Transformador para Fábrica de Celulose e Papel: Como Dimensionar a Distribuição de Média Tensão para uma Linha de Máquina de Papel, Por Que as Harmônicas de VFD e a Partida do Refinador Decidem a Especificação, e Quando o Tipo Seco Supera o a Óleo

A resposta primeiro: um transformador de fábrica de celulose e papel é dimensionado a partir da lista de cargas por área e do requisito de ride-through da máquina de papel, não a partir de um benchmark de kWh por tonelada. O que realmente decide a potência nominal são três coisas que nada têm a ver com a demanda média: a corrente harmônica que os acionamentos seccionais da máquina de papel injetam de volta no barramento de 690 V, a corrente de partida do maior motor de refino da fábrica de celulose e o fato de que um afundamento de tensão de 150 ms custa à fábrica uma quebra de folha, enquanto um afundamento de 300 ms custa uma parada para reinício. Uma especificação competente, portanto, começa com uma lista de cargas por área da fábrica, aplica fatores de demanda e diversidade por área, aplica derating ao transformador para o espectro harmônico medido, verifica o afundamento de tensão na partida do maior motor e só então fixa a impedância que mantém os quadros de 690 V e 11 kV dentro de suas capacidades de curto-circuito.

Principais conclusões

• Uma máquina de papel moderna é um sistema de acionamento antes de ser uma carga: 80–150 acionamentos seccionais em um único barramento de 690 V, a maioria regenerativa, a maioria com front-end a diodo ou ativo que determina o regime harmônico do transformador.
• Dimensione os transformadores da máquina de papel a partir da lista de cargas por área com um fator de demanda de 0,5–0,75 e, em seguida, aplique derating para harmônicos conforme IEEE C57.110 — um barramento de 690 V com front-ends de 6 pulsos perde 13–20% da capacidade do transformador antes de qualquer margem ser adicionada.
• O maior motor individual de uma fábrica de celulose — um refino TMP de 10–30 MW — define a rigidez mínima do barramento. Um refino de 12 MW partido diretamente na rede em um transformador de 40 MVA e 8% derruba o barramento de 11 kV em 12,5%; em um de 25 MVA, derruba em 18,7% e dispara todos os acionamentos do mesmo quadro.
• Transformadores a seco com resina fundida pertencem ao interior do salão de máquinas, à área de preparação de massa e à planta de branqueamento; transformadores a óleo pertencem à área externa em 33 kV e ao elevador de geração. A decisão é carga de incêndio e corrosão, não preço.
• Para uma fábrica operando 8.000 horas por ano, 1 kW de perda em vazio vale cerca de USD 7.300 de custo capitalizado ao longo de 20 anos a 0,08 USD/kWh — mais do que a diferença de preço entre classes de eficiência em uma unidade de 4 MVA.

Por que uma fábrica de papel é um problema elétrico antes de ser um problema de transformador?

Uma fábrica de papel integrada não é uma carga com um único fator de carga. São oito ou nove áreas de processo com comportamentos elétricos completamente diferentes, distribuídas ao longo de 1–2 km do site e conectadas a uma única interligação de 132 kV ou 110 kV. O pátio de madeira parte e para transportadores o dia inteiro. O digestor opera bombas contínuas com carga estável de 90%. A planta de branqueamento tem dezenas de pequenos acionamentos em atmosfera de dióxido de cloro. Os refinadores de preparação de massa consomem 20–40 MW e partem talvez duas vezes por dia. A máquina de papel opera 24 horas com 95% de disponibilidade e um perfil de carga tão plano que seu fator de demanda parece constante. A caldeira de recuperação e o turbogerador tornam o site um produtor de energia durante parte do ano.

Cada uma dessas áreas tem seu próprio transformador, seu próprio nível de curto-circuito e seu próprio motivo para falhar. É por isso que a unidade útil de especificação em uma fábrica é a subestação de área, não o total da planta. Um número de kVA para toda a fábrica não diz nada sobre se o barramento de 690 V sobreviverá a um degrau de carga da lâmina de cobertura ou se o quadro de 11 kV se manterá quando o refino partir.

Duas consequências decorrem desta tabela. Primeiro, a capacidade total de transformação da fábrica é tipicamente 1,4–1,8 vezes sua demanda máxima, porque as áreas não atingem o pico simultaneamente e porque cada área precisa de um caminho de parada para manutenção que não pare a máquina. Segundo, a população de transformadores é mista: uma fábrica de 700 t/d terá 25–40 transformadores acima de 1 MVA, e os que causam paradas quase nunca são os maiores.

