Transformateur pour usine de pâte et papier : comment dimensionner la distribution MT pour une ligne de machine à papier, pourquoi les harmoniques des variateurs de fréquence et le démarrage des raffineurs déterminent la spécification, et quand le type sec surpasse le type à huile

La réponse d'abord : le dimensionnement d'un transformateur pour une usine de pâte et papier découle de la liste des charges par zone et de l'exigence de maintien de fonctionnement de la machine à papier, et non d'un référentiel en kWh par tonne. Ce qui détermine réellement la puissance nominale, ce sont trois éléments sans rapport avec la demande moyenne : le courant harmonique que les entraînements sectionnels de la machine à papier réinjectent dans le bus 690 V, le courant de démarrage du plus gros moteur de raffineur de l'usine de pâte, et le fait qu'un creux de tension de 150 ms coûte une rupture de feuille à l'usine tandis qu'un creux de 300 ms lui coûte un redémarrage. Une spécification compétente commence donc par une liste des charges par zone de l'usine, applique un facteur de demande et de diversité par zone, déclassifie le transformateur selon le spectre harmonique mesuré, vérifie le creux de tension au démarrage du plus gros moteur, et ne fixe qu'ensuite l'impédance qui maintient les tableaux 690 V et 11 kV dans leurs limites de courant de défaut.

Points clés à retenir

• Une machine à papier moderne est un système d'entraînement avant d'être une charge : 80–150 entraînements sectionnels sur un même bus 690 V, la plupart régénératifs, la plupart dotés d'un redresseur à diodes ou d'un front actif qui détermine la contrainte harmonique du transformateur.
• Dimensionnez les transformateurs de la machine à papier à partir de la liste des charges par zone avec un facteur de demande de 0,5–0,75, puis déclassifiez pour les harmoniques selon IEEE C57.110 — un bus 690 V avec redresseurs à 6 impulsions perd 13–20 % de sa capacité de transformateur avant même d'ajouter une marge.
• Le plus gros moteur individuel d'une usine de pâte — un raffineur TMP de 10–30 MW — fixe la robustesse minimale du bus. Un raffineur de 12 MW démarré en direct sur un transformateur de 40 MVA à 8 % fait chuter le bus 11 kV de 12,5 % ; sur 25 MVA, il le fait chuter de 18,7 % et déclenche tous les entraînements du même tableau.
• Les transformateurs secs à résine coulée ont leur place à l'intérieur de la salle des machines, dans la zone de préparation de la pâte et à l'atelier de blanchiment ; les transformateurs immergés dans l'huile ont leur place en extérieur à 33 kV et à l'élévation du générateur. La décision repose sur la charge calorifique et la corrosion, pas sur le prix.
• Pour une usine fonctionnant 8 000 heures par an, 1 kW de pertes à vide représente environ 7 300 USD de coût capitalisé sur 20 ans à 0,08 USD/kWh — plus que l'écart de prix entre classes de rendement sur un appareil de 4 MVA.

Pourquoi une papeterie est-elle un problème électrique avant d'être un problème de transformateur ?

Une usine de pâte et papier intégrée n'est pas une charge unique avec un seul facteur de charge. C'est huit ou neuf zones de procédé aux comportements électriques totalement différents, réparties sur 1–2 km de site et raccordées à une unique interconnexion à 132 kV ou 110 kV. Le parc à bois démarre et arrête des convoyeurs toute la journée. Le digesteur fait tourner des pompes en continu à une charge stable de 90 %. L'atelier de blanchiment compte des dizaines de petits entraînements dans une atmosphère de dioxyde de chlore. Les raffineurs de préparation de la pâte absorbent 20–40 MW et démarrent peut-être deux fois par jour. La machine à papier tourne 24 heures sur 24 avec une disponibilité de 95 % et un profil de charge si plat que son facteur de demande semble constant. La chaudière de récupération et le turbogénérateur font du site un producteur d'électricité pendant une partie de l'année.

Chacune de ces zones possède son propre transformateur, son propre niveau de défaut et sa propre raison de défaillir. C'est pourquoi l'unité utile de spécification dans une usine est le poste de zone, et non le total de l'usine. Un chiffre de kVA à l'échelle de l'usine ne vous dit rien sur la capacité du bus 690 V à encaisser un échelon de charge de lame de coucheuse, ni sur la tenue du tableau 11 kV au démarrage du raffineur.

Deux conséquences découlent de ce tableau. Premièrement, la capacité totale de transformation de l'usine est généralement de 1,4–1,8 fois sa demande maximale, car les zones ne présentent pas leur pointe simultanément et parce que chaque zone doit disposer d'un chemin de maintenance hors service sans arrêter la machine. Deuxièmement, le parc de transformateurs est hétérogène : une usine de 700 t/j comptera 25–40 transformateurs de plus de 1 MVA, et ceux qui provoquent des arrêts ne sont presque jamais les plus gros.

