d'y réfléchir :

Pour les transformateurs de distribution à rendement standard, pour lesquels la compagnie d'électricité se concentre encore sur le prix d'achat, un CRGO d'environ 0,23-0,27 mm est généralement le point idéal.

Pour les classes d'efficacité supérieures où la pénalité sur la perte à vide est sévère, le passage au CRGO ou à l'amorphe de 0,18 mm est judicieux, mais seulement si la fabrication peut s'accommoder d'un facteur d'empilage plus faible et d'un matériau plus fragile.

L'essentiel est de ne choisir l'épaisseur qu'après avoir obtenu des chiffres sur le coût de la perte de durée de vie par rapport à l'acier et au cuivre supplémentaires. L'intuition ne suffit plus.

3. Facteur d'empilement et facteur de construction : les traiter comme des variables de conception

Le facteur d'empilement n'est pas quelque chose qui se produit au niveau du noyau. C'est un chiffre qu'il faut concevoir et mesurer.

Formellement, le facteur d'empilement est le rapport entre la section magnétique effective et la surface brute empilée. Il varie en fonction de l'épaisseur du revêtement isolant, des bavures, des espaces et des défauts d'alignement. En pratique, pour un acier au silicium d'environ 0,3-0,5 mm à la fréquence de puissance, les facteurs d'empilement typiques sont d'environ 0,92-0,96, et les empilements GOES bien construits peuvent dépasser 0,95 même pour des calibres plus minces. Les noyaux amorphes ont un facteur d'empilement plus faible, souvent proche de 0,8.

Voici un tableau compact que vous pouvez utiliser pour le dimensionnement :

Le facteur de construction est l'autre acteur silencieux. Il mesure la perte supplémentaire due aux joints, aux espaces d'air, à la distorsion et aux contraintes résiduelles, au-delà de ce qu'indique le catalogue des pertes. Les articles sur la conception des joints et la sélection des laminages montrent systématiquement que des joints de mauvaise qualité et la pression d'assemblage peuvent ajouter plusieurs pour cent aux pertes du noyau, même si l'acier est identique.

Si vous concevez des logiciels ou des feuilles de calcul, il est plus sain de.. :

Utilisez ks à partir d'un tableau comme celui ci-dessus au lieu d'un simple 0,97 magique. Appliquez un facteur de construction sur les pertes, et non sur la surface, et réglez-le en fonction des essais à vide mesurés dans votre propre usine.

De cette manière, les calculs reflètent la réalité et non les vœux pieux.

4. Géométrie des noyaux en escalier : combien de pas suffisent ?

La plupart des transformateurs de distribution utilisent des noyaux étagés, de sorte que le cuivre se rapproche d'une colonne circulaire, sans qu'il soit nécessaire d'usiner un cercle dans de l'acier solide.

Les manuels de conception classiques indiquent la fraction du cercle qui est effectivement remplie par l'acier pour différents nombres de marches. Un tableau largement utilisé indique un remplissage d'environ 85% pour un noyau à trois marches, d'environ 91% pour cinq marches, d'environ 93-94% pour sept à neuf marches, et d'environ 96% pour onze marches.

Le modèle est simple. Les premières étapes apportent beaucoup d'améliorations. Après sept ou neuf étapes, vous payez la complexité pour peut-être un pour cent supplémentaire de remplissage du cercle.

Pour les petites unités sur poteau, trois étapes peuvent fonctionner si l'objectif de perte n'est pas agressif et si la fabrication veut être simple, bien que de nombreux fabricants standardisent sur cinq étapes. Pour les transformateurs de distribution de la classe 100-630 kVA, dont les spécifications à vide sont plus strictes, cinq à sept étapes sont courantes. Neuf étapes ou plus commencent à avoir du sens principalement pour les unités à haut rendement ou plus grandes où chaque watt de perte est monétisé et où la géométrie de l'enroulement bénéficie vraiment d'un cercle plus précis.

L'autre variable silencieuse est la façon dont vous répartissez les largeurs de pas. Pour les fenêtres rectangulaires, un schéma avec des pas plus étroits à l'intérieur et plus larges à l'extérieur tend à faciliter le placement des enroulements et à donner une densité de courant plus uniforme sans trop pénaliser la distribution du flux, à condition que la surface moyenne soit correcte.

Il n'y a pas de règle universelle en la matière, mais vous pouvez procéder en deux temps. Première étape : choisir le nombre de pas à partir de la classe de puissance et d'efficacité. Deuxième étape : ajuster les largeurs de pas individuelles de sorte que le cercle final vu par l'enroulement corresponde à la disposition de votre conducteur, et pas seulement à votre modèle d'éléments finis.

5. Style d'assemblage : bout à bout, à onglet et en escalier dans la vie réelle

La conception des joints pour les laminations est le point de rencontre de la théorie, des tracés FEA et de la pression de production.

Les joints bout à bout sont faciles à couper et à empiler. Ils produisent également un fort encombrement du flux local au niveau des joints, un courant magnétisant plus élevé et une perte à vide plus importante. Les diapositives des grands fabricants de transformateurs montrent encore clairement ce contraste.

Les joints à onglet complet répartissent mieux le flux le long de la direction de laminage, réduisant ainsi la saturation locale. Les joints à onglet en escalier vont plus loin en échelonnant les coupes sur plusieurs étages, de sorte que le flux ne subit pas de discontinuité abrupte. Les données industrielles montrent que les noyaux à lamelles en escalier, comparés aux noyaux à lamelles en bout conventionnels, peuvent offrir des réductions notables des watts à vide, du courant de magnétisation et du niveau sonore pour la même nuance d'acier et la même induction.

Aujourd'hui, pour les nouveaux transformateurs de distribution au-dessus des valeurs nominales les plus basses, le pas de vis à onglet est la norme de base. Il ne s'agit plus d'une technologie exotique. Les questions intéressantes sont maintenant de savoir combien de pas il y a dans le joint, quelle est la longueur du chevauchement et comment on aligne les livres.

6. Longueur de chevauchement et nombre de laminations par étape

Il est tentant de penser que "plus il y a de chevauchements, plus il y a de sécurité". Les données ne sont pas de cet avis.

Une étude expérimentale faisant varier la longueur de chevauchement des joints et le nombre de tôles par étape dans les noyaux de transformateurs de distribution a révélé que, dans la plage pratique, le nombre de tôles par étape avait peu d'effet net sur les pertes, car les contraintes de fabrication l'échangent contre d'autres dimensions. Cependant, l'augmentation du chevauchement d'environ 1 cm à 2 cm a clairement augmenté les pertes du noyau en raison d'une plus forte distorsion du flux dans la région du joint.

Ce que cela signifie en pratique :

Le chevauchement doit être aussi court que possible tout en respectant les contraintes de résistance mécanique et d'assemblage. Environ 10 mm est souvent un point de départ raisonnable pour les noyaux de distribution de taille moyenne ; aller jusqu'à 20 mm peut vous faire perdre plusieurs watts sans gain électrique réel.

N'essayez pas d'ajouter plus de laminations par étape que ce que votre équipement de coupe et d'empilage peut gérer de manière cohérente. L'étude suggère que la sensibilité des pertes à ce paramètre est faible une fois que le chevauchement et la géométrie de base sont fixés.

Il est plus utile de maintenir une tolérance stricte sur la planéité et l'espacement des joints, et de contrôler la façon dont les étapes d'une branche s'entrecroisent avec l'empiècement. C'est là que les modèles à éléments finis s'avèrent réellement utiles, surtout si vous disposez déjà d'un outillage et que seules de petites modifications de forme sont possibles.

7. Les fentes d'air, les bavures et les dégâts silencieux d'une mauvaise finition

Même une géométrie parfaite sur le papier peut être gâchée par un découpage et un empilage bâclés.

Les revêtements d'isolation et les bavures réduisent le facteur d'empilage, mais les bavures introduisent également des contraintes mécaniques locales et de minuscules espaces qui aggravent l'hystérésis et les pertes par effet de Foucault au-delà de ce que prévoit le catalogue de laminage. Les normes telles que l'ASTM A719 traitent le facteur de laminage comme une fonction de l'épaisseur de la tôle, du revêtement et de la compression, et elles exigent explicitement l'ébavurage pour obtenir des résultats reproductibles.

Les recommandations typiques des manuels et des données des usines se résument à ce qui suit :

La hauteur des bavures doit être bien inférieure à l'épaisseur de l'isolant, souvent estimée à moins de 10% de l'épaisseur de la tôle.

Contrôlez la pression de la pile pendant la mesure et l'assemblage ; si elle est trop faible, les espaces restent ouverts ; si elle est trop élevée, vous risquez de déformer les laminés ou d'endommager les revêtements, ce qui nuit à nouveau aux pertes.

Un aspect évident, mais qui reste étonnamment fréquent dans les petits ateliers : les laminés présentant de la rouille, des plis ou des bosses doivent être rejetés, et non pas "cachés" dans les couches intérieures. Les guides pratiques insistent sur l'inspection visuelle et le tri pour cette raison.

Si vous souhaitez dresser un bilan de santé rapide de votre processus, une simple mesure du facteur d'empilage basée sur la densité d'une pile comprimée en fonction de la densité du matériau est peu coûteuse et révélatrice. Un ks qui passe de 0,96 à 0,93 signifie que vous éliminez la section transversale et que vous augmentez la densité du flux partout, que quelqu'un ait modifié les dessins ou non.

8. Planéité, recuit de détente et importance de la programmation du four pour la conception du laminage

Le système GOES repose sur des grains soigneusement orientés. Le recuit de détente peut restaurer une grande partie des performances magnétiques, mais uniquement si les tôles sont soutenues et chauffées de manière à préserver la planéité et la qualité du revêtement.

Les plages de détente typiques pour les GOES se situent autour de 760-845 °C dans une atmosphère protectrice telle que l'azote sec, parfois avec une quantité contrôlée d'hydrogène. Le problème est que si les pièces du noyau sont empilées ou serrées d'une manière différente de leur état d'assemblage final, elles peuvent se déformer ou se tordre après le recuit. Ensuite, lorsque vous construisez réellement le noyau, de petites lacunes indésirables apparaissent dans les joints et les étapes.

La conception du laminage et la pratique du recuit doivent donc se parler. Si vous passez d'un feuilletage bout à bout à un feuilletage en plusieurs étapes et d'une tôle de 0,27 mm à une tôle de 0,18 mm, mais que vos installations de recuit et votre régime de pression restent adaptés à l'ancienne conception, les économies théoriques réalisées en termes de pertes seront en partie absorbées par la distorsion et les dommages causés au revêtement.

C'est l'une des raisons pour lesquelles certains fabricants achètent à des fournisseurs spécialisés des noyaux à agrafes multiples entièrement assemblés et détendus. Les fiches techniques de ces fournisseurs indiquent explicitement que les joints à lamelles, lorsqu'ils sont fabriqués correctement, permettent d'obtenir les pertes les plus faibles possibles pour une nuance d'acier donnée dans le cadre d'une conception à empilement plat.

Si vous fabriquez des noyaux en interne, cela vaut la peine d'effectuer un bref exercice de conception d'expériences : varier la température de recuit, la durée et la pression d'empilage pour une conception de laminage fixe, et mesurer réellement le facteur de laminage et la perte à vide sur des prototypes de noyaux. C'est plus lent que de ne rien changer, mais beaucoup plus rapide que d'expédier des transformateurs bruyants pendant des années.

9. Trous dans les empiècements, les pinces et les détails mécaniques qui perturbent le flux

Les vrais noyaux ont besoin de trous de boulons, de fentes d'alignement et d'interfaces de serrage. Chaque fois que vous retirez de l'acier d'une région à flux élevé, vous forcez le flux à contourner l'obstacle et à augmenter l'induction locale.

Les textes relatifs à la conception des transformateurs soulignent que les trous perforés dans les tôles de la culasse, en particulier près du centre de la branche, déforment le schéma du flux et augmentent localement la densité du flux et la magnétostriction. Cela entraîne une perte supplémentaire de noyau et parfois un "point chaud" audible dans les mesures sonores.

Quelques ajustements pratiques sont utiles :

Maintenir la région de l'empiècement où le flux est le plus élevé aussi propre que possible. Déplacez les grands trous légèrement à l'écart de la ligne médiane ou dans des zones où l'induction calculée est déjà plus faible en raison de la forme de la marche.

Synchroniser le schéma de chevauchement des marches avec l'emplacement des boulons de manière à ce que les boulons ne se posent pas à un endroit où plusieurs marches réduisent déjà la zone d'action.

Lors de l'utilisation d'empiècements décalés ou de sections réduites pour économiser de l'acier, vérifiez à nouveau la densité de flux avec des facteurs d'empilement et de construction réalistes ; de nombreuses conceptions se rapprochent du genou de la courbe B-H une fois que ces facteurs sont appliqués.

Ces ajustements ne sont pas très prestigieux, mais ils font souvent la différence entre un noyau qui se comporte comme le modèle FEM et un noyau qui vous surprend sur le banc d'essai.

10. Harmoniques, formes d'onde déformées et choix de laminage

Les transformateurs de distribution sont rarement soumis à des ondes sinusoïdales parfaites. Les charges non linéaires et les réseaux riches en convertisseurs injectent des harmoniques qui augmentent effectivement le pic d'oscillation du flux et accroissent les pertes dynamiques dans le noyau. Des études sur les pertes de fer dans les transformateurs soumis à une tension déformée montrent que des harmoniques plus élevées peuvent augmenter les pertes à vide de manière significative par rapport à la valeur mesurée lors d'un test sinusoïdal, même si la tension efficace reste la même.

Les laminations interagissent avec cette réalité de plusieurs manières.

Des tôles plus minces réduisent les pertes par courants de Foucault à des fréquences harmoniques plus élevées, mais, comme nous l'avons vu plus haut, peuvent réduire légèrement le facteur d'empilage. Une réduction modeste de l'induction de conception, par exemple de 1,7 T à 1,6 T, combinée à une tôle légèrement plus mince, permet souvent de maîtriser les pertes riches en harmoniques sans augmentation excessive de la taille.

D'un autre côté, si vous insistez sur une induction élevée et des tôles épaisses sur un réseau connu pour avoir de fortes harmoniques 3, 5 ou 7, la perte apparente du noyau sur site peut dépasser les valeurs d'acceptation de l'usine d'une marge notable. Les clients n'accuseront pas les tôles, ils verront simplement un "transformateur inefficace".

Lorsque les profils de charge sont incertains, une règle prudente consiste à rester à une certaine distance de l'induction nominale du matériau, en particulier pour les noyaux amorphes dont la magnétostriction est plus sensible, et à spécifier un essai à une forme d'onde déformée représentative de l'application lorsque le contrat est suffisamment important pour le justifier.

11. Croquis de travail : 250 kVA, 11/0,4 kV, unité triphasée à noyau

Il ne s'agit pas d'une conception complète, mais d'un instantané montrant comment les décisions de laminage s'articulent entre elles.

Imaginez un transformateur de distribution à bain d'huile de 250 kVA, 50 Hz, triphasé, 11 kV / 0,4 kV, avec une exigence d'efficacité modérée typique de nombreux services publics.

Vous commencez avec un objectif de perte à vide d'environ 450-500 W. La compagnie d'électricité fournit des facteurs de capitalisation qui font que la réduction de 50 W de perte à vide vaut la peine d'avoir un peu plus d'acier.

Vous envisagez des GOES de 0,27 mm et de 0,23 mm. Les données du catalogue et le document sur la sensibilité suggèrent que le M3 de 0,23 mm est susceptible d'offrir des pertes acceptables et un bon équilibre du coût des matériaux pour cette valeur nominale. Vous visez une induction de conception proche de 1,6 T sous la tension nominale, et non à l'extrémité supérieure absolue.

En utilisant la relation familière volts par tour, vous choisissez un volt/tour qui donne une section de noyau d'environ 0,036 m² à 1,6 T avec 50 Hz. La surface brute est alors A_total ≈ A_net / ks. Avec ks choisi comme 0,955 dans le tableau, vous obtenez une surface brute supérieure de quelques pour cent à l'estimation initiale, ce qui est suffisant pour que l'acier reste honnête.

En ce qui concerne la géométrie, vous choisissez une configuration de jambe circulaire et d'empiècement en cinq étapes. Cela donne environ 91% de remplissage de cercle, de sorte que le cuivre voit une colonne assez ronde. Vous spécifiez des joints à onglet complet avec un chevauchement d'environ 10 mm et une taille de livre standard de cinq laminations par étape, compatible avec votre ligne de coupe et inspirée par les offres typiques de noyaux à plusieurs étapes.

Vous décidez que les trous de boulons dans l'arcade doivent se situer légèrement en dehors de la zone de flux le plus élevé et vous alignez le schéma des étapes de manière à ce que les boulons ne touchent pas les sections effectives les plus étroites.

Enfin, vous introduisez tous ces éléments dans votre modèle de perte de noyau avec un facteur de construction réaliste, par exemple 1,05 sur la perte de catalogue à l'induction choisie, reflétant les performances historiques de votre usine sur des noyaux similaires. Si la perte à vide prévue est toujours trop élevée, vous savez que vous devez soit réduire l'induction, soit diminuer l'épaisseur, soit améliorer la conception du joint et la pratique du recuit ; il ne sert à rien de réduire le nombre de tours et d'espérer.

Dans l'atelier, vous confirmez le facteur d'empilage à l'aide de la méthode de la densité sur des piles d'échantillons, en essayant de voir ks dans la fourchette attendue de 0,95-0,96. Si le résultat est faible, vous ne blâmez pas les équations ; vous déboguez la coupe, l'enduction et l'empilage.

Les décisions en matière de pelliculage sont désormais des choix traçables et testables, et non plus des connaissances tribales.

12. Réflexions finales

La conception de la stratification des transformateurs de distribution est l'un de ces sujets qui semblent banals jusqu'à ce que vous commenciez à mettre des chiffres à côté de chaque "petite" décision. L'épaisseur, le facteur d'empilement, le nombre d'étapes, le style de joint, la longueur de chevauchement, les conditions de recuit, l'emplacement des trous et l'environnement harmonique exercent tous une pression sur les deux mêmes résultats : la perte à vide et le son.

Les normes officielles et les fiches techniques expliquent les matériaux. Ce qui tend à manquer, c'est la discipline tranquille qui consiste à traiter les paramètres de laminage comme de véritables variables de conception. Une fois cela fait, le reste du transformateur - enroulements, refroidissement, isolation - a un travail beaucoup plus facile.