Quanta carga conectada uma linha de máquina de papel de 700 t/d realmente suporta?

Considere uma máquina de papel fino revestido com largura útil de 8,4 m, velocidade de projeto de 1.500 m/min e produção de 700 t/d, o que equivale a 29,2 t/h. A máquina em si — não a fábrica de polpa atrás dela — suporta cerca de 17 MW de carga conectada. A lista de cargas abaixo é o tipo de lista que deve ser anexada à consulta de transformadores; se um fornecedor cotar um transformador para máquina de papel sem ela, o número é um chute.

A um fator de potência de deslocamento de 0,96, a demanda é de 10,9 MVA. Esse é o número em que a maioria das pessoas para, e é o número errado. O transformador que alimenta esse barramento vê uma corrente distorcida, não senoidal, portanto sua capacidade utilizável é menor que a de placa — a aritmética na seção de harmônicos abaixo eleva 10,9 MVA para 12,8 MVA. Quatro unidades de 4 MVA ficam então com 80% de carregamento cada, que é o carregamento para o qual um transformador de máquina de papel deve ser projetado: alto o suficiente para justificar o ativo, baixo o suficiente para absorver uma atualização de seção ou uma modernização de acionamento sem um novo transformador. Se 80% é um carregamento contínuo seguro para um projeto específico depende da elevação do ponto quente e do ciclo diário de carga, que é o tema do guia de fator de carga e sobrecarga.

Nota sobre unidades: o barramento da máquina de papel é geralmente especificado em 690 V, não em 400 V. Em 690 V, um transformador de 4 MVA fornece 3.347 A, o que está dentro da faixa dos painéis de manobra padrão de 690 V. Em 400 V, os mesmos 4 MVA exigiriam 5.774 A, o que força cabos em paralelo, painéis de manobra em paralelo e uma corrente de falta muito maior no CCM. Essa única escolha — 690 V contra 400 V — é a decisão de tensão mais consequente em uma máquina de papel, e geralmente é tomada pelo fornecedor do acionamento antes de se discutir o transformador.

Que arquitetura de tensão deve usar uma fábrica de papel?

A maioria das fábricas chega a quatro níveis, com os números exatos definidos pela concessionária local e não por preferência. Na Europa e em grande parte da Ásia, a cadeia é 132 ou 110 kV na entrada, 33 ou 35 kV pelo site, 11 ou 10 kV para grandes motores e subestações de área, 690 V para sistemas de acionamento e 400 V para iluminação e pequenas cargas. Na América do Norte, a mesma arquitetura aparece como 138/115 kV, 34,5/13,8 kV, 4,16 kV e 480 V.

O nível de tensão não é uma escolha livre: o anel de 33 kV existe porque a fábrica é fisicamente longa e cabos de 11 kV até a extremidade oposta do site seriam antieconômicos a 20 MW. O nível de 11 kV existe porque motores de 8–30 MW não são fabricados em 690 V. O nível de 690 V existe porque as potências dos acionamentos diminuem acima de cerca de 2 MW e porque a máquina de papel precisa de centenas de acionamentos pequenos em um barramento comum. Cada nível tem um transformador entre ele e o próximo, e cada um desses transformadores tem uma função diferente: as unidades de 132/33 kV atendem o site, as unidades de 33/11 kV suportam a corrente de partida, as unidades de 33/0,69 kV suportam os harmônicos. O mesmo raciocínio, aplicado individualmente às opções de 6, 10, 11, 20 e 33 kV, está apresentado no guia de seleção de classe de tensão.

Por que o barramento de acionamento de 690 V é o verdadeiro centro de uma máquina de papel moderna?

Uma máquina de papel é uma folha contínua correndo a 1.500–2.000 m/min através de uma sequência de prensagens: caixa de entrada, tela, prensa, secador, prensa de colagem, calandra, enrolador. A folha não tolera uma incompatibilidade de velocidade entre seções, portanto cada seção é acionada por seu próprio motor sob controle de tensão ou velocidade em malha fechada. Uma máquina moderna tem 80–150 dessas seções, de 5 kW para um rolo de retorno de tela a 400–600 kW para o cilindro do enrolador.