Quelle charge raccordée une ligne de machine à papier de 700 t/j supporte-t-elle réellement ?

Prenons une machine à papier fin couché d'une laize de 8,4 m, d'une vitesse nominale de 1 500 m/min et d'une production de 700 t/j, soit 29,2 t/h. La machine elle-même — et non l'usine de pâte en amont — supporte environ 17 MW de charge raccordée. La liste des charges ci-dessous est le type de liste qui devrait être jointe à la consultation pour le transformateur ; si un fournisseur chiffre un transformateur de machine à papier sans une telle liste, le chiffre n'est qu'une estimation.

À un facteur de puissance de déplacement de 0,96, la demande est de 10,9 MVA. C'est le chiffre auquel la plupart des gens s'arrêtent, et c'est le mauvais chiffre. Le transformateur qui alimente ce bus voit un courant déformé, et non sinusoïdal, de sorte que sa capacité utilisable est inférieure à sa plaque signalétique — le calcul de la section harmoniques ci-dessous fait passer 10,9 MVA à 12,8 MVA. Quatre unités de 4 MVA se situent alors à 80 % de charge chacune, ce qui est la charge pour laquelle un transformateur de machine à papier doit être conçu : suffisamment élevée pour justifier l'actif, suffisamment faible pour absorber une extension de section ou une modernisation d'entraînement sans nouveau transformateur. Que 80 % constitue une charge continue sûre pour une conception spécifique dépend de l'élévation du point chaud et du cycle de charge journalier, ce qui fait l'objet du guide du facteur de charge et des surcharges.

Note sur les unités : le bus de machine à papier est généralement spécifié à 690 V, et non à 400 V. À 690 V, un transformateur de 4 MVA délivre 3 347 A, ce qui reste dans la plage de l'appareillage standard 690 V. À 400 V, le même 4 MVA nécessiterait 5 774 A, ce qui impose des câbles en parallèle, un appareillage en parallèle et un courant de défaut bien plus important au MCC. Ce seul choix — 690 V contre 400 V — est la décision de tension la plus déterminante sur une machine à papier, et il est généralement pris par le fournisseur d'entraînement avant même que le transformateur ne soit évoqué.

Quelle architecture de tension une papeterie doit-elle utiliser ?

La plupart des usines s'établissent sur quatre niveaux, les chiffres exacts étant fixés par le distributeur local plutôt que par préférence. En Europe et dans une grande partie de l'Asie, la chaîne est 132 ou 110 kV en entrée, 33 ou 35 kV sur le site, 11 ou 10 kV vers les gros moteurs et les sous-stations de zone, 690 V vers les systèmes d'entraînement et 400 V vers l'éclairage et les petits auxiliaires. En Amérique du Nord, la même architecture apparaît en 138/115 kV, 34,5/13,8 kV, 4,16 kV et 480 V.

Le niveau de tension n'est pas un choix libre : la boucle 33 kV existe parce que l'usine est physiquement longue et que des câbles 11 kV jusqu'à l'extrémité du site seraient non économiques à 20 MW. Le niveau 11 kV existe parce que les moteurs de 8–30 MW ne sont pas construits en 690 V. Le niveau 690 V existe parce que les puissances des entraînements s'arrêtent au-delà d'environ 2 MW et parce que la machine à papier a besoin de centaines de petits entraînements sur un bus commun. Chaque niveau a un transformateur entre lui et le suivant, et chacun de ces transformateurs a un rôle différent : les unités 132/33 kV portent le site, les unités 33/11 kV portent le courant de démarrage, les unités 33/0,69 kV portent les harmoniques. Le même raisonnement, appliqué individuellement aux options 6, 10, 11, 20 et 33 kV, est exposé dans le guide de sélection de la classe de tension.

Pourquoi le bus d'entraînement 690 V est-il le véritable centre d'une machine à papier moderne ?

Une machine à papier est une bande continue défilant à 1 500–2 000 m/min à travers une séquence de pinces : caisse de tête, toile, presse, sécherie, presse encolleuse, calandre, enrouleuse. La bande ne peut tolérer aucun désaccord de vitesse entre sections, de sorte que chaque section est entraînée par son propre moteur sous contrôle de tension ou de vitesse en boucle fermée. Une machine moderne compte 80–150 sections de ce type, de 5 kW pour un rouleau de retour de toile à 400–600 kW pour le tambour d'enrouleuse.

