Refroidir les transformateurs

Andreas Schneider présente des ventilateurs robustes pour les transformateurs haute puissance refroidis à l'huile

Les transformateurs haute puissance sont des composants de base des systèmes d'alimentation électrique. Ils commutent la tension alternative entre différents niveaux de tension, ce qui les rend essentiels pour la production, la transmission ou la distribution d'électricité dans les centrales électriques, les opérations industrielles et les sous-stations électriques. Des transformateurs de forte puissance sont installés à l'extérieur.

Là, ils doivent résister au vent et aux intempéries - et à l'humidité des forêts tropicales, aux embruns salés sur la côte, à la chaleur torride dans les régions désertiques ou au froid glacial aux pôles.

Les ventilateurs utilisés dans les systèmes de refroidissement doivent être tout aussi résistants. Une technologie robuste qui fonctionne de manière fiable et ne nécessite pas d'entretien est en demande.

Chaque fois qu'un transformateur tombe en panne, cela a des conséquences fatales puisque l'alimentation électrique ne peut plus être garantie.

Les transformateurs génèrent de la chaleur résiduelle lorsqu'ils sont en fonctionnement et l'huile est le liquide de refroidissement de choix. Il transfère la chaleur par convection (ou soutenue par des systèmes de pompe) au boîtier du transformateur, qui a des ailettes de refroidissement ou des radiateurs similaires aux échangeurs de chaleur à l'extérieur. Les gros transformateurs de forte puissance nécessitent un refroidissement supplémentaire : des ventilateurs qui évitent les dommages dus à la surchauffe malgré des surfaces de refroidissement aussi compactes que possible.

Les ventilateurs doivent répondre à des exigences particulières afin de pouvoir résister à des conditions de déploiement extérieures difficiles.

Il ne suffit pas que les ventilateurs soutiennent les performances d'air requises. Des propriétés telles que la résistance à la corrosion même en cas d'humidité élevée, un fonctionnement sans entretien sans lubrification et un fonctionnement fiable sur une durée de vie aussi longue que possible sont tout aussi importantes. Et lorsque les charges fluctuent, il est également avantageux que la capacité de refroidissement puisse s'adapter à la demande réelle.

Il n'est pas toujours judicieux d'arrêter les ventilateurs individuels lorsque le transformateur est en fonctionnement à charge partielle, car dans cet état, des «points chauds» non refroidis peuvent apparaître sur l'échangeur de chaleur. Si les ventilateurs fonctionnent aussi efficacement que possible, au fil des ans, les utilisateurs peuvent économiser des sommes considérables d'argent et d'énergie, qu'ils peuvent réinjecter dans le réseau électrique. Il en résulte un avantage économique positif pour les opérateurs énergétiques. Si les transformateurs sont à proximité voire dans des zones résidentielles, le bruit qu'ils génèrent joue un rôle qu'il ne faut pas non plus sous-estimer.

Le spécialiste des moteurs et ventilateurs ebm-papst a résolu ce problème en développant des ventilateurs spéciaux pour transformateurs. Ils satisfont à toutes les exigences pour le refroidissement sophistiqué des grands transformateurs selon la norme DIN EN 50216-12 et sont disponibles dans des tailles de 500 mm à 1 250 mm avec des performances d'air allant jusqu'à 13 m³/s. Ils satisfont également aux exigences en matière de longue durée de vie et de résistance au brouillard salin (classe de protection contre la corrosion C5M selon DIN EN ISO 12944), de sorte que les ventilateurs conviennent à une utilisation dans les zones côtières à forte teneur en sel.

Le boîtier du ventilateur augmente l'efficacité du ventilateur

Tous les composants des modules compatibles plug-&-play – le boîtier du ventilateur, la turbine HyBlade, le moteur GreenTech EC avec électronique intégrée ou le moteur asynchrone AC et la grille de protection côté aspiration – sont parfaitement harmonisés.

Par exemple, l'optimisation aérodynamique réduit à la fois la turbulence de l'air et le bruit de fonctionnement. Les deux types de moteurs satisfont aux exigences de la directive actuelle sur l'écoconception.

La roue a une forme aérodynamique idéale basée sur la combinaison d'un cadre en aluminium avec un revêtement en plastique renforcé de fibres de verre. Cela réduit considérablement le bruit qu'il produit, permettant une plus grande efficacité par rapport aux lames traditionnelles.