Essa arquitetura produz uma carga com propriedades para as quais um transformador de distribuição convencional não foi projetado: fator de potência de deslocamento próximo da unidade, alto conteúdo harmônico proveniente das entradas retificadoras e — em desenroladores, bobinadeiras e calandras — fluxo de potência reverso sustentado quando o acionamento desacelera ou mantém a tensão. O transformador nesse barramento, portanto, não é um dispositivo passivo de kVA. Ele faz parte do sistema de acionamento, e sua impedância, sua capacidade harmônica e sua constante de tempo térmica aparecem todas no comportamento da máquina.

O barramento CC comum foi o que mudou a aritmética. Quando 40 secções partilham um barramento CC, a energia libertada por uma secção de secagem em desaceleração alimenta uma secção que está a acelerar, e apenas a diferença líquida regressa ao lado CA. Isso reduz o número de resistências de frenagem, reduz a ciclagem térmica do transformador e faz da unidade de alimentação AFE — tipicamente 2–4 MW — o único retificador que o transformador efetivamente vê. O problema dos harmónicos não desaparece, concentra-se: em vez de 100 retificadores de 6 pulsos distribuídos, tem dois ou três grandes unidades AFE, e o transformador é dimensionado em torno dessas.

Como se dimensiona o transformador atrás de um barramento de inversores de uma máquina de papel de 690 V?

O cálculo tem quatro passos e cada um deles pode alterar o resultado. Utilizando a lista de cargas acima:

• Passo 1 — kVA de demanda: 10.475 kW ÷ 0,96 = 10,9 MVA. Isto pressupõe que os inversores corrigem o fator de potência de deslocamento para perto da unidade, o que os inversores AFE fazem.
• Passo 2 — desclassificação por harmónicos: se o barramento tiver front-ends de 6 pulsos com THDi de 35%, a desclassificação segundo a IEEE C57.110 com fator K de 4,7 permite 85% da placa de características, pelo que a placa necessária é 10,9 ÷ 0,85 = 12,8 MVA. Com inversores AFE com THDi de 4% a desclassificação é negligenciável e o requisito mantém-se em 11,0 MVA.
• Passo 3 — potência nominal padrão e divisão: 12,8 MVA arredonda para 4 × 4 MVA em duas secções de barramento, parte húmida e parte seca, com um barramento de interligação normalmente aberto. Quatro unidades em vez de duas significa que a falha de um único transformador elimina metade da máquina, não a máquina.
• Passo 4 — verificações: a regulação de tensão nos terminais do inversor deve manter-se dentro de ±10% de 690 V em regime permanente e acima do disparo de subtensão do inversor durante a aceleração de uma secção; a corrente de curto-circuito nos terminais de 690 V deve manter-se dentro da classificação do aparelho de manobra.

O Passo 3 é onde as máquinas de papel diferem da distribuição geral. Um transformador de 4 MVA, 690 V com 8% de impedância tem uma capacidade de curto-circuito de 50 MVA nos seus terminais, o que corresponde a 41,8 kA — dentro de uma classificação de aparelho de manobra de 50 kA, mas não de 40 kA. Reduzir a impedância para 6% eleva-a para 55,8 kA e obriga a aparelho de manobra de 65 kA. No sentido inverso, para 10%, reduz a corrente de defeito para 33,4 kA, mas acrescenta 1,5–2% à queda de tensão nos terminais do inversor a plena carga e faz o AFE trabalhar mais para manter o barramento CC. Num barramento de 690 V, 6–8% é a janela prática e 8% é o padrão seguro. Se precisar da corrente de defeito no MCC em vez de nos terminais do transformador, o método de três passos no cálculo da corrente de curto-circuito inclui os termos de contribuição do cabo e do motor.

Os valores de queda de tensão correspondem à regulação própria do transformador à corrente nominal, calculada a partir da impedância e da relação X/R; excluem a queda no cabo e a impedância a montante. Num barramento real de 690 V, a queda no cabo do transformador até ao MCC pode acrescentar mais 1,5–2,5% em troços longos, razão pela qual o transformador é habitualmente colocado a menos de 50 m da linha de inversores.

Porque é que os harmónicos dos VFD custam mais capacidade do transformador do que a lista de cargas sugere?

Um transformador de 4 MVA a 50 Hz com carga senoidal é classificado em 4 MVA a 50 Hz com carga senoidal. Coloque um retificador de 6 pulsos no secundário e os mesmos 4 MVA de potência aparente agora contêm 35% de corrente harmônica, e esses harmônicos fazem duas coisas que a fundamental não faz: aumentam a corrente rms para a mesma potência ativa e se concentram nos enrolamentos por efeito pelicular e de proximidade, de modo que a perda por correntes parasitas cresce aproximadamente com o quadrado da ordem harmônica. A IEEE C57.110 existe justamente porque o segundo efeito não é capturado pelo primeiro. O mecanismo, e as cinco formas de reduzir a corrente harmônica na fonte em vez de no transformador, são abordados no guia de harmônicos em transformadores.