Cette architecture produit une charge aux propriétés pour lesquelles un transformateur de distribution conventionnel n'a pas été conçu : un facteur de puissance de déplacement proche de l'unité, une forte teneur en harmoniques issue des étages redresseurs et — sur les dérouleurs, enrouleuses et calandres — un flux de puissance inverse soutenu lorsque l'entraînement décélère ou maintient la tension. Le transformateur sur ce bus n'est donc pas un dispositif kVA passif. Il fait partie du système d'entraînement, et son impédance, sa capacité harmonique et sa constante de temps thermique se manifestent toutes dans le comportement de la machine.

Le bus DC commun a changé l'arithmétique. Lorsque 40 sections partagent un bus DC, l'énergie libérée par une section de séchage en décélération alimente une section en accélération, et seule la différence nette retourne côté AC. Cela réduit le nombre de résistances de freinage, réduit le cyclage thermique du transformateur et fait de l'unité d'alimentation AFE — typiquement 2–4 MW — le seul redresseur que le transformateur voit réellement. Le problème harmonique ne disparaît pas, il se concentre : au lieu de 100 redresseurs 6 impulsions répartis, vous avez deux ou trois grandes unités AFE, et le transformateur est dimensionné en fonction de celles-ci.

Comment dimensionner le transformateur derrière un bus de variateurs de machine à papier 690 V ?

Le calcul comporte quatre étapes et chacune peut modifier le résultat. En utilisant la liste de charges ci-dessus :

• Étape 1 — kVA de demande : 10 475 kW ÷ 0,96 = 10,9 MVA. Cela suppose que les variateurs corrigent le facteur de puissance de déplacement à une valeur proche de l'unité, ce que font les variateurs AFE.
• Étape 2 — déclassement harmonique : si le bus comporte des entrées 6 impulsions à THDi 35%, le déclassement IEEE C57.110 à facteur K 4,7 autorise 85% de la plaque signalétique, donc la plaque requise est de 10,9 ÷ 0,85 = 12,8 MVA. Avec des variateurs AFE à THDi 4%, le déclassement est négligeable et l'exigence reste à 11,0 MVA.
• Étape 3 — calibre standard et répartition : 12,8 MVA s'arrondit à 4 × 4 MVA sur deux sections de bus, partie humide et partie sèche, avec un couplage de bus normalement ouvert. Quatre unités plutôt que deux signifie qu'une défaillance d'un seul transformateur met hors service la moitié d'une machine, pas la machine entière.
• Étape 4 — vérifications : la régulation de tension aux bornes des variateurs doit rester dans ±10% de 690 V en régime permanent et au-dessus du seuil de déclenchement par sous-tension du variateur lors de l'accélération d'une section ; le courant de court-circuit aux bornes 690 V doit rester dans les limites du calibre de l'appareillage.

L'étape 3 est là où les machines à papier diffèrent de la distribution générale. Un transformateur 4 MVA, 690 V avec une impédance de 8% a une capacité de court-circuit de 50 MVA à ses bornes, soit 41,8 kA — dans les limites d'un appareillage 50 kA mais pas d'un appareillage 40 kA. Réduire l'impédance à 6% porte ce courant à 55,8 kA et impose un appareillage 65 kA. Dans l'autre sens, à 10%, le courant de défaut tombe à 33,4 kA mais ajoute 1,5–2% à la chute de tension aux bornes du variateur à pleine charge et oblige l'AFE à travailler davantage pour maintenir le bus DC. Sur un bus 690 V, 6–8% est la plage pratique et 8% est la valeur par défaut sûre. Si vous avez besoin du courant de défaut au niveau du MCC plutôt qu'aux bornes du transformateur, la méthode en trois étapes du calcul du courant de court-circuit inclut les termes de contribution des câbles et des moteurs.

Les valeurs de chute de tension correspondent à la régulation propre du transformateur au courant nominal, calculée à partir de l'impédance et du rapport X/R ; elles excluent la chute dans les câbles et l'impédance amont. Sur un bus 690 V réel, la chute dans les câbles du transformateur au MCC peut ajouter 1,5–2,5% supplémentaires sur les longues distances, ce qui explique pourquoi le transformateur est généralement placé à moins de 50 m de la ligne de variateurs.

Pourquoi les harmoniques des VFD coûtent-ils plus de capacité de transformateur que ne le suggère la liste de charges ?

Un transformateur de 4 MVA à 50 Hz avec une charge sinusoïdale est dimensionné pour 4 MVA à 50 Hz avec une charge sinusoïdale. Ajoutez un redresseur 6 pulses sur son secondaire et les mêmes 4 MVA de puissance apparente contiennent désormais 35 % de courant harmonique, et ces harmoniques font deux choses que le fondamental ne fait pas : ils augmentent le courant efficace pour la même puissance active, et ils se concentrent dans les enroulements par effet de peau et de proximité, de sorte que la perte par courants de Foucault augmente approximativement avec le carré du rang harmonique. La norme IEEE C57.110 existe précisément parce que le second effet n'est pas pris en compte par le premier. Le mécanisme, et les cinq façons de réduire le courant harmonique à la source plutôt qu'au niveau du transformateur, sont couverts dans le guide des harmoniques de transformateur.

