Transformateur pour filature textile : comment dimensionner l'alimentation 11 kV pour une filature de coton de 50 000 broches

La réponse d'abord : une filature de coton peigné de 50 000 broches représente une charge de 5,43 MW et 6,24 MVA, et quatre sous-stations unitaires de 2 000 kVA 11/0,415 kV à 45 °C l'alimentent à 84 % sur la section la plus chargée

Partez des kilogrammes, pas des kVA par broche : 50 000 broches à anneaux produisant du fil à tricoter peigné Ne 30 (20 tex) à 27 g par broche-heure donnent 1 350 kg/h, soit sur 7 000 heures productives 9 450 t/an, et à 3,6 kWh par kilogramme — une valeur réaliste pour une filature équipée de peigneuses, d'autoconers et d'une installation d'humidification complète — cela représente 4 860 kW de demande moyenne et 5 430 kW au pic de 15 minutes. À un facteur de puissance de 0,87, la filature appelle 6,24 MVA, et la manière judicieuse de l'équiper est de quatre unités ONAN de 2 000 kVA 11/0,415 kV, une par groupe de charge physique, chacune portant 1,29–1,69 MVA, avec une cinquième unité gardée en réserve au sol car un remplacement de transformateur est une opération de huit heures et une semaine de production perdue. Trois éléments décident si cette conception survit à son premier été : l'ambiance à 45 °C que le cahier des charges doit stipuler plutôt que les 40 °C de la norme, 1 250 kVAr de compensation de facteur de puissance désaccordée qui libère 8 % de la demande, et des inductances de ligne à 4 % sur chaque variateur qui réduisent la distorsion de demande totale au point de raccordement commun 11 kV de 10,9 % à 5,9 % face au plafond IEEE 519 de 8,0 %. Réussissez ces trois points et l'ensemble du lot électrique coûte 330 000–370 000 USD sur une filature dont la machinerie coûte quarante fois plus ; ratez-les et vous passerez les deux premières années à discuter avec le distributeur d'une pénalité de facteur de puissance et à remplacer des contacteurs de condensateurs.

Points clés à retenir

• 3,6 kWh/kg × 1 350 kg/h donne 4 860 kW en moyenne et 5 430 kW en pointe — la méthode des kWh par kilogramme remplace toute table de kVA par broche, et c'est la seule méthode qui résiste à un changement de numéro de fil.
• Quatre unités de 2 000 kVA, pas une seule unité de 8 MVA : les charges de la filature sont quatre blocs de machines indivisibles, et à 45 °C une unité ONAN de 2 000 kVA ne vaut réellement que 1 860 kVA, si bien que la section la plus chargée se situe à 90 % de sa puissance déclassée — acceptable pour une charge constante de 7 000 h/an, inacceptable avec des hypothèses à 40 °C.
• 1 250 kVAr en cinq gradins commutés font passer le facteur de puissance de 0,87 à 0,95 et la demande de 6,24 à 5,73 MVA ; une inductance désaccordée à 7 % est obligatoire, pas facultative, car une simple batterie de condensateurs sur une filature dont 39 % de la charge est constituée de variateurs tombera en panne à l'harmonique 5.
• Le courant harmonique des variateurs 6 pulsations représente 28 % du courant des variateurs ; avec 39 % de la charge sur variateurs, cela donne 10,9 % de TDD au point de raccordement commun 11 kV, au-dessus de la limite IEEE 519 de 8,0 % pour un rapport de court-circuit de 40:1 — des inductances de ligne à 4 % le ramènent à 5,9 % pour environ 90 USD par variateur.
• À 7 000 h/an et 0,10 USD/kWh, les pertes à vide valent 876 USD par kW et par an et les pertes en charge 494 USD par kW ; le surcoût de 1 800 USD d'une unité S13 par rapport à une S11 est amorti en 2,1 ans, ce qui explique pourquoi l'évaluation des pertes doit figurer dans l'appel d'offres et non dans une note de bas de page.

Que consomme réellement une filature de coton peigné de 50 000 broches, en kW plutôt qu'en kVA par broche ?

Toutes les tables de kVA par broche en circulation sont des fossiles d'un numéro de fil particulier, d'une génération de machines particulière et d'un climat particulier. La manière honnête de dimensionner une filature est de multiplier la production par la consommation énergétique spécifique, car ces deux chiffres sont des données que le client connaît déjà, que ce soit par une filature voisine ou par la garantie d'un fournisseur de machines.