O derating é calculado a partir do espectro harmônico, não por regra empírica:

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

onde P_EC-R é a fração de perda por correntes parasitas em relação à perda total em carga na corrente nominal (tipicamente 0,10–0,15 para um transformador de distribuição) e K é o fator de perda harmônica, K = Σ(h² · I_h²) / Σ(I_h²). O fator K é dominado pelas harmônicas de baixa ordem devido à ponderação h²: a 5ª harmônica contribui 25 vezes mais por unidade do que a fundamental, razão pela qual um espectro com 30% de quinta harmônica produz K ≈ 4,7 em vez do K ≈ 1,2 que uma leitura ingênua da THD sugeriria.

Duas conclusões práticas se seguem. Primeiro, um transformador com classificação K não fornece mais capacidade — ele fornece um transformador que suporta o fator K que você realmente tem, com um neutro e um projeto de enrolamento que não superaquecem. A capacidade continua sendo a da placa de identificação. Segundo, a forma mais barata de recuperar os 13–19% perdidos é especificar inversores AFE na máquina de papel desde o início: o derating desaparece, a regeneração vem de graça e o barramento de 33 kV deixa de precisar de um banco de filtros desafinado. Compare isso com o preço de um transformador de um tamanho acima em cada seção da máquina antes de decidir que os inversores de 6 pulsos são a escolha econômica. O quadro de decisão entre classificação K e sobredimensionamento está apresentado no guia de seleção de transformadores com fator K.

Qual é o maior evento de partida de motor em uma fábrica de celulose — e quanto afundamento de tensão ele causa?

Não é a máquina de papel, que parte em inversores e rampeia. É o refinador. Uma linha de polpa termomecânica tem dois ou três refinadores, cada um acionado por um motor síncrono ou de indução de 10–30 MW em 11 kV, e cada partida é um evento sistêmico: o motor consome 5–6 vezes sua corrente nominal por 10–40 segundos enquanto os discos de refino atingem a velocidade contra uma carga de cavacos.

Faça as contas para um motor de refinador de 12 MW, 11 kV, rendimento 0,96, fator de potência 0,95, corrente de rotor bloqueado 5,5 vezes a nominal:

• Potência aparente nominal do motor = 12.000 ÷ (0,96 × 0,95) = 13,2 MVA
• Potência aparente de partida = 5,5 × 13,2 = 72,4 MVA
• Em 11 kV, isso é uma impedância de partida de 11² ÷ 72,4 = 1,67 Ω com um fator de potência de partida de cerca de 0,25

O afundamento na barra de 11 kV depende então quase inteiramente da robustez da fonte. Num transformador de 40 MVA com 8% de impedância, a impedância da fonte é de 0,242 Ω e a barra cai para 87,5% do nominal — um afundamento de 12,5%. Num transformador de 25 MVA, o mesmo arranque produz 18,7%, e num transformador de 63 MVA, 8,3%.

A regra de projeto que a maioria das fábricas aplica é um limite de afundamento de 10% no quadro de 11 kV e de 15% nos terminais do motor, porque os contatores desarmam por volta de 70–75% e os acionamentos disparam pelos seus próprios ajustes de subtensão em algum ponto entre 80% e 85%. Um afundamento de 12,5% num quadro de 40 MVA não é, portanto, um caso marginal — está acima do limite e desarmará todos os contatores da mesma seção que não estejam num circuito de comando apoiado por UPS. É nesse momento que a fábrica descobre que o arranque do refinador e a máquina de papel compartilham uma seção de barra.

O fator de potência de arranque importa mais do que a maioria dos estudos de fluxo de carga assume. Com um fator de potência de arranque de 0,25, quase toda a impedância de arranque do motor é reativa, pelo que o afundamento é um problema de X/R e não de R, e acrescentar comprimento de cabo ao refinador torna-o ligeiramente pior em vez de melhor. É por isso que um refinador alimentado a partir de uma subestação de 11 kV distante pode apresentar um afundamento maior do que o mesmo refinador alimentado a partir do quadro ao lado, embora ambos estejam no mesmo transformador.

Como é que o arranque do refinador determina a impedância do transformador?