Le déclassement est calculé à partir du spectre harmonique, et non à partir d'une règle empirique :

I_max (pu) = √[ (1 + P_EC-R) / (1 + K · P_EC-R) ]

où P_EC-R est la fraction de perte par courants de Foucault dans la perte totale en charge au courant nominal (typiquement 0,10–0,15 pour un transformateur de distribution) et K est le facteur de perte harmonique, K = Σ(h² · I_h²) / Σ(I_h²). Le facteur K est dominé par les harmoniques de bas rang en raison de la pondération en h² : le 5e harmonique contribue 25 fois plus par unité que le fondamental, ce qui explique pourquoi un spectre avec 30 % de cinquième harmonique produit K ≈ 4,7 plutôt que le K ≈ 1,2 qu'une lecture naïve du THD suggérerait.

Deux conclusions pratiques en découlent. Premièrement, un transformateur de classe K ne vous donne pas plus de capacité — il vous donne un transformateur qui survit au facteur K que vous avez réellement, avec un neutre et une conception d'enroulement qui ne surchaufferont pas. La capacité reste celle de la plaque signalétique. Deuxièmement, le moyen le moins coûteux de récupérer les 13–19 % perdus est de spécifier des variateurs AFE sur la machine à papier dès le départ : le déclassement disparaît, la régénération est gratuite, et le bus 33 kV n'a plus besoin d'une batterie de filtres désaccordés. Comparez cela au prix d'un transformateur de calibre supérieur sur chaque section de machine avant de décider que les variateurs 6 pulses sont le choix économique. Le cadre de décision entre transformateur de classe K et surdimensionnement est exposé dans le guide de sélection des transformateurs à facteur K.

Quel est le plus grand événement de démarrage de moteur dans une usine de pâte — et quelle chute de tension provoque-t-il ?

Ce n'est pas la machine à papier, qui démarre sur variateurs et monte en rampe. C'est le raffineur. Une ligne de pâte thermomécanique comporte deux ou trois raffineurs, chacun entraîné par un moteur synchrone ou asynchrone de 10–30 MW à 11 kV, et chaque démarrage est un événement système : le moteur absorbe 5–6 fois son courant nominal pendant 10–40 secondes tandis que les disques de raffinage montent en vitesse contre une charge de copeaux.

Faites le calcul pour un moteur de raffineur de 12 MW, 11 kV, rendement 0,96, facteur de puissance 0,95, courant à rotor bloqué de 5,5 fois le courant nominal :

• Puissance apparente nominale du moteur = 12 000 ÷ (0,96 × 0,95) = 13,2 MVA
• Puissance apparente au démarrage = 5,5 × 13,2 = 72,4 MVA
• À 11 kV, cela correspond à une impédance de démarrage de 11² ÷ 72,4 = 1,67 Ω à un facteur de puissance au démarrage d'environ 0,25

La chute au jeu de barres 11 kV dépend alors presque entièrement de la robustesse de la source. Sur un transformateur de 40 MVA avec une impédance de 8 %, l'impédance de source est de 0,242 Ω et le jeu de barres chute à 87,5 % du nominal — soit une chute de 12,5 %. Sur un transformateur de 25 MVA, le même démarrage produit 18,7 %, et sur un transformateur de 63 MVA, 8,3 %.

La règle de conception appliquée par la plupart des usines est une limite de chute de 10 % au tableau 11 kV et de 15 % aux bornes du moteur, car les contacteurs décrochent autour de 70–75 % et les variateurs déclenchent sur leurs propres seuils de sous-tension situés entre 80 % et 85 %. Une chute de 12,5 % sur un tableau de 40 MVA n'est donc pas un cas marginal — elle dépasse la limite et fera décrocher tous les contacteurs de la même section qui ne sont pas sur un circuit de commande secouru par onduleur. C'est le moment où l'usine découvre que le démarrage du raffineur et la machine à papier partagent une section de jeu de barres.

Le facteur de puissance au démarrage compte plus que ne le supposent la plupart des études de répartition de charge. Avec un facteur de puissance au démarrage de 0,25, la quasi-totalité de l'impédance de démarrage du moteur est réactive ; la chute est donc un problème de rapport X/R plutôt que de R, et l'ajout de longueur de câble vers le raffineur l'aggrave légèrement au lieu de l'améliorer. C'est pourquoi un raffineur alimenté depuis un poste 11 kV éloigné peut présenter une chute plus importante que le même raffineur alimenté depuis le tableau voisin, bien que les deux soient sur le même transformateur.

Comment le démarrage du raffineur détermine-t-il l'impédance du transformateur ?

Ici, les exigences tirent dans des directions opposées. Une impédance plus élevée limite le courant de défaut au tableau 11 kV et permet de conserver un appareillage moins coûteux ; elle augmente aussi la chute lors d'un démarrage de raffineur, accroît les pertes en charge du transformateur et dégrade la régulation de tension pour toute la zone. Le tableau ci-dessous maintient le transformateur à 20 MVA et fait varier l'impédance pour le même démarrage direct de 12 MW.

Lisez le tableau dans l'autre sens et la conception devient évidente : l'impédance n'est pas l'outil permettant de rendre acceptable un démarrage de raffineur. Même à 6 %, la chute est de 17,7 %, car l'impédance de démarrage propre au moteur domine. L'outil qui corrige un démarrage de raffineur est la méthode de démarrage — un VFD, un LCI ou un moteur auxiliaire — et une fois le démarrage limité en courant à 110 %, l'impédance du transformateur peut être choisie uniquement en fonction du courant de défaut et de la régulation. Les usines qui tentent de résoudre un démarrage de raffineur avec un transformateur plus gros finissent par acheter 63 MVA pour servir 20 MW de charge, ce qui est une façon coûteuse d'éviter un variateur.

Pourquoi une chute de tension de 100 ms casse-t-elle le papier — et combien coûte une casse ?

Une machine à papier n'a aucune inertie dans la feuille. La feuille est maintenue sous tension entre les sections, et si une section perd son couple pendant 100 ms alors que ses voisines continuent de tourner, le transitoire de tension soit rompt la feuille, soit produit un endroit plus épais et plus faible qui se rompra à la pince suivante. Les entraînements eux-mêmes survivent généralement à une chute ; la feuille, non. La séquence est la suivante : chute, une ou deux sections déclenchent sur sous-tension ou surintensité, la feuille casse, les rebuts remplissent le pulpeur, et l'équipe passe 15–45 minutes à réenfiler depuis la caisse de tête jusqu'à l'enrouleuse.

Le coût d'une rupture n'est pas l'électricité. Sur une machine de 700 t/j produisant du papier fin couché, une rupture coûte 3–5 heures de production, y compris le renfilage et la gestion des rebuts, ce qui, à 29 t/h et avec une marge sur coûts variables de 300–600 USD par tonne, représente 26 000–87 000 USD par événement, plus la valeur des rebuts et la perturbation du planning en aval. Les usines qui subissent 10–30 ruptures par an investissent donc réellement dans le maintien en fonctionnement, et la spécification du transformateur fait partie de cet investissement : un transformateur à impédance plus faible et un bus plus rigide donnent plus de marge aux variateurs, et une usine dotée d'un schéma de transfert rapide de bus peut basculer la machine sur l'arrivée saine en 200–300 ms au lieu de perdre la feuille.

Immergé dans l'huile ou sec — quelle place pour chacun dans une papeterie ?

Dans une usine, le choix est dicté par l'emplacement, non par la préférence. Les transformateurs secs à résine coulée sont la solution par défaut à l'intérieur des bâtiments, car ils n'ont pas d'huile à brûler, pas de cuve de rétention, pas de mur coupe-feu et pas de conservateur ni d'azote à entretenir. Les transformateurs immergés dans l'huile sont la solution par défaut en extérieur à 33 kV et au-delà, car ils sont moins chers au MVA, plus efficaces et meilleurs pour dissiper la chaleur sous climat chaud.

Deux points propres aux usines sont souvent négligés. Premièrement, un transformateur à résine coulée dans une halle de machine à papier fonctionne dans une ambiance de 40–45 °C avec de la poussière de papier qui se dépose sur les enroulements ; sa puissance doit donc être corrigée en fonction de l'ambiance et son enveloppe doit être conçue pour que la poussière ne ponte pas l'isolation — IP54 avec un chemin de ventilation filtré, et non IP21. Deuxièmement, la stratégie incendie doit être décidée avant la commande du transformateur : la fiche technique 5-4 de FM Global et l'assureur local fixeront les distances de séparation et les résistances au feu pour les unités remplies d'huile, et ajouter un mur coupe-feu autour d'un transformateur déjà installé coûte bien plus cher que de choisir le sec dès le départ.

Quel impact l'atelier de blanchiment, la partie humide et la halle machine ont-ils sur la spécification ?

Les papeteries sont humides, chaudes et corrosives d'une manière que l'industrie générale ne connaît pas. Quatre environnements dictent la spécification :

• Atelier de blanchiment : atmosphères de dioxyde de chlore et de chlore à 40–50 °C avec une humidité élevée. Les enveloppes en acier au carbone se corrodent en 3–5 ans. Spécifier un revêtement ISO 12944 C5-M, une visserie en acier inoxydable 316, des enroulements en résine coulée scellés, un indice IP55 et une surépaisseur de corrosion sur l'enveloppe plutôt qu'un simple système de peinture.
• Halle de la machine à papier : ambiance à 40–45 °C, humidité relative de 80–90 % à la partie humide, poussière de papier partout. Déclasser pour une température ambiante supérieure à 40 °C, spécifier des résistances anti-condensation alimentées lorsque le transformateur est hors tension, et positionner l'unité de sorte que l'eau de nettoyage ne puisse pas s'écouler sur l'enveloppe.
• Préparation de la pâte : vibrations des raffineurs et des tamis, plus vapeur et éclaboussures de pâte. Spécifier un contreventement sismique ou antivibratoire dimensionné pour la fondation du raffineur, des connexions de bus flexibles et un transformateur situé hors de la zone d'éclaboussures.
• Effluents et traitement de l'eau : installation en extérieur, sulfure d'hydrogène dans l'atmosphère des égouts et pompes à démarrages fréquents. Unités immergées dans l'huile avec revêtement C4/C5, boîtes à câbles scellées et un chemin d'accès de maintenance ne nécessitant pas l'arrêt de l'usine.

La correction de température ambiante n'est pas une erreur d'arrondi. Un transformateur en résine coulée de 4 MVA nominal à 40 °C ambiant perd environ 5–8 % de sa capacité à 45 °C, et une unité immergée dans l'huile de 33 kV perd environ 1 % par kelvin au-dessus de son ambiance nominale. Dans une usine où la halle de la machine est à 45 °C pendant six mois de l'année, cette correction doit figurer dans la demande de prix, et non être découverte à la mise en service. Il en va de même pour l'altitude, qui compte pour les usines situées en zone de montagne ; la méthode de correction est celle utilisée pour tout transformateur de distribution, et il vaut la peine de vérifier la courbe de déclassement avant de fixer la puissance nominale. La relation entre l'étage de refroidissement, l'échauffement et la charge admissible est traitée dans le guide des méthodes de refroidissement et de l'échauffement.

Comment l'usine doit-elle être configurée pour la fiabilité ?

Une papeterie fonctionne 350 jours par an et perd 30 000–90 000 USD par arrêt imprévu ; la question de la redondance est donc économique plutôt que philosophique. Les quatre configurations ci-dessous couvrent presque toutes les usines ; le choix se fait généralement par zone, et non pour l'ensemble du site.

Pour la machine à papier en particulier, la configuration qui fonctionne est de quatre transformateurs sur deux sections avec un couplage normalement ouvert et un schéma de transfert rapide : chaque paire porte la moitié de la machine à 80 % de charge, et en cas de perte d'une unité, le couplage se ferme et la machine continue à vitesse réduite avec délestage de la coucheuse et d'une bobineuse. C'est un compromis délibéré — un 2 × 100 % complet sur un bus de machine de 16 MVA est difficile à justifier, tandis qu'une radiale simple est indéfendable.

Un détail de fiabilité est facile à négliger après un arrêt. Lorsque l'usine est remise sous tension, chaque transformateur du tableau appelle son courant d'appel magnétisant au même moment, et une unité de 4 MVA peut tirer 8–12 fois le courant nominal pendant 100–200 ms. Si les variateurs de la machine à papier sont déjà activés lorsque l'arrivée se ferme, la chute de tension due au courant d'appel suffit à les déclencher. La solution est une séquence de mise sous tension étagée — d'abord les transformateurs, les variateurs activés 2–3 s plus tard, les sections accélérées dans l'ordre — et la physique qui sous-tend ce courant est expliquée dans le guide du courant d'appel des transformateurs.

Pourquoi une papeterie a-t-elle besoin d'un transformateur élévateur en plus d'un abaisseur ?

La plupart des usines intégrées produisent une grande partie de leur propre électricité. Une chaudière de récupération, plus une chaudière biomasse, plus une turbine à extraction-condensation fournissent généralement 30–60 MW à 11 kV, et l'usine vend le surplus au réseau sur certains marchés et importe la nuit sur d'autres. Cela nécessite un transformateur élévateur de groupe à 11/132 kV ou 11/110 kV, dimensionné pour la puissance nominale de la turbine avec une marge de surcharge, et cela modifie la philosophie de protection et de comptage de tout le site.

Trois conséquences pour la spécification du transformateur :

• Flux de puissance inverse : les transformateurs 33 kV et 132 kV de l'usine doivent être spécifiés pour une puissance bidirectionnelle, avec des relais à maximum de courant directionnel et à puissance inverse, et avec des plages de réglage qui fonctionnent dans les deux sens. Un transformateur spécifié uniquement pour l'import aura une plage de régleur en charge (OLTC) qui épuise ses prises lorsque l'usine exporte à 105 % de la tension.
• Flux harmonique vers le réseau : lorsque l'usine exporte, les harmoniques des variateurs de la machine à papier traversent le transformateur élévateur jusqu'au point de raccordement au réseau. Les limites IEEE 519 s'appliquent à ce point, et non au jeu de barres 690 V, et le distributeur les mesurera. C'est la raison pour laquelle une usine conforme sur son propre tableau 11 kV peut néanmoins recevoir une réclamation de qualité de l'énergie de l'opérateur de réseau.
• Fonctionnement en îlotage : en cas de perte de l'alimentation du réseau, l'usine peut fonctionner en îlotage sur sa propre production. Le transformateur élévateur supporte alors toute la charge de l'usine avec un niveau de court-circuit très différent et sans inertie du réseau en amont, et le plan de délestage doit être conçu pour ce cas plutôt que pour le cas raccordé au réseau.

À quoi ressemble la capitalisation des pertes pour une usine fonctionnant 8 000 heures par an ?

Un transformateur de papeterie fonctionne en continu, ses pertes sont donc un coût d'investissement, et non un détail d'exploitation. Capitalisez-les sur 8 000 heures par an, à 0,08 USD/kWh, sur 20 ans et avec un taux d'actualisation de 6 % : le facteur d'annuité est de 11,47. Un kilowatt de pertes à vide vaut alors 8 000 × 0,08 × 11,47 = 7 341 USD, et un kilowatt de pertes en charge à un facteur de charge de 70 % vaut 8 000 × 0,49 × 0,08 × 11,47 = 3 597 USD.

Appliquez-le à une unité de 4 MVA avec 3,2 kW de pertes à vide et 32 kW de pertes en charge : 151 040 kWh par an, 12 083 USD par an, 138 593 USD sur la durée de vie de 20 ans. C'est le chiffre à comparer à l'écart de prix entre une unité de classe S13 et une unité de classe S20, ou entre une conception standard et une conception à faibles pertes. Dans la plupart des cas, l'unité à faibles pertes l'emporte sur un cycle de service d'usine et perd sur un cycle de service de 2 000 heures, ce qui explique pourquoi le même transformateur peut être le bon choix pour une papeterie et le mauvais choix pour un chantier de construction. La méthode complète, y compris la façon de traiter la croissance de charge et de considérer le coût capitalisé parallèlement au prix d'achat, est exposée dans le calcul du coût total de possession.

Que doit contenir l'appel d'offres pour un ensemble de transformateurs de papeterie ?

Une consultation pour une papeterie échoue de deux manières : soit le fournisseur propose un transformateur de distribution standard et les harmoniques, le régime de démarrage ou l'environnement corrosif sont découverts plus tard ; soit la consultation est si ouverte que chaque offre porte sur un produit différent. La liste de données ci-dessous comble ces deux lacunes. C'est aussi la liste à utiliser pour comparer les offres, car une offre qui ne peut pas répondre aux points 5, 6 et 9 n'est pas une offre pour cette application.

L'élément 13 mérite une étude à part. Une unité de 40 MVA, 132/33 kV pèse 60–80 t avec l'huile et nécessite une étude d'itinéraire pour les limites de ponts, les lignes aériennes et les rayons de courbure avant la passation de la commande ; une unité de 4 MVA à résine coulée pour la salle des machines peut devoir passer par une porte de 2,5 m et être mise en place avant la fermeture de la toiture. Les contraintes de transport et d'installation, y compris l'expédition sous azote avec remplissage d'huile et les limites d'inclinaison pendant la manutention, sont détaillées dans le guide de transport et d'installation.

Questions fréquentes

Un seul transformateur 33/0,69 kV peut-il alimenter toute la machine à papier ?

Techniquement oui, en pratique non. Une unité unique de 16 MVA à 690 V nécessiterait 13 400 A de jeu de barres, placerait toute la machine derrière une seule défaillance et concentrerait le courant harmonique de chaque variateur sur un seul enroulement. Quatre unités de 4 MVA sur deux sections coûtent plus cher en appareillage mais moins en production perdue, et elles permettent de retirer une unité pour maintenance sans arrêter la machine.

Ai-je encore besoin d'un transformateur K-rated si tous mes variateurs sont AFE ?

Non, et le payer est un gaspillage courant. Les variateurs AFE avec filtres LCL produisent 3–5 % de THDi, ce qui correspond à un facteur K proche de 1. Un transformateur standard avec un neutre correctement dimensionné suffit. Le K-rating devient pertinent lorsque des variateurs 6 pulsations restent sur le jeu de barres — typiquement lors d'une rénovation où une partie de la machine a été mise à niveau et l'autre non.

Quelle impédance faut-il spécifier pour un transformateur alimentant des raffineurs ?

Choisissez-la d'abord pour le courant de défaut et la régulation, puis vérifiez le démarrage. Sur un transformateur 11 kV, 20 MVA, 8 % maintient le courant de défaut à 13,1 kA et correspond à un appareillage 16 kA ; passer à 10 % économise une cellule d'appareillage mais ajoute 4 % à la chute de tension lors d'un démarrage direct d'un raffineur, ce qui est un mauvais compromis. Si le raffineur démarre en direct et que la chute dépasse 10 %, la solution est un VFD ou un démarreur progressif, pas un autre transformateur.

Un transformateur de papeterie peut-il être installé à l'intérieur ?

Oui, et la plupart des transformateurs de machine à 690 V le sont. Les unités sèches à résine coulée sont conçues pour une installation intérieure, ne nécessitent ni cuvette de rétention ni mur coupe-feu, et sont disponibles avec des enveloppes IP54 pour les zones poussiéreuses et humides. Les contraintes sont la température ambiante, la ventilation et la gestion de la poussière, pas la technologie du transformateur elle-même. Les unités immergées dans l'huile de plus de 20 MVA à l'intérieur exigent une cellule coupe-feu, une cuvette de rétention et généralement un système de déluge, ce qui explique qu'elles sont normalement placées à l'extérieur ou dans un bâtiment de sous-station dédié.

Sources / 资料来源

Source : IEC 60076-1 — Transformateurs de puissance, exigences générales.
Source : IEC 60076-2 — Échauffement des transformateurs immergés dans un liquide.
Source : IEC 60076-11 — Transformateurs de puissance de type sec.
Source : IEC 60038 — Tensions normales, y compris le niveau 690 V.
Source : IEC 60034-12 — Caractéristiques de démarrage des moteurs asynchrones triphasés à cage à une seule vitesse.
Source : IEEE C57.110-2018 — Établissement de la capacité d'un transformateur lorsqu'il alimente des courants de charge non sinusoïdaux.
Source : IEEE 519-2014 — Maîtrise des harmoniques dans les réseaux électriques.
Source : IEEE C57.12.00 — Exigences générales pour les transformateurs de distribution, de puissance et de réglage immergés dans un liquide.
Source : GB/T 6451-2015 — Paramètres techniques et exigences pour les transformateurs de puissance triphasés immergés dans l'huile.
Source : GB 20052-2020 — Valeurs minimales admissibles d'efficacité énergétique et classes d'efficacité énergétique des transformateurs de puissance.
Source : GB/T 1094.1-2013 — Transformateurs de puissance, généralités.
Source : Règlement (UE) n° 548/2014 de la Commission — Exigences d'écoconception applicables aux transformateurs de puissance de petite, moyenne et grande puissance, palier 2 à partir du 1er juillet 2021.
Source : U.S. Department of Energy, 10 CFR Part 431 Subpart K — Normes de conservation de l'énergie des transformateurs de distribution.
Source : ISO 12944-2 — Catégories de corrosivité des structures en acier, catégorie C5-M pour les atmosphères côtières et industrielles.
Source : NFPA 70 (National Electrical Code) Article 450 — Transformateurs et chambres de transformateurs.
Source : NFPA 13 — Installation des systèmes d'extinction automatique à eau, pour le contexte de charge incendie de l'usine.
Source : FM Global Data Sheet 5-4 — Transformateurs, exigences de l'assureur en matière de séparation et de protection incendie.
Source : IEC 60079-10-1 — Classification des zones dangereuses, applicable aux ateliers de revêtement à base de solvants.
Source : Expérience d'ingénierie QDTB — listes de charges par zone d'usine papetière, dimensionnement des bus de section d'entraînement 690 V, études de démarrage des raffineurs et pratique de déclassement pour harmoniques. Les valeurs indiquées comme expérience du secteur sont des plages typiques issues de projets d'usine, et non des normes publiées.

Si vous préparez une demande de prix pour une sous-station de machine à papier ou d'usine de pâte, la voie la plus rapide vers une offre comparable consiste à envoyer ensemble la liste des charges par zone, le schéma unifilaire, le programme des entraînements avec les types de têtes d'alimentation et les données de démarrage du plus gros moteur. Notre équipe d'ingénierie peut en tirer en une seule passe une spécification de transformateur dimensionné, un calcul de déclassement pour harmoniques et un budget indicatif. Vous pouvez également commencer par les calculateurs de systèmes électriques pour vérifier le niveau de court-circuit, le creux de tension et la capitalisation des pertes avant de contacter un fournisseur — et si la question est de savoir quel type de transformateur convient à quel usage, la comparaison entre transformateurs immergés dans l'huile et de type sec détaille davantage la décision.