Le support moteur, qui a également une fonction de protection contre les contacts, est installé du côté de l'admission. Côté sortie, une grille de protection est également disponible en accessoire. La grille de protection et le boîtier du ventilateur sont en tôle d'acier galvanisée à chaud avec un revêtement supplémentaire.

Le côté sortie a également une bride circonférentielle intégrée pour une fixation directe sur le radiateur.

Surtout lorsque les ventilateurs fonctionnent à l'air libre (comme d'habitude dans le cas des transformateurs refroidis à l'huile), l'effet positif de ce type de boîtier de ventilateur est excellent. Il maintient la turbulence de l'air au minimum, augmentant le débit d'air et donc l'efficacité du ventilateur.

Contrôle de la vitesse pour un refroidissement en fonction des besoins

Les entreprises qui s'appuient sur la technologie GreenTech EC éprouvée font un pas de plus vers l'efficacité énergétique.

Les moteurs EC sont essentiellement des moteurs synchrones à excitation par aimant permanent. Dans ceux-ci, un rotor avec des aimants permanents intégrés suit de manière synchrone le champ tournant du stator, qui est généré électroniquement.

L'électronique de commande permet des performances d'air réglables en continu (linéaires à la vitesse du ventilateur), qui s'écartent de la fréquence synchrone du réseau en fonctionnement à charge partielle avec pratiquement le même niveau d'efficacité élevé. La commande de vitesse en boucle ouverte peut être spécifiée soit de manière analogique via 0-10 VDE (par ex. capteur de température ou de pression d'huile) soit de manière numérique avec un signal PWM ou Modbus. Lorsque Modbus est utilisé, plusieurs ventilateurs peuvent être facilement interconnectés.

Cela facilite l'utilisation des fonctions de diagnostic et de surveillance, qui contribuent finalement à un fonctionnement fiable. Cette configuration signifie que l'ensemble du système peut être exploité de manière plus économique et a un effet positif sur les coûts du cycle de vie.

Pour éviter les points chauds sur l'échangeur de chaleur après l'arrêt des ventilateurs individuels, ebm-papst recommande d'utiliser tous les ventilateurs en fonctionnement à charge partielle. La conséquence est un débit plus régulier à travers le radiateur. Un effet secondaire positif est que le moteur ne chauffe pas aussi fortement, ce qui prolonge la durée de vie du ventilateur.

Un autre aspect du fonctionnement à charge partielle est la forte réduction de la consommation d'énergie et du bruit de fonctionnement grâce aux lois physiques.

La puissance d'entrée électrique est proportionnelle à la vitesse du ventilateur à la troisième puissance (Pe ~ n³). En conséquence, il n'est que de 12,5 % lorsque la vitesse et, par conséquent, les performances de l'air, sont réduites de 50 %. Logarithmiquement, cela réduit le niveau de bruit de 15 dB.

Le fonctionnement à charge partielle permet non seulement d'économiser de l'énergie et de réduire les coûts d'exploitation, mais entraîne également moins de chaleur perdue. Ceci est particulièrement utile pour les applications de refroidissement car la chaleur qui n'est pas générée n'a pas besoin d'être dissipée.

La commutation et la conception du stator garantissent également un fonctionnement très fluide. Les fréquences de cycle sont acoustiquement imperceptibles et la réduction du bruit chute. Cela rend ces « ventilateurs furtifs » idéaux pour les applications dans lesquelles les réglementations de protection contre le bruit doivent être respectées.

Mise en service simple

Les détails de conception axés sur la pratique simplifient la mise en service du ventilateur du transformateur.

Par exemple, il est possible d'installer et de monter directement sur le boîtier du ventilateur avec une position d'installation horizontale ou verticale selon les besoins.

La boîte à bornes du moteur pour le raccordement et la commande de l'alimentation est facilement accessible et isolée de l'électronique du moteur. L'équipe de développement a mis un point d'honneur à utiliser des terminaux de haute qualité.

Les ventilateurs sont parfaitement conçus pour une utilisation mondiale. Ils fonctionnent sur des alimentations entre 200-240 V et 380-480 V (pour des fréquences de réseau triphasées 50 Hz et 60 Hz), satisfont à toutes les normes pertinentes (UL, CSA, EAC et CCC) et aux exigences du degré de protection IP55, et la plaque signalétique satisfait à la norme DIN EN 50216-12.

Andreas Schneider est ingénieur de projet chezebm-papst.