Aqui os requisitos puxam em direções opostas. Uma impedância mais elevada limita a corrente de defeito no quadro de 11 kV e permite manter aparelhagem de manobra mais barata; também aumenta o afundamento durante um arranque do refinador, aumenta as perdas em carga do transformador e piora a regulação de tensão para toda a área. A tabela abaixo mantém o transformador em 20 MVA e varia a impedância para o mesmo arranque direto de 12 MW.

Leia a tabela ao contrário e o projeto torna-se claro: a impedância não é a ferramenta que se usa para tornar aceitável o arranque de um refinador. Mesmo a 6% o afundamento é de 17,7%, porque a própria impedância de arranque do motor domina. A ferramenta que resolve o arranque de um refinador é o método de arranque — um VFD, um LCI ou um motor auxiliar — e, uma vez que o arranque esteja limitado a 110% de corrente, a impedância do transformador pode ser escolhida apenas em função da corrente de defeito e da regulação. As fábricas que tentam resolver o arranque de um refinador com um transformador maior acabam por comprar 63 MVA para servir 20 MW de carga, o que é uma forma dispendiosa de evitar um acionamento.

Porque é que um afundamento de tensão de 100 ms rompe o papel — e quanto custa uma rutura?

Uma máquina de papel não tem inércia na folha. A folha é mantida sob tensão entre as seções e, se uma seção perde binário durante 100 ms enquanto as vizinhas continuam a funcionar, o transitório de tensão ou rompe a folha ou produz uma zona mais espessa e mais fraca que rompe no próximo nip. Os próprios acionamentos normalmente sobrevivem a um afundamento; a folha não. A sequência é: afundamento, uma ou duas seções disparam por subtensão ou sobrecorrente, a folha rompe, o refugo enche o pulper e a equipa passa 15–45 minutos a reenfiar desde a caixa de entrada até ao enrolador.

O custo de uma rutura não é a eletricidade. Numa máquina de 700 t/d a produzir papel fino revestido, uma rutura custa 3–5 horas de produção, incluindo o enfiamento e o tratamento do refugo, o que, a 29 t/h e com uma margem de contribuição de USD 300–600 por tonelada, representa USD 26 000–87 000 por evento, mais o valor do refugo e a perturbação do planeamento a jusante. As fábricas com 10–30 ruturas por ano investem, por isso, dinheiro real em ride-through, e a especificação do transformador faz parte desse investimento: um transformador com menor impedância e um barramento mais rígido dá mais margem aos variadores, e uma fábrica com um esquema de transferência rápida de barramento pode passar a máquina para a entrada saudável em 200–300 ms em vez de perder a folha.

Imerso em óleo ou tipo seco — qual é o lugar de cada um numa fábrica de papel?

Numa fábrica, a escolha é determinada pela localização, não pela preferência. Os transformadores de tipo seco em resina moldada são a opção predefinida no interior de edifícios porque não têm óleo para arder, nem bacia de retenção, nem parede corta-fogo, nem conservador ou azoto para manter. Os transformadores imersos em óleo são a opção predefinida no exterior a 33 kV e acima porque são mais baratos por MVA, mais eficientes e melhores a dissipar calor num clima quente.

Dois pontos específicos das fábricas são frequentemente esquecidos. Primeiro, um transformador em resina moldada numa nave da máquina de papel funciona num ambiente a 40–45 °C com pó de papel a depositar-se nos enrolamentos, pelo que a sua potência tem de ser corrigida para a temperatura ambiente e o seu invólucro tem de ser concebido de modo a que o pó não faça ponte no isolamento — IP54 com um percurso de ventilação filtrado, não IP21. Segundo, a estratégia de incêndio tem de ser decidida antes de o transformador ser encomendado: a FM Global Data Sheet 5-4 e a seguradora local definirão as distâncias de separação e as resistências ao fogo para as unidades cheias de óleo, e adaptar uma parede corta-fogo em torno de um transformador já instalado é muito mais dispendioso do que escolher o tipo seco desde o início.

O que fazem a fábrica de branqueamento, a parte húmida e a nave da máquina à especificação?

As fábricas de papel são húmidas, quentes e corrosivas de uma forma que a indústria em geral não é. Quatro ambientes determinam a especificação:

• Fábrica de branqueamento: atmosferas de dióxido de cloro e cloro a 40–50 °C com elevada humidade. Os invólucros de aço carbono corroem em 3–5 anos. Especifique revestimento ISO 12944 C5-M, ferragens em aço inoxidável 316, enrolamentos em resina fundida selados, IP55 e uma sobrespessura de corrosão no invólucro em vez de apenas um sistema de pintura.
• Salão da máquina de papel: ambiente a 40–45 °C, 80–90% de humidade relativa na zona húmida, pó de papel por todo o lado. Desclassifique para ambiente acima de 40 °C, especifique resistências anti-condensação energizadas quando o transformador está desligado e posicione a unidade de forma a que a água de limpeza não possa escorrer para o invólucro.
• Preparação de pasta: vibração dos refinadores e crivos, além de vapor e salpicos de pasta. Especifique contraventamento sísmico ou antivibração dimensionado para a fundação do refinador, ligações de barramento flexíveis e um transformador localizado fora da zona de salpicos.
• Efluentes e tratamento de água: exterior, sulfureto de hidrogénio na atmosfera do esgoto e bombas que arrancam com frequência. Unidades imersas em óleo com revestimento C4/C5, caixas de cabos seladas e um caminho de acesso para manutenção que não exija parar a fábrica.

A correção do ambiente não é um erro de arredondamento. Um transformador em resina fundida de 4 MVA dimensionado para ambiente a 40 °C perde cerca de 5–8% da sua capacidade a 45 °C, e uma unidade imersa em óleo de 33 kV perde cerca de 1% por kelvin acima do ambiente nominal. Numa fábrica onde o salão da máquina está a 45 °C durante seis meses por ano, essa correção tem de constar do pedido de cotação, e não ser descoberta na colocação em serviço. O mesmo se aplica à altitude, que é relevante para fábricas em locais de altitude elevada; o método de correção é o utilizado para qualquer transformador de distribuição, e vale a pena verificar a curva de desclassificação antes de fixar a potência. A relação entre estágio de arrefecimento, elevação de temperatura e carregamento admissível é abordada no guia de métodos de arrefecimento e elevação de temperatura.

Como deve a fábrica ser configurada para fiabilidade?

Uma fábrica de papel opera 350 dias por ano e perde USD 30.000–90.000 por paragem não planeada, pelo que a questão da redundância é económica e não filosófica. As quatro configurações abaixo abrangem quase todas as fábricas; a escolha é geralmente feita por área, e não para todo o local.

Especificamente para a máquina de papel, o padrão que funciona é quatro transformadores em duas secções com uma ligação normalmente aberta e um esquema de transferência rápida: cada par suporta metade da máquina a 80% de carregamento, e na perda de uma unidade a ligação fecha e a máquina continua a velocidade reduzida com o coater e um bobinador desligados. Trata-se de um compromisso deliberado — um 2 × 100% total num barramento de máquina de 16 MVA é difícil de justificar, enquanto um radial simples é indefensável.

Um detalhe de fiabilidade é fácil de errar após uma paragem. Quando a fábrica é reenergizada, todos os transformadores do quadro absorvem a sua corrente de magnetização no mesmo momento, e uma unidade de 4 MVA pode puxar 8–12 vezes a corrente nominal durante 100–200 ms. Se os acionamentos da máquina de papel já estiverem habilitados quando o disjuntor de entrada fecha, a queda de tensão provocada pela corrente de magnetização é suficiente para os disparar. A solução é uma sequência de energização faseada — primeiro os transformadores, acionamentos habilitados 2–3 s depois, secções aceleradas por ordem — e a física subjacente à corrente é explicada no guia da corrente de magnetização do transformador.

Porque é que uma fábrica de papel precisa de um transformador elevador além de um redutor?

A maioria das fábricas integradas gera grande parte da sua própria energia. Uma caldeira de recuperação, mais uma caldeira de biomassa, mais uma turbina de extração-condensação normalmente fornece 30–60 MW a 11 kV, e a fábrica vende o excedente para a rede em alguns mercados e importa à noite em outros. Isso exige um transformador elevador de gerador em 11/132 kV ou 11/110 kV, dimensionado para a potência nominal da turbina com uma margem de sobrecarga, e altera a filosofia de proteção e medição de toda a instalação.

Três consequências para a especificação do transformador:

• Fluxo de potência reverso: os transformadores de 33 kV e 132 kV da fábrica devem ser especificados para potência bidirecional, com relés de sobrecorrente direcional e de potência reversa, e com faixas de comutação que funcionem em ambas as direções. Um transformador especificado apenas para importação terá uma faixa de OLTC que esgota os taps quando a fábrica exporta a 105% de tensão.
• Fluxo de harmônicos para a rede: quando a fábrica exporta, os harmônicos dos acionamentos da máquina de papel fluem através do transformador elevador até o ponto de conexão da concessionária. Os limites da IEEE 519 se aplicam nesse ponto, não no barramento de 690 V, e a concessionária irá medi-los. Esta é a razão pela qual uma fábrica que está em conformidade no seu próprio quadro de 11 kV ainda pode receber uma reclamação de qualidade de energia do operador da rede.
• Ilhamento: se o fornecimento da concessionária for perdido, a fábrica pode operar em ilha com sua própria geração. O transformador elevador então carrega toda a carga da fábrica com um nível de curto-circuito muito diferente e sem inércia da rede por trás dele, e o esquema de alívio de carga deve ser projetado para esse caso, e não para o caso conectado à rede.

Como é a capitalização de perdas para uma fábrica operando 8.000 horas por ano?

Um transformador de fábrica de papel opera continuamente, então suas perdas são um custo de capital, não um detalhe operacional. Capitalize-as a 8.000 horas por ano, 0,08 USD/kWh, 20 anos e uma taxa de desconto de 6%, e o fator de anuidade é 11,47. Um quilowatt de perda em vazio vale então 8.000 × 0,08 × 11,47 = USD 7.341, e um quilowatt de perda em carga com um fator de carga de 70% vale 8.000 × 0,49 × 0,08 × 11,47 = USD 3.597.

Aplique isso a uma unidade de 4 MVA com 3,2 kW de perda em vazio e 32 kW de perda em carga: 151.040 kWh por ano, USD 12.083 por ano, USD 138.593 ao longo da vida útil de 20 anos. Esse é o número a ser comparado com a diferença de preço entre uma unidade de classe S13 e uma S20, ou entre um projeto padrão e um de baixas perdas. Na maioria dos casos, a unidade de baixas perdas vence em um ciclo de trabalho de fábrica e perde em um ciclo de trabalho de 2.000 horas, e é por isso que o mesmo transformador pode ser a escolha certa para uma fábrica de papel e a escolha errada para um canteiro de obras. O método completo, incluindo como lidar com o crescimento de carga e como tratar o custo capitalizado junto ao preço de compra, está descrito no cálculo do custo total de propriedade.

O que deve constar na RFQ para um pacote de transformadores de fábrica de papel?

Uma consulta de fábrica de papel falha de uma de duas maneiras: o fornecedor cotiza um transformador de distribuição padrão e os harmônicos, o regime de partida ou o ambiente corrosivo são descobertos depois; ou a consulta é tão aberta que cada oferta é para um produto diferente. A lista de dados abaixo fecha ambas as lacunas. É também a lista contra a qual comparar as ofertas, porque uma cotação que não consegue responder aos itens 5, 6 e 9 não é uma cotação para esta aplicação.

O item 13 merece um levantamento próprio. Uma unidade de 40 MVA, 132/33 kV pesa 60–80 t com óleo e exige um estudo de rota para limites de pontes, linhas aéreas e raios de curvatura antes da emissão do pedido; uma unidade de 4 MVA em resina fundida para o salão de máquinas pode precisar passar por uma porta de 2,5 m e ser içada até o local antes do fechamento do telhado. As restrições de transporte e instalação, incluindo o transporte de óleo com colchão de nitrogênio e os limites de inclinação durante o manuseio, estão descritas no guia de transporte e instalação.

Perguntas frequentes

Um único transformador de 33/0,69 kV pode alimentar toda a máquina de papel?

Tecnicamente sim, na prática não. Uma única unidade de 16 MVA em 690 V exigiria 13.400 A de barramento, colocaria toda a máquina atrás de uma única falha e concentraria a corrente harmônica de todos os inversores em um único enrolamento. Quatro unidades de 4 MVA em duas seções custam mais em quadros de manobra, mas menos em produção perdida, e permitem retirar uma unidade para manutenção sem parar a máquina.

Ainda preciso de um transformador com classificação K se todos os meus inversores são AFE?

Não, e pagar por um é um desperdício comum. Inversores AFE com filtros LCL produzem 3–5% de THDi, o que corresponde a um fator K próximo de 1. Um transformador padrão com neutro corretamente dimensionado é suficiente. A classificação K torna-se relevante quando inversores de 6 pulsos permanecem no barramento — tipicamente em uma modernização em que parte da máquina foi atualizada e parte não.

Que impedância devo especificar para um transformador que alimenta refinadores?

Escolha-a primeiro para a corrente de falta e a regulação, depois verifique a partida. Em um transformador de 11 kV, 20 MVA, 8% mantém a corrente de falta em 13,1 kA e é compatível com quadros de manobra de 16 kA; ir para 10% economiza um quadro de manobra, mas acrescenta 4% à queda de tensão na partida direta de um refinador, o que é uma troca errada. Se o refinador partir diretamente da rede e a queda exceder 10%, a solução é um VFD ou uma partida suave, não um transformador diferente.

Um transformador de fábrica de papel pode ser instalado em ambiente interno?

Sim, e a maioria dos transformadores de máquina de 690 V é. As unidades secas em resina fundida são projetadas para instalação interna, não precisam de bacia de contenção nem de parede corta-fogo, e estão disponíveis com invólucros IP54 para áreas poeirentas e úmidas. As restrições são a temperatura ambiente, a ventilação e o controle de poeira, não a tecnologia do transformador em si. Unidades imersas em óleo acima de 20 MVA em ambiente interno exigem uma célula com resistência ao fogo, uma bacia de contenção e, geralmente, um sistema de dilúvio, razão pela qual normalmente são instaladas ao ar livre ou em um edifício de subestação dedicado.

Fontes / 资料来源

Fonte: IEC 60076-1 — Transformadores de potência, requisitos gerais.
Fonte: IEC 60076-2 — Elevação de temperatura para transformadores imersos em líquido.
Fonte: IEC 60076-11 — Transformadores de potência a seco.
Fonte: IEC 60038 — Tensões padrão, incluindo o nível de 690 V.
Fonte: IEC 60034-12 — Desempenho de partida de motores de indução trifásicos de gaiola de velocidade única.
Fonte: IEEE C57.110-2018 — Estabelecimento da capacidade do transformador ao fornecer correntes de carga não senoidais.
Fonte: IEEE 519-2014 — Controle de harmônicos em sistemas de energia elétrica.
Fonte: IEEE C57.12.00 — Requisitos gerais para transformadores de distribuição, potência e regulação imersos em líquido.
Fonte: GB/T 6451-2015 — Parâmetros técnicos e requisitos para transformadores de potência trifásicos imersos em óleo.
Fonte: GB 20052-2020 — Valores mínimos admissíveis de eficiência energética e classes de eficiência energética para transformadores de potência.
Fonte: GB/T 1094.1-2013 — Transformadores de potência, geral.
Fonte: Regulamento (UE) n.º 548/2014 da Comissão — Requisitos de conceção ecológica para transformadores de potência pequenos, médios e grandes, Nível 2 a partir de 1 de julho de 2021.
Fonte: Departamento de Energia dos EUA, 10 CFR Parte 431 Subparte K — Normas de conservação de energia para transformadores de distribuição.
Fonte: ISO 12944-2 — Categorias de corrosividade para estruturas de aço, categoria C5-M para atmosferas costeiras e industriais.
Fonte: NFPA 70 (National Electrical Code) Artigo 450 — Transformadores e câmaras de transformadores.
Fonte: NFPA 13 — Instalação de sistemas de sprinklers, para o contexto de carga de incêndio da fábrica.
Fonte: FM Global Data Sheet 5-4 — Transformadores, requisitos da seguradora para separação e proteção contra incêndio.
Fonte: IEC 60079-10-1 — Classificação de áreas perigosas, aplicável onde se utilizam cabines de revestimento à base de solvente.
Fonte: Experiência de engenharia QDTB — listas de carga por área de fábrica de papel, dimensionamento de barramento de acionamento seccional de 690 V, estudos de partida de refinadores e prática de desclassificação por harmônicos. Os valores marcados como experiência do setor são faixas típicas de projetos de fábrica, não normas publicadas.

Se está a preparar um pedido para uma subestação de máquina de papel ou fábrica de pasta, a via mais rápida para uma oferta comparável é enviar em conjunto a lista de carga por área, o diagrama unifilar, o cronograma de acionamentos com os tipos de front-end e os dados do maior arranque de motor. A nossa equipa de engenharia pode transformar isso numa especificação de transformador dimensionada, num cálculo de desclassificação por harmônicos e num orçamento indicativo numa única passagem. Também pode começar pelas calculadoras de sistemas de potência para verificar o nível de defeito, a queda de tensão e a capitalização de perdas antes de contactar qualquer fornecedor — e se a questão for qual o tipo de transformador que pertence a cada local, a comparação entre transformadores imersos em óleo e a seco aborda a decisão em mais detalhe.