Le chiffre de production est le premier point où les propositions divergent. Un métier à anneaux filant du coton Ne 30 à une vitesse de broche de 15 000–17 000 tr/min avec une aiguille de 40–42 mm et une course de 20–22 mm produit 25–30 g par broche-heure ; 27 g est un juste milieu pour une filature bien entretenue mais qui n'exploite pas les métiers sans liaison les plus récents. Cinquante mille broches produisent donc 1 350 kg/h, et une filature qui tourne 300 jours à 23,3 heures effectives compte 7 000 heures productives et une production annuelle de 9 450 t. Passez au numéro Ne 40 et la production par broche chute d'un tiers tandis que l'énergie par kilogramme augmente d'un cinquième — c'est précisément pourquoi une table de dimensionnement exprimée en kVA par broche est sans valeur pour des gammes de produits variées, et pourquoi le bilan de charge ci-dessous est construit de bas en haut.

L'énergie spécifique d'une filature complète de fil à tricoter peigné — de la salle d'ouverture à l'autoconer, humidification, air comprimé et éclairage compris — se situe, selon l'expérience du secteur, entre 3,2 et 4,0 kWh/kg, avec 3,6 kWh/kg comme valeur de conception défendable pour le Ne 30. Cela comprend environ 1,1–1,3 kWh/kg pour la filature à anneaux elle-même, 0,7–0,9 kWh/kg pour la préparation du fil, 0,3–0,4 kWh/kg pour le bobinage, et le reste dans les services qui maintiennent le coton ouvrable à 55–65 % d'humidité relative.

En multipliant 1 350 kg/h par 3,6 kWh/kg, on obtient une demande moyenne de 4 860 kW. Une filature de ce type fonctionne à charge constante : le facteur de charge entre l'équipe de nuit et l'équipe de jour est de 0,90–0,94, car les machines ne s'arrêtent jamais et l'installation d'humidification fonctionne plus intensément l'après-midi ; la pointe sur 15 minutes ne dépasse donc la moyenne que de 12 %, à 5 430 kW. C'est ce chiffre qui dimensionne les transformateurs, et la consommation annuelle qui en découle — 34,0 GWh — est le chiffre qui dimensionne l'évaluation des pertes.

Le profil de charge ci-dessous est celui à remettre à un fabricant de transformateurs. À noter que c'est la colonne de la demande, et non celle de la puissance installée, qui dimensionne les unités : 6 494 kW de charge installée deviennent 5 430 kW de demande, car une filature ne démarre jamais toutes les machines en même temps et parce que les variateurs de fréquence de l'ouvraison, du cardage et du bobinage limitent leur propre courant.

Deux caractéristiques de ce profil conditionnent tout ce qui suit. La première est que 39 % de la demande — ouvraison, cardage, étirage, bancs à broches, bobinage et ventilateurs des CTA — est sur variateurs de vitesse, ce qui en fait un problème d'harmoniques déguisé en charge moteur. La seconde est que la charge est réellement plate : pas de changement d'équipe, pas de cycle de four, pas de processus par lots. Un transformateur dans une filature fonctionne à 84 % de sa puissance nominale pendant 7 000 heures par an et est sous tension 8 760 heures, et cette combinaison rend la capitalisation des pertes exceptionnellement favorable, comme le détaille la comparaison des classes de pertes pour les unités S11, S13 et S20.

Pourquoi quatre sous-stations unitaires de 2 000 kVA sont-elles préférables à un seul transformateur de 8 MVA dans une filature ?

Parce que la filature n'est pas une charge unique, mais quatre blocs de machines qui se trouvent partager un mur mitoyen, et parce que le coût d'une défaillance de transformateur se mesure en tonnes de fil au sol plutôt qu'en minutes d'arrêt.

Sectionnez la filature selon les lignes que le responsable de production utilise déjà. La préparation du fil — ouvraison, cardage et peignage — représente 1 120 kW et doit pouvoir fonctionner pendant que la filature est arrêtée pour un changement de numéro. La filature à anneaux se divise naturellement en deux moitiés de 21 métiers chacune, 1 460 kW et 1 470 kW, car une ligne de 42 métiers est aussi longue que le bâtiment et chaque moitié possède son propre jeu de barres côté entraînement. Les utilités — humidification, air comprimé, eau et éclairage — représentent 1 380 kW et doivent rester en service lorsque la production s'arrête, car une salle de filature qui perd l'humidité pendant deux heures perd les mèches sur les bobines.

Quatre unités de 2 000 kVA en 11/0,415 kV, Dyn11, ONAN, impédance 6 %, alimentant chacune un tableau BT avec un disjoncteur de couplage, donnent respectivement 1 287 kVA, 1 678 kVA, 1 690 kVA et 1 586 kVA de charge — soit 64 %, 84 %, 84 % et 79 % du nominal. L'alternative, une unité unique de 8 MVA en 11/0,415 kV avec un seul tableau BT de 8 000 A, coûte environ 45 000 USD de moins et correspond à une conception qu'un consultant européen reconnaîtrait. C'est aussi la conception qui transforme un défaut de jeu de barres de 40 kA en un défaut de 200 kA, rend l'appareillage BT indisponible chez trois des quatre fournisseurs consultés, et convertit la défaillance d'un transformateur en une perte totale de production au lieu d'une perte de 25 %.

