1. théorie des transformateurs

THEORIE SUR LES TRANSFORMATEURS DE PUISSANCE

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Historique Transport de l’énergie vers les centres urbains ou les sites industriels.

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HISTORIQUE Le transformateur inventé par Lucien Gaulard (modèles de 1884 et 1886)

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ROLE

Transport de l’énergie vers les centres urbains ou les sites industriels. Les transformateurs assurent le rôle de modifier les amplitudes des grandeurs électriques alternatives de fréquence F.

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CONSTITUTION Un circuit ferromagnétique fermé comportant plusieurs noyaux ou colonnes réunis par deux culasses ( 3 colonnes réunies par 2 culasses ) Utilisation de tôles à haute perméabilité au silicium à cristaux orientés, de faible épaisseur. • pertes réduites grâce aux procédés de laminage et de traitement thermique • Emploi de noyaux et de culasses feuilletées (emploi de tôles à très faibles pertes) permet de réduire les pertes par HYSTERESIS et par COURANTS DE FOUCAULT. • Des canaux de refroidissement, dont la largeur et le nombre sont fonction de l'importance de la section, sont prévus dans le circuit magnétique pour permettre la circulation du fluide afin de facilité le refroidissement.

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CONSTITUTION Enroulements de forme cylindrique et disposés concentriquement. Leur construction simple et leur symétrie assurent les conditions suivantes : • • • •

Isolement Résistance aux efforts électrodynamiques Surtensions Limitation de l'échauffement et refroidissement

Enroulements suivant trois dispositions adoptées : • Longues couche concentrique (H.T. ou B.T.). • Galettes entrelacées (H.T.). • Hélices spéciales (B.T.). 6

CONSTITUTION

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CONSTITUTION

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CONSTITUTION

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CONSTITUTION

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DEFINITION Création d’un flux magnétique forcé par une alimentation, s’établit dans la carcasse magnétique FEM induites aux bornes des enroulements secondaires • LOI DE LENZ

Naissance d’un courant au secondaire suivant le récepteur IA

IB

Ia

A

a

VA

n1 n2

VB x

IC

n1 n2

Y

Vb y

Ic

C

c

VC

Z

b

Va

X

Ib

B

n1 n2

Vc

z

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DEFINITION Si les primaires sont alimentés par des tensions sinusoïdales de même pulsation et représentées dans le plan de Fresnel par : on sait qu'elles forcent des flux magnétiques sinusoïdaux de même pulsation et représentées par : A

=

1 jn 1

VA

B

=

1 jn 1

VB

C

=

1 jn 1

VC

La colonne commune centrale sera donc le siège d'un flux magnétique : t = A + B + C = 1 / jn1 x (VA + VB + VC) = 3 / jn1 x VC

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DEFINITION Si les tensions primaires d'alimentation ont une somme nulle (ce qui est le cas, en particulier, si elles forment un système triphasé équilibré) le flux de cette colonne sera nul et on pourra la supprimer, ