Transformateur de four à arc électrique : comment dimensionner un EAF pour une aciérie, pourquoi le courant secondaire en kA (et non le MVA) détermine la conception, et en quoi le régime de four diffère d'un transformateur de distribution

La réponse d'abord : un transformateur de four à arc électrique est dimensionné à partir du profil énergétique et de puissance de l'aciérie, et ce n'est pas un transformateur de distribution surdimensionné. La puissance en kVA découle de la puissance de fusion nécessaire pendant la période de fusion, mais trois autres grandeurs déterminent la conception : le courant secondaire en kA (qui définit l'enroulement basse tension, les traversées, les jeux de barres et le refroidissement), la plage de prises (qui doit être suffisamment large pour maintenir l'arc stable depuis la ferraille froide jusqu'au bain fondu plat), et l'impédance et la réactance série (qui déterminent la violence du court-circuit de l'arc et le niveau de flicker exporté vers le réseau). Dimensionnez-le à partir des kWh par tonne d'acier et du temps tap-to-tap, spécifiez explicitement le tableau des prises et le courant secondaire, et traitez l'échauffement en régime cyclique, le déclassement harmonique et la tenue aux courts-circuits répétés comme les véritables critères d'acceptation.

Un transformateur de four à arc électrique (EAF) prend la tension que reçoit votre aciérie — typiquement 33 kV, 66 kV, 110 kV ou 132 kV, et 220 kV sur les très grands sites intégrés — et la transforme en quelques centaines de volts qui amorcent réellement l'arc : généralement entre environ 400 V et 1 000 V, et jusqu'à 1 700 V dans les plus grandes conceptions modernes. Les courants de ce côté sont la raison pour laquelle la machine ne ressemble en rien à un transformateur de distribution : 40 kA à 60 kA sur un four de taille moyenne, et plus de 100 kA sur les plus grandes unités, avec des courants d'électrode jusqu'à environ 120 kA dans les conceptions publiées de transformateurs de four. Ce qui distingue le régime EAF de toute autre application de transformateur, c'est que la charge est un court-circuit mobile délibérément instable, que les trois phases ne sont jamais équilibrées, et que le transformateur est censé être mis en court-circuit des milliers de fois par an et durer quand même 20 ans.

Tout ce qui suit est écrit pour la personne qui doit acheter ou spécifier ce transformateur : un ingénieur électricien d'aciérie, un contractant EPC, ou un producteur d'acier à base de ferraille ajoutant de la capacité de fusion. Si vous dimensionnez plutôt une charge de distribution ordinaire, la méthode générale de notre guide de dimensionnement et de formule budgétaire et de notre guide de dimensionnement des systèmes de distribution est le bon point de départ ; cet article couvre ce qui change lorsque la charge est un arc.

Points clés à retenir

• L'énergie d'abord, les kVA ensuite. L'énergie de fusion (typiquement 350–500 kWh par tonne d'acier liquide) divisée par le temps sous tension donne la puissance d'arc moyenne ; la moyenne plus le pic de fusion donne la puissance nominale du transformateur de four. Les fours modernes à ultra-haute puissance (UHP) sont conçus autour d'environ 0,7–1,0 MVA de transformateur par tonne de poids de coulée.
• Le courant secondaire en kA est la contrainte déterminante, et non les MVA. L'enroulement basse tension, les traversées à barres de cuivre, les jeux de barres refroidis à l'eau et les bras d'électrodes sont tous conçus autour d'un courant qui peut dépasser 100 kA.
• Les prises de four ne sont pas ±2 × 2,5 %. Un transformateur EAF comporte généralement une large plage de prises (une disposition courante est une bande de tension secondaire d'environ 2:1, par exemple de 840 V à 480 V) avec 15–33 positions, souvent avec des prises primaires à l'extrémité neutre et, pour des plages très larges, un autotransformateur ou une disposition série-parallèle.
• Les harmoniques et le flicker sont la porte d'accès au réseau. Le four doit respecter les limites d'émission de l'opérateur de réseau au point de raccordement commun — limites harmoniques de type IEC 61000-3-6 et niveaux de planification du flicker IEC 61000-3-7 (Pst 1,0 / Plt 0,8 sont les valeurs indicatives couramment citées) — ce qui signifie généralement une compensation SVC ou STATCOM plus un filtre, et un transformateur spécifié pour un régime non sinusoïdal.
• Spécifiez le régime, pas seulement la plaque signalétique. Une commande de transformateur de four doit indiquer le tableau des prises, le courant de court-circuit aux électrodes, l'essai d'échauffement en régime cyclique, la base de déclassement harmonique, le nombre de tenues aux courts-circuits attendues et la température ambiante de l'aciérie. Les appels d'offres vagues sont la façon dont les aciéries se retrouvent avec un transformateur qui déclenche intempestivement la protection différentielle dès la première année.

Qu'est-ce qu'un transformateur de four à arc électrique — et en quoi diffère-t-il d'un transformateur de distribution ?

Un transformateur EAF est un transformateur de puissance à usage spécial dont le secondaire alimente les électrodes du four par des connexions basse tension courtes et très lourdes. Dans un four à courant alternatif (AC), trois électrodes en graphite descendent dans la ferraille ; l'arc jaillit de chaque électrode vers la charge, et comme le point étoile ou triangle de l'arc est le bain fondu lui-même, le circuit électrique change seconde par seconde à mesure que la ferraille fond, que les électrodes se consument et que l'opérateur change de prise. Les plages publiées de transformateurs de four vont d'environ 10 MVA à 300 MVA, avec des tensions secondaires jusqu'à 1 700 V et des courants d'électrode jusqu'à environ 120 kA.

Les différences par rapport à un transformateur de distribution ne sont pas cosmétiques. Elles sont structurelles :

Deux conséquences découlent directement de ce tableau. Premièrement, vous ne pouvez pas acheter un transformateur EAF dans un catalogue de transformateurs de distribution : il est conçu par projet, et l'ingénierie est à votre charge. Deuxièmement, les essais d'acceptation qui comptent sont les essais spéciaux — non pas les contrôles de routine du rapport et de l'impédance, mais l'essai d'échauffement en régime cyclique, la démonstration de la tenue aux courts-circuits, la mesure des pertes en charge à chaque prise et la mesure du niveau sonore sur une unité qui sera installée à côté de l'aciérie.

Qu'exige réellement une aciérie de son transformateur ?

Une aciérie à base de ferraille fonctionne en coulées. Chaque coulée est un cycle répétitif : chargement de la ferraille (souvent deux ou trois bennes), perçage, fusion, affinage et alliage sous un laitier, puis coulée en poche ; dans de nombreuses aciéries, un four-poche séparé réchauffe et affine ensuite l'acier avant la coulée continue. Pour un four AC typique de 100 tonnes, le cycle est d'environ 40–60 minutes, dont peut-être 30–40 minutes de temps sous tension, et environ 30–35 coulées sont produites par jour.

Le profil électrique à l'intérieur d'une coulée a une forme, et le transformateur doit la suivre :

• Perçage (premières minutes). Les électrodes descendent sur de la ferraille froide et irrégulière ; l'arc est instable et se met constamment en court-circuit. Les courants oscillent violemment et le flicker de tension est maximal ici.
• Fusion. Le four fonctionne à, ou proche de, la puissance d'arc maximale disponible pendant la majeure partie du temps sous tension. Cette phase détermine la puissance nominale du transformateur.
• Affinage. Le bain est plat et l'arc est stable ; la puissance est réduite à environ 50–65 % du maximum pour contrôler la température du bain et le laitier.
• Repos. Chargement, coulée et arrêts — aucune charge sur le transformateur de four, mais le transformateur est couramment mis hors tension et remis sous tension entre les coulées.

Trois faits de conception découlent de ce régime :

1. Le transformateur subit des cycles thermiques, pas un régime thermique stable. La charge oscille entre zéro et la pleine puissance de fusion plusieurs fois par heure, toute la journée. C'est ce régime cyclique, et non la charge continue à la plaque signalétique, que suivent les températures de l'huile et des enroulements du transformateur, et c'est pourquoi une évaluation de l'échauffement en régime cyclique importe (voir facteur de charge et capacité de surcharge pour la façon dont la charge cyclique est évaluée).
2. Le transformateur doit être remis sous tension fréquemment. Chaque coulée commence par une manœuvre de commutation, ce qui signifie que chaque coulée commence par un événement de courant d'appel. La protection différentielle doit être stabilisée contre le courant d'appel, sinon elle fonctionnera intempestivement.
3. L'ambiance est plus chaude qu'un hall de sous-station. Un transformateur de four partage normalement un bâtiment ou une travée adjacente avec le four lui-même, où la température de l'air peut largement dépasser 40 °C. Le déclassement pour l'ambiance (voir pratique de déclassement) fait partie du calcul, pas d'une note de bas de page.

Étape 1 — De combien d'énergie électrique a besoin une tonne d'acier ?

Partez de l'énergie, pas d'une estimation en kVA par tonne. L'énergie électrique nécessaire pour fondre une tonne de ferraille d'acier dépend principalement de la qualité de la ferraille, du mélange de charge (ferraille seule, ou ferraille plus fer à réduction directe et fonte brute), de la pratique d'injection d'oxygène et de carbone, et du fait que les fumées soient utilisées ou non pour préchauffer la ferraille.

Ce seul chiffre — les kWh par tonne — est l'ancre de tout le reste. C'est aussi le chiffre qui importe à un modèle de financement, car à un prix industriel de l'électricité de, disons, 0,07 USD/kWh, chaque 50 kWh/t de consommation supplémentaire représente environ 3,5 USD par tonne d'acier, ce qui, pour une aciérie de 500 000 t/an, représente plus de 1,7 million USD par an. Bien concevoir le transformateur et la philosophie de contrôle de l'arc est donc une décision de coût énergétique autant qu'une décision matérielle.

Étape 2 — Comment l'énergie de fusion devient-elle une puissance en MVA du transformateur ?

Faites l'arithmétique en quatre étapes. L'illustration ci-dessous est délibérément en chiffres ronds et utilise un four de 100 tonnes ; substituez vos propres données d'aciérie.

1. Énergie par coulée. 100 t × 400 kWh/t = 40 000 kWh (40 MWh) d'énergie électrique par coulée.
2. Temps sous tension. Avec un cycle tap-to-tap de 45 minutes et un temps sous tension de 60–70 %, l'arc est allumé pendant environ 0,5–0,53 heure.
3. Puissance d'arc moyenne. 40 000 kWh ÷ 0,53 h ≈ 75 MW en moyenne pendant la mise sous tension. Si votre pratique est plus efficace (350 kWh/t avec préchauffage) ou si votre coulée est plus longue, la moyenne baisse ; un temps sous tension plus long de 8 minutes avec la même énergie donne environ 60 MW.
4. Pic de fusion et puissance nominale du transformateur. Le transformateur doit fournir la puissance d'arc de fusion (maximale), qui est supérieure à la moyenne du cycle. Le facteur de puissance du circuit d'arc est typiquement de l'ordre de 0,75–0,85, de sorte que la puissance apparente du transformateur de four est la puissance active de pointe divisée par ce facteur de puissance. Un four qui doit maintenir environ 70 MW de puissance d'arc à un facteur de puissance d'environ 0,8 nécessite environ 85–90 MVA aux bornes du transformateur de four.

La dernière colonne est celle à vérifier par rapport à la pratique industrielle : les fours modernes à ultra-haute puissance sont spécifiés à environ 0,7–1,0 MVA de puissance nominale de transformateur de four par tonne de poids de coulée, ce qui situe un four de 100 tonnes entre environ 70 et 100 MVA. Si votre arithmétique vous place sensiblement en dehors de cette bande, l'une de vos données d'entrée — énergie par tonne, temps sous tension ou facteur de puissance — est erronée, et le projet mérite d'être revérifié avant d'atteindre un appel d'offres.

Étape 3 — Pourquoi la tension secondaire décide-t-elle de tout le reste ?

Une fois la puissance apparente connue, la tension secondaire fixe le courant, et le courant fixe le matériel. La relation est celle ordinaire du triphasé :

I₂ = S ÷ (√3 × U₂)

Faites passer 90 MVA par un secondaire de 840 V et vous obtenez environ 62 kA par phase. Abaissez la tension à 480 V et le même courant ne fournit plus qu'environ 50 MVA — ce qui est exactement le comportement que veut un opérateur de four, car le courant d'électrode est la contrainte, et la conception le maintient à peu près constant tandis que la tension change. Un four à arc à basse tension avec le même courant fonctionne avec un arc court et chaud à puissance d'arc plus faible ; à haute tension, il fonctionne avec un arc long à puissance d'arc plus élevée mais plus de rayonnement et plus d'usure des réfractaires. Choisir le point de fonctionnement relève de la métallurgie ; le fournir relève de la conception des prises du transformateur.

Ce que le chiffre en kA détermine dans la conception

• L'enroulement basse tension. À 50–120 kA, le secondaire n'est pas un enroulement en fil. C'est généralement un petit nombre de spires en barre ou en feuille de cuivre épaisse, disposées pour maintenir les pertes par courants de Foucault et les pertes vagabondes à un niveau gérable, avec un serrage soigneusement calculé car les forces électromagnétiques lors d'un court-circuit augmentent avec le carré du courant.
• Les traversées. Les connexions basse tension sont réalisées avec des traversées à barres de cuivre — souvent plusieurs en parallèle — et les conceptions publiées de fours passent de la sortie basse tension par le couvercle de la cuve (en dessous d'environ 80 kA) à la sortie par la paroi de la cuve aux courants les plus élevés, afin que les barres atteignent les bras d'électrodes par le chemin le plus court possible. Pour les principes généraux, voir notre guide de spécification des traversées.
• Les jeux de barres secondaires et les bras d'électrodes. Ce sont des tubes refroidis à l'eau ou des assemblages de barres soudées dimensionnés pour la densité de courant et la rigidité mécanique, et non pour une chute de tension qui préoccupe qui que ce soit — à 60 kA, un seul milliohm de résistance de connexion représente 3,6 kW de pertes dans le circuit et un véritable problème thermique.
• Le tableau des prises. Comme le courant reste élevé tandis que la tension chute, le changeur de prises doit couper et établir au courant secondaire complet sans laisser l'arc s'éteindre. C'est pourquoi les changeurs de prises de four sont en charge, et pourquoi leur nombre de positions et leur endurance mécanique sont spécifiés séparément de ceux d'un transformateur de réseau (voir changeurs de prises en charge vs hors tension).

Étape 4 — Pourquoi la plage de prises est-elle tellement plus large que celle d'un transformateur de distribution ?

Le changeur de prises hors tension d'un transformateur de distribution n'existe que pour ajuster la tension du réseau : cinq positions, typiquement ±2 × 2,5 %. Le changeur de prises d'un transformateur de four est un dispositif de contrôle de puissance. Il fixe la tension d'arc et donc la longueur d'arc et la puissance délivrée au bain, coulée après coulée, de la ferraille froide au bain fondu plat.

Trois mécanismes rendent cette large plage possible, et le bon choix pour votre aciérie dépend de la largeur nécessaire :

1. Prises à l'extrémité neutre de l'enroulement primaire (régulation à « flux variable »). C'est la disposition la plus compacte et la plus économique pour les plages de régulation habituelles. Comme le nombre de spires primaires en circuit change, le flux du noyau change avec la prise, de sorte que la tension secondaire — et les kVA que le transformateur peut fournir — diminuent ensemble à mesure que vous descendez dans la plage de prises, le courant secondaire restant proche de la constante.
2. Régulation avec un autotransformateur. Lorsque la plage de tension requise est plus large que ce qu'un enroulement de réglage simple peut couvrir économiquement, un autotransformateur de régulation est inséré en série avec le primaire du transformateur de four. C'est la façon classique d'atteindre une plage très large tout en gardant le transformateur de four lui-même plus simple.
3. Dispositions série-parallèle, étoile-triangle ou à prises inversées. Des connexions spéciales du changeur de prises modifient la configuration des enroulements plutôt que seulement les spires en circuit, ce qui étend davantage la plage de rapport ; le prix est un changeur plus complexe et plus coûteux avec moins de positions.

Conséquences pratiques pour la spécification :

• Demandez le tableau des prises, pas un pourcentage de prises. Le livrable est un tableau des tensions secondaires par position de prise, le courant d'électrode correspondant et les impédances garanties. Les transformateurs de four sont couramment spécifiés avec quelque chose comme 15–33 positions, et la garantie de pertes en charge doit être donnée à chaque prise, pas seulement à la prise nominale.
• Attendez-vous à un fonctionnement en charge. Dans un four moderne, le changeur de prises se déplace pendant la fusion tandis que le régulateur cherche la meilleure stabilité d'arc ; c'est une exigence d'endurance mécanique mesurée en centaines de milliers de manœuvres, elle doit donc être énoncée et constatée. Notre guide de régulation de tension explique la mécanique sous-jacente.
• Décidez si vous avez besoin d'une régulation par phase. Comme les trois arcs ne partagent jamais la charge également, la pratique publiée des transformateurs de four prévoit une régulation de tension séparée pour chaque phase (et donc une commutation monophasée séparée) lorsque l'asymétrie est significative. Si votre philosophie d'exploitation repose sur le réglage d'une phase différemment des autres, dites-le dans la spécification — cela change à la fois le transformateur et la disposition du disjoncteur.

Étape 5 — À quoi sert l'impédance dans un four à arc, et quand avez-vous besoin d'une réactance série ?

Dans un transformateur de réseau, l'impédance est quelque chose à minimiser pour que la régulation de tension soit bonne. Dans un circuit de four, l'impédance est un paramètre de contrôle. L'arc est une charge instable à résistance négative ; une certaine quantité de réactance de circuit est ce qui le maintient stable, limite la violence avec laquelle le courant monte lorsqu'une électrode touche la ferraille, et convertit l'arc en une source de puissance contrôlable. Deux choses distinctes fournissent cette réactance :

• L'impédance du transformateur. Les transformateurs de four sont généralement spécifiés avec une impédance de court-circuit plus élevée qu'un transformateur de réseau de même puissance — couramment de l'ordre de 10–14 % à la puissance de base, les conceptions à haute réactance allant plus haut. Cette réactance supplémentaire est achetée délibérément : elle coûte en efficacité et en régulation de tension, et elle achète la stabilité de l'arc et un flicker plus faible.
• Une réactance série. Dans les grandes installations, la réactance requise est fournie ou complétée par une réactance connectée en série avec le transformateur de four — soit dans une cuve séparée, soit intégrée dans la même cuve que le transformateur. Ces réactances sont elles-mêmes à prises, et leur réactance peut être variée de pratiquement zéro jusqu'à leur valeur maximale à l'aide de changeurs de prises hors tension ou en charge, ce qui permet à l'aciérie d'accorder les caractéristiques du circuit d'arc à la mise en service et de les réajuster lorsque le mélange de ferraille ou de produits change.

Conséquences de conception : le courant de court-circuit basse tension d'un transformateur EAF n'est pas un défaut à minimiser mais une condition de conception nominale, et le courant de court-circuit aux électrodes est une valeur de plaque signalétique à spécifier. C'est à l'acheteur de donner un chiffre, pas au fabricant ; une aciérie qui déclare « le court-circuit aux électrodes ne doit pas dépasser X kA à la prise la plus basse » obtient une machine qui correspond à son système d'électrodes et de contrôle. Notre guide de calcul du courant de court-circuit montre comment le budget de réactance combine l'impédance du transformateur, la réactance série, les jeux de barres et les câbles.

Étape 6 — Quel groupe de couplage utilise un transformateur de four, et pourquoi le secondaire est-il en triangle ?

Les connexions des transformateurs de four sont choisies pour trois raisons : réduire le courant que chaque enroulement doit porter, bloquer la circulation des harmoniques de rang multiple de trois, et laisser le circuit d'arc exempt de point neutre. Les réponses courantes :

• Secondaire couplé en triangle. Dans un triangle, le courant d'enroulement est de 1/√3 du courant de ligne, de sorte qu'un courant de ligne de 60 kA devient environ 35 kA par enroulement — une réduction importante du cuivre, des pertes et des forces de serrage. Le triangle donne aussi aux courants harmoniques de rang multiple de trois (3e, 9e, 15e) un chemin fermé pour qu'ils ne quittent pas le transformateur, et il signifie qu'il n'y a pas de borne neutre — le point étoile du circuit est le bain fondu lui-même.
• Primaire directement connecté à l'alimentation entrante et à prises à l'extrémité neutre pour la plage de régulation habituelle, ou alimenté par un autotransformateur de régulation pour des plages très larges.
• Groupe de couplage. Les transformateurs de four sont généralement désignés comme des unités de type Dd0 (triangle–triangle). Lorsqu'une disposition légèrement différente est requise pour la protection ou pour le raccordement à une installation existante — par exemple un primaire en étoile avec un neutre disponible — un groupe de couplage de type Ynd peut être utilisé à la place ; ce qui importe, c'est que le groupe soit énoncé explicitement et que le schéma de protection soit conçu autour de lui. Notre guide des groupes de couplage couvre la façon dont le symbole correspond à la connexion et au déphasage, et notre guide de fonctionnement en parallèle couvre les conditions à respecter si un transformateur de four de rechange doit un jour fonctionner en parallèle avec une autre unité.

Comme chaque phase d'une charge de four est inégale, le transformateur doit être conçu pour des courants de phase inégaux et pour les composantes inverse et homopolaire résultantes dans l'alimentation. Dites-le dans la spécification : cela affecte la conception des enroulements, la puissance nominale du changeur de prises et le choix du disjoncteur de four.

Quelle contrainte harmonique un EAF impose-t-il à son transformateur ?

Pendant le perçage et la fusion, l'arc est une charge fortement non linéaire et