Il existe une seconde raison, moins évidente, de préférer les sous-stations unitaires : le câble. En 415 V, une section de 1 690 kVA transporte 2 350 A, ce qui nécessite quatre câbles d'alimentation en cuivre de 400 mm² par phase sur une longueur de 90 m ; à 8 MVA, le même tableau nécessiterait seize câbles, et la tranchée de câbles à elle seule coûterait plus cher que les transformateurs. Maintenir la transformation au plus près de la charge est la décision d'ingénierie la plus économique de toute la filature, et c'est pourquoi l'anneau principal 11 kV doit être acheminé au-dessus de la salle de filature plutôt qu'en périmètre.

L'unité de rechange mérite sa propre ligne au budget. Une filature textile n'achète pas la redondance N-1 en transformateurs comme le fait un centre de données — le calcul ne le justifie jamais, car la quatrième unité resterait à 20 % de charge pendant toute sa durée de vie. Ce que font réellement les filatures, et ce que l'appel d'offres doit stipuler, c'est acheter quatre transformateurs et une cinquième unité identique qui reste en caisse au magasin. En cas de défaillance d'une unité, une grue de location de 50 t et huit heures de travail rétablissent la production complète ; sans la rechange, un délai de fabrication de 6–10 semaines transforme une panne de transformateur en une saison perdue. La rechange coûte 28 000 USD, soit deux jours et demi de la facture d'électricité de cette filature.

Combien vous coûte une température ambiante de 45 °C en capacité de transformateur ?

Sept pour cent de la plaque signalétique, et la différence entre une spécification honnête et une spécification simplement conforme.

La norme IEC 60076-2 caractérise un transformateur à diélectrique liquide pour une température ambiante maximale de 40 °C, une moyenne mensuelle de 30 °C et une moyenne annuelle de 20 °C. Une filature à Dhaka, Chittagong, Hô Chi Minh-Ville ou Jakarta n'a pas ce climat, et son local transformateurs non plus : un local abritant deux unités de 2 000 kVA dissipant 22 kW chacune, ventilé par des persiennes, se situe 5–8 °C au-dessus de l'air extérieur en avril. La température ambiante de conception du local est donc de 45 °C, parfois 47 °C, et un transformateur de 2 000 kVA à 40 °C délivre environ 1 860 kVA à 45 °C et environ 1 760 kVA à 50 °C selon le déclassement standard de 1 % par degré au-dessus de la référence pour les unités ONAN.

C'est ce déclassement qui porte la charge de section du paragraphe précédent à 90 % plutôt qu'à 84 %, et c'est pourquoi le bon de commande doit préciser trois éléments habituellement laissés à la discrétion du fabricant : la température ambiante maximale de 45 °C, la moyenne mensuelle de 35 °C, et l'exigence que l'échauffement garanti soit respecté à 45 °C plutôt qu'à 40 °C. Un fournisseur à qui l'on demande une unité de 2 000 kVA avec une ambiance de 45 °C et un échauffement d'huile en haut de cuve de 65 K ajoutera soit des radiateurs, ce qui est peu coûteux, soit proposera une unité ONAN/ONAF avec ventilateurs, moins chère à l'achat et plus chère à l'exploitation. Demandez par écrit laquelle des deux options est proposée avant de comparer les prix.

L'alternative pratique au déclassement n'est pas un transformateur plus gros, c'est un meilleur local. Un débit de ventilation forcée de 1 m³/s par 100 kW de pertes, une prise d'air en partie basse du côté ombragé et un dégagement de 1,5 m devant les radiateurs maintiennent le local à 5 °C de l'ambiance ; le même local avec persiennes seules, sans ventilateur et avec les transformateurs collés à un mur fonctionnera à 12 °C au-dessus. Deux ventilateurs de 1,1 kW coûtent 900 USD et récupèrent 100 kVA de capacité par unité — le poste au meilleur rapport qualité-prix de tout le lot électrique, et celui le plus souvent supprimé lors de l'optimisation des coûts. Le mode de refroidissement et son effet sur la puissance nominale sont traités plus en détail dans le guide sur les modes de refroidissement et l'échauffement.

De quelle compensation du facteur de puissance une filature a-t-elle besoin, et pourquoi doit-elle être désaccordée ?

1 250 kVAr en cinq gradins de 250 kVAr, commandés par un régulateur de facteur de puissance avec une consigne à 12 gradins de 0,95, et chaque gradin derrière une self de 7 %.

Le facteur de puissance non corrigé de l'usine, de 0,87, provient de 1 700 kW de petits moteurs asynchrones sur les métiers à anneaux et les bancs d'étirage fonctionnant à 85–88 % de leur charge nominale, ainsi que du facteur de déplacement des étages d'entrée des variateurs de fréquence (VFD). Les distributeurs d'électricité d'Asie du Sud et du Sud-Est pénalisent, selon l'expérience du secteur, un facteur inférieur à 0,85–0,90 dans l'industrie, et la pénalité s'applique à la totalité de la facture ; corriger 6,24 MVA à 0,87 vaut donc la peine, même avant de considérer la capacité libérée. Élever 5 430 kW de 0,87 à 0,95 nécessite 5 430 × (0,5667 − 0,3287) = 1 292 kVAr ; cinq gradins de 250 kVAr donnent 1 250 kVAr, un facteur de puissance final de 0,948 et une demande de 5,73 MVA au lieu de 6,24 MVA.

Cette réduction de 8 % semble modeste, et dans une usine équipée de quatre unités de 2 000 kVA, ce n'est pas l'essentiel. L'essentiel, c'est la clause du distributeur non respectée et la capacité libérée sur le départ 11 kV du distributeur, qui constitue souvent la contrainte limitante lorsqu'une usine veut ajouter 10 000 broches sans payer pour un nouveau départ. C'est aussi la différence entre un facteur de puissance de 0,87 et de 0,95 sur le générateur que l'usine achètera ensuite, et les générateurs sont facturés en kVA.

Le désaccord n'est pas un raffinement. Une charge VFD de 39 % produit des courants harmoniques de rang 5 et 7 représentant 15–25 % du fondamental, et une simple batterie de condensateurs forme une résonance parallèle avec le transformateur et l'inductance de source quelque part entre le 5e et le 7e harmonique. La résonance amplifie la tension harmonique, le courant du condensateur dépasse sa valeur nominale et les contacteurs se soudent. Une réactance de 7 % déplace la résonance série à 189 Hz, en dessous du 5e rang, de sorte que la batterie est inductive à 250 Hz et au-delà et ne peut pas y entrer en résonance ; la même réactance élimine également 30–40 % du courant harmonique de rang 5, ce qui contribue gratuitement au budget harmonique de la section suivante. L'alternative — les filtres actifs — coûte quatre fois plus cher et se justifie dans une usine dont la charge de variateurs atteint 70 %, pas 39 %.

Deux détails déterminent la survie de la batterie. Les gradins doivent être dimensionnés de sorte qu'aucun ne dépasse 20 % de la puissance nominale du transformateur, ce qui, pour une unité de 2 000 kVA, signifie que 250 kVAr est le maximum pratique. Et le contrôleur doit disposer d'un verrouillage de régénération : lorsqu'un métier à anneaux décélère, il renvoie de l'énergie par le bus continu, le contrôleur détecte un facteur de puissance capacitif et commute les gradins, et les contacteurs tombent en panne en moins d'un an. Réglez le temporisateur de gradin du contrôleur à 30 s et sa consigne à 0,95 plutôt qu'à 1,0, et ce mode de défaillance disparaît.

Les harmoniques des VFD de cardage et de bobinage respecteront-ils la limite IEEE 519 du distributeur ?

Pas sans réactances de ligne. Avec elles, oui, avec une marge.

Partons du variateur. Un étage d'entrée à diodes 6 pulses avec bus continu et sans réactance CA présente une distorsion harmonique totale de courant de 28–32 % à charge nominale ; le spectre est dominé par les rangs 5 et 7, les rangs 11 et 13 étant à 8–9 %. Comme la charge de variateurs de l'usine représente 2 110 kW sur 5 430 kW, soit 39 %, la distorsion de demande totale au tableau BT n'est pas de 28 % mais d'environ 28 % × 0,39 = 10,9 %, et un transformateur n'atténue pas le courant harmonique — les mêmes ampères arrivent au point de raccordement commun 11 kV, de sorte que le TDD y est également d'environ 10,9 %.

Le respect de la limite dépend du rapport de court-circuit. Le niveau de défaut 11 kV au départ d'arrivée de l'usine est typiquement de 200–300 MVA dans une zone industrielle ; à 250 MVA et une demande de 6,24 MVA, le rapport I_SC/I_L est de 40. Le tableau 2 de l'IEEE 519 autorise un TDD de 8,0 % pour ce rapport à 1–69 kV, de sorte que 10,9 % échoue largement. Ajoutez une réactance de ligne CA de 4 % à chaque variateur et la distorsion individuelle tombe à 14–16 %, donnant un TDD de 5,9 % au point de raccordement commun — dans la limite, avec de la marge pour le 3e harmonique provenant de l'éclairage et des charges de bureau. Une réactance de 4 % pour un variateur de 45 kW coûte environ 90 USD ; la même réactance installée plus tard, après que le distributeur a émis un avis de non-conformité, coûte un arrêt de production et un consultant.

La spécification du transformateur découle du même calcul. Avec 39 % de la charge sur variateurs, le facteur de pertes harmoniques est modeste — un facteur K d'environ 4 — et un transformateur de distribution standard suffit. Si l'usine ajoute ultérieurement de la filature à anneaux 11 kV avec étages d'entrée actifs, ou un grand onduleur pour le laboratoire, le facteur K augmente et le guide des harmoniques explique comment déclasser l'unité plutôt que de la remplacer. Deux points pratiques relèvent de la spécification de l'appareillage plutôt que de celle du transformateur : les tableaux BT doivent avoir un pouvoir de coupure de 50 kA, car 2 000 kVA à 6 % d'impédance donnent 46,3 kA, et la barre neutre doit être dimensionnée pour le 3e harmonique provenant des charges monophasées des bureaux et de la cantine, ce qui signifie en pratique un neutre de pleine section plutôt que le neutre à 50 % souvent proposé.

Une autre source d'harmoniques est facile à négliger dans une filature : les épurateurs de fil électroniques sur les bobinoirs automatiques et les variateurs sur les nettoyeurs voyageurs aériens. Ensemble, ils représentent 30–60 kW, mais ils sont répartis sur 90 m de machine et injectent des harmoniques à l'extrémité du jeu de barres BT, là où l'impédance est la plus élevée. Spécifiez une self de 3 % sur chaque alimentation d'épurateur, ou acceptez 1–2 % de distorsion de tension supplémentaire au dernier bobinoir automatique — ce qui se manifeste par de fausses coupures d'épurateur, et non par une lecture d'harmoniques à l'arrivée.

Pourquoi l'installation d'humidification importe-t-elle plus au transformateur que les broches ?

Parce que 880 kW des 5 430 kW de la filature servent à maintenir 55–65 % d'humidité relative, et parce que sa perte arrête la production plus vite que la perte d'un métier à filer à anneaux.

Le coton à 8 % de reprise d'humidité retrouve sa résistance et son extensibilité ; à 6 %, il est cassant et les fils cassent. Une salle de filature exploite donc une chambre de pulvérisation ou un système de lavage d'air avec des ventilateurs de soufflage et d'extraction assurant 8–12 renouvellements d'air par heure, plus une installation de réfrigération ou de refroidissement par évaporation dimensionnée pour le bulbe humide du site. Cela représente 880 kW en pointe, 16 % de la charge de la filature, et c'est la charge au comportement de coïncidence le plus défavorable : elle atteint son maximum l'après-midi, lorsque le bulbe humide extérieur est le plus élevé, ce qui correspond aussi à la pleine production de la filature.

La conséquence pour le transformateur est spécifique. Les ventilateurs d'humidification sont les plus grosses charges à variateur de la filature, à 75–110 kW chacun, et ils tournent à 70–100 % de vitesse toute l'année, contribuant ainsi à un courant harmonique constant et à 480 kW de pertes de charge constantes dans les transformateurs. Ils ne peuvent pas non plus être délestés : couper la CTA pendant dix minutes augmente le taux de rupture de fil pour les deux heures suivantes. Lorsque la filature perd l'un de ses quatre transformateurs, la séquence de délestage doit donc couper d'abord le bobinage et le conditionnement, ensuite la filature à anneaux, et jamais l'humidification — et le schéma de sectionnement BT doit être dessiné de manière qu'un agent du réseau sous pression puisse voir cet ordre sans lire une procédure.

Il existe aussi une interaction de refroidissement qui piège les concepteurs. L'installation de CTA se trouve généralement sur le toit ou dans un bloc technique adjacent au poste, et son condenseur ou l'échappement de la chambre de pulvérisation rejette de l'air saturé à 30–32 °C. Si la prise d'air du local transformateur est sur le même mur, les transformateurs respirent un air à 95 % d'humidité relative, et les unités immergées dans l'huile condensent de l'eau dans le conservateur sur un cycle de deux ans. Placez la prise d'air sur l'élévation opposée, ou spécifiez une cuve étanche IP54 et un dessiccateur à gel de silice avec godet à huile, et ce problème n'existe pas. La même logique d'humidité côtière qui régit le choix entre huile minérale, ester et silicone s'applique à l'ensemble du local, pas seulement au fluide.

Immergé dans l'huile ou coulée en résine : quel transformateur appartient à une salle de filature ?

Immergé dans l'huile dans un local coupe-feu, coulé en résine uniquement là où un local est impossible — et jamais immergé dans l'huile à l'intérieur de la salle de filature elle-même.

L'instinct de placer des transformateurs secs à proximité de la charge est juste dans un centre de données et faux dans une usine textile. Une salle de filature contient 15–25 g/m³ de poussière de coton et de fibres en suspension, qui recouvrent chaque surface de refroidissement en un mois ; le refroidissement d'un transformateur coulé en résine se fait par convection naturelle sur une grande surface de bobine, et cette surface est exactement ce que les fibres en suspension recouvrent. Le résultat est une unité qui fonctionne 15–20 K plus chaud que son rapport d'essai, et les unités sèches AN/AF avec ventilateurs sont pires car les ventilateurs deviennent un filtre. Les unités immergées dans l'huile dans un local séparé et pressurisé évitent entièrement le problème : la cuve est scellée, les radiateurs sont hors de la zone poussiéreuse, et le degré coupe-feu du local est un coût de construction, pas un coût de transformateur.

L'incendie et l'assurance décident du reste. Une unité immergée dans l'huile de 2 000 kVA contient environ 1 800 kg d'huile minérale, et l'assureur incendie d'une filature exigera soit un compartiment coupe-feu de 2 heures avec un seuil de 150 mm et une fosse de drainage, soit une unité sèche d'une classe de feu reconnue. Au Bangladesh, au Vietnam et en Indonésie, le compartiment est généralement moins cher que la prime du type sec, qui pour quatre unités de 2 000 kVA représente 60 000–80 000 USD. Là où un compartiment ne peut véritablement pas être construit — une extension en toiture, un bâtiment loué, une structure patrimoniale — le coulé en résine est la bonne réponse, et la spécification doit alors être conforme à la CEI 60076-11 classe F ou H avec une enveloppe IP31 et des filtres remplaçables sans outil. Le compromis entre les deux familles de construction est exposé dans la sélection huile versus type sec, et les deux sont disponibles dans la classe 11 kV dont cette filature a besoin.

Le bruit est le dernier critère à considérer et le moins important dans une salle de filature, où les broches elles-mêmes produisent 85–88 dBA. Une unité ONAN de 2 000 kVA à 58–62 dB(A) à 1 m est inaudible dans cet environnement, mais elle n'est pas inaudible dans le bâtiment administratif, et la garantie de niveau sonore doit être citée selon l'IEC 60076-10 avec la distance de mesure précisée. Lorsque le poste est mitoyen des bureaux, c'est une raison de déplacer le poste, non d'acheter un transformateur plus silencieux avec une prime de 15 % — voir niveaux de bruit des transformateurs pour les chiffres qui sous-tendent ce jugement.

Que se passe-t-il avec le transformateur lorsque la filature fonctionne sur son propre groupe électrogène ?

Il fonctionne en sens inverse, et trois aspects doivent être conçus pour cela avant la première coupure plutôt que pendant celle-ci.

Presque toutes les filatures de filature en Asie du Sud et en Asie du Sud-Est disposent de 2–4 MW de production diesel ou gaz pour le délestage, raccordée en 415 V et réalimentée par les mêmes postes unitaires que ceux alimentés par le réseau. L'alimentation inverse n'a rien d'électriquement remarquable — un transformateur ne se soucie pas de quel côté se trouve la source — mais la protection, la mise à la terre et la séquence de démarrage changent toutes, et les modes de défaillance sont bien connus.

Premièrement, le courant d'appel. Lorsque le réseau revient et que le commutateur de transfert se ferme, le transformateur est réalimenté depuis le côté 11 kV alors que son noyau peut se trouver à la rémanence la plus défavorable ; le courant d'appel atteint 8–12 fois le courant nominal pendant jusqu'à 100 ms, et si le groupe électrogène est encore en parallèle, il l'interprète comme un défaut et déclenche sur surintensité. Le verrouillage doit donc ouvrir le disjoncteur BT du transformateur avant la mise en parallèle du groupe électrogène, et le transfert doit être à coupure avant fermeture avec un temps mort de 10–15 s. L'alimentation inverse du transformateur depuis le groupe électrogène est acceptable en service continu jusqu'à 70–80 % de la puissance nominale, mais elle doit être un mode de fonctionnement délibéré, non un accident. Le mécanisme à l'origine de ce courant est traité dans le guide sur le courant d'appel des transformateurs.

Deuxièmement, la mise à la terre. Le système 11 kV est mis à la terre par le neutre du transformateur du réseau ; lorsque la filature fonctionne en îlotage, la seule référence de terre est le neutre du groupe électrogène, et si le groupe est une machine 415 V dont le neutre est relié au tableau BT, le neutre Dyn11 du transformateur devient un second chemin parallèle. Il en résulte un courant de circulation dans la barre de terre et des déclenchements intempestifs de défaut à la terre. La solution propre consiste en un point unique de mise à la terre du neutre par système, sélectionné par un sectionneur de mise à la terre du neutre verrouillé avec le commutateur de transfert, et un relais de défaut à la terre sur le neutre du groupe électrogène réglé à 10–20 % de la puissance nominale du groupe. C'est le défaut le plus fréquemment relevé lors des audits de mise en service des filatures de cette taille, et sa conception coûte environ 4 000 USD tandis que sa correction ultérieure coûte une semaine de production.

Troisièmement, la charge. Un transformateur de 2 000 kVA réalimenté en 415 V et chargé à 1 690 kVA présente les mêmes pertes et la même élévation de température qu'en alimentation directe — mais le groupe électrogène en amont est généralement de 1 000–1 500 kVA, de sorte que la limite pratique pendant une coupure est le groupe électrogène, non le transformateur. Le schéma de délestage qui protège le groupe électrogène (préservation de la filature à anneaux, arrêt du bobinage et de l'humidification) doit donc être le même que celui qui protège le transformateur, et le rédiger deux fois garantit qu'ils seront en désaccord.

Que doit indiquer la fiche de spécification du transformateur ?

Les paramètres ci-dessous sont ceux qui modifient le prix, le délai de livraison et les performances du premier été. Tout le reste est standard et chaque fabricant crédible le cite de la même manière.

L'appel d'offres doit également exiger un certificat de tenue aux courts-circuits selon IEC 60076-5 et une mesure des pertes selon IEC 60076-1 avec un compteur étalonné, car la différence entre 1,9 kW annoncés et 2,4 kW mesurés de pertes à vide représente 438 USD par an et par unité au tarif de cette filature — ce qui, sur une durée de vie de quinze ans, dépasse l'écart de prix entre deux fournisseurs crédibles. La capitalisation des pertes, et non le prix le plus bas, est le critère d'attribution correct, et son mécanisme est décrit dans dimensionnement du transformateur et formule budgétaire.

Combien coûte le lot électrique, et où va l'argent ?

330 000–370 000 USD pour le lot complet 11 kV et 415 V d'une filature dont les métiers à filer seuls coûtent 20–25 millions USD, dont 140 000 USD pour les transformateurs, rechange inclus.

La part des transformateurs est de 40 %, et c'est la part au délai de livraison le plus long et au plus grand risque d'erreur de spécification. Deux ratios méritent d'être emportés en réunion budgétaire. Le coût des transformateurs représente 0,25–0,35 % du capex total de la filature et 1,5–2,0 % du capex électrique ; toute valeur hors de cette plage signifie soit une spécification inhabituelle (tout en sec, unités K-13, 33 kV), soit une conception sous-dimensionnée qui sera déclassée dans les deux ans.

Le coût d'exploitation est là où la conception se révèle vraiment. À 34,0 GWh par an et 0,10 USD/kWh, la filature dépense 3,4 millions USD en électricité ; les pertes du transformateur au niveau S13 — 4 × (1,9 + 19,0 × 0,71) = 61,6 kW — s'élèvent à 431 MWh, soit 43 100 USD par an, environ 1,3 % de la facture. Passez aux noyaux amorphes et cela tombe à 34 600 ; restez sur S11 et cela monte à 47 600. Sur quinze ans, l'écart entre le meilleur et le pire choix est de 190 000 USD pour un achat de 120 000 USD, ce qui explique pourquoi la formule d'évaluation des pertes doit figurer dans les documents d'appel d'offres et non dans une note technique séparée.

Quelles cinq erreurs apparaissent dès la première année d'une nouvelle filature ?

Les mêmes cinq, dans le même ordre, dans les filatures de Gazipur à Bandung. Chacune est peu coûteuse à éviter au stade de la conception et coûteuse à corriger ensuite.

• Dimensionnement sur la charge connectée. Une charge connectée de 6 494 kW invite à un achat de 8 MVA. La filature fonctionne alors à 39 % de charge, les pertes à vide sont payées à leur pleine valeur pendant quinze ans, et le facteur de puissance est plus mauvais qu'il ne devrait l'être. C'est la demande, et non la charge connectée, qui compte ; le facteur d'utilisation ici est de 0,84 et il est connaissable avant l'arrivée de la première machine.
• Spécifier une ambiance de 40 °C parce que la norme le dit. Le transformateur arrive conforme et fonctionne à 90–95 % de sa plaque signalétique en avril avec une température d'huile supérieure de 8 K à la garantie. Le fabricant n'est pas en cause ; la spécification l'était. Indiquez la température ambiante et exigez la garantie à cette température.
• Pas de réacteurs de ligne sur les variateurs de fréquence. Le distributeur mesure un TDD de 10,9 % contre une limite de 8,0 %, émet un avis, et la modification doit être réalisée sur 200 variateurs avec la filature en fonctionnement. Les réacteurs à 4 % coûtent 90 USD par variateur en usine et environ 400 USD par variateur après coup.
• Condensateurs simples au lieu de batteries désaccordées. La batterie entre en résonance avec l'alimentation à l'harmonique 5, les boîtiers de condensateurs gonflent et les contacteurs se soudent en 6–18 mois, et le remplacement échoue de la même manière parce que la cause n'a jamais été traitée.
• Pas de transformateur de secours sur site. Un délai de livraison de 6–10 semaines pour un appareil de 2 000 kVA transforme un défaut réparable en un trimestre perdu. Le secours coûte 2,5 jours de la facture d'électricité de la filature et constitue l'assurance la moins chère du projet.

Deux de ces cinq erreurs — l'ambiance et les harmoniques — sont visibles dans le premier échantillon d'huile du transformateur et dans la première lecture du compteur du distributeur, c'est-à-dire dans les trois mois. Le guide du facteur de charge et de la surcharge explique comment lire l'historique de charge que le comptage de la filature collecte déjà, et le guide du fonctionnement en parallèle couvre le cas où la filature ajoute plus tard une cinquième unité à côté des quatre au lieu d'en remplacer une. Ni l'un ni l'autre ne remplace le fait de bien réussir les quatre premières.

Ce dont une filature a réellement besoin de la part de son fournisseur de transformateurs n'est pas d'une référence de catalogue, mais d'un bilan de charge examiné au regard d'un climat spécifique, d'un programme de filature spécifique et d'un générateur spécifique. Une filature qui achète 6,24 MVA de capacité de transformateur pour une pointe de 5,43 MW, spécifie 45 °C, désaccorde sa compensation et garde un secours sur le site s'est offert quinze ans sans avoir à penser à son poste de transformation. C'est là tout l'objectif, et il est atteignable pour 330 000 USD.

Sources / 资料来源

Source : IEC 60076-1 — Transformateurs de puissance : Généralités (puissance assignée, tolérances, essais individuels).
Source : IEC 60076-2 — Transformateurs de puissance : Échauffement des transformateurs immergés dans un liquide (température ambiante maximale de 40 °C, référence mensuelle de 30 °C, référence annuelle de 20 °C).
Source : IEC 60076-3 — Transformateurs de puissance : Niveaux d'isolement, essais diélectriques et distances d'isolement dans l'air.
Source : IEC 60076-5 — Transformateurs de puissance : Aptitude à supporter les courts-circuits.
Source : IEC 60076-7 — Transformateurs de puissance : Guide de charge pour transformateurs de puissance immergés dans l'huile minérale.
Source : IEC 60076-10 — Transformateurs de puissance : Détermination des niveaux de bruit.
Source : IEC 60076-11 — Transformateurs de puissance : Transformateurs à sec.
Source : IEC 60076-20 — Transformateurs de puissance : Efficacité énergétique.
Source : IEC 60909-0 — Courants de court-circuit dans les réseaux triphasés à courant alternatif : Calcul des courants.
Source : IEC 60364-4-41 — Installations électriques à basse tension : Protection contre les chocs électriques.
Source : IEC 60364-5-52 — Installations électriques à basse tension : Choix et mise en œuvre des canalisations.
Source : IEC 61000-3-6 — Compatibilité électromagnétique : Évaluation des limites d'émission pour les charges déformantes dans les réseaux MT et HT.
Source : IEEE 519-2014 — Pratiques recommandées et exigences relatives à la maîtrise des harmoniques dans les réseaux électriques (Tableau 2, 1 kV < V ≤ 69 kV).
Source : IEEE C57.110 — Pratiques recommandées pour établir la capacité d'un transformateur alimentant des courants de charge non sinusoïdaux.
Source : ISO 12944 — Anticorrosion des structures en acier par systèmes de peinture protectrice (catégories C4-M et C5-M).
Source : Retour d'expérience industriel — consommation énergétique spécifique de 3,2–4,0 kWh/kg pour le fil à tricoter en coton peigné Ne 20–40, et production de 25–30 g par broche-heure en filature à anneaux, selon les rapports de filatures au Bangladesh, au Vietnam et en Indonésie, 2020–2025.
Source : Retour d'expérience industriel — seuils de pénalité de facteur de puissance de 0,85–0,90 appliqués aux consommateurs industriels au Bangladesh, au Vietnam et en Indonésie, 2025.
Source : Équipe d'ingénierie QDTB — bilans de charge des projets et spécifications de transformateurs pour les filatures et tissages en Asie du Sud et du Sud-Est, 2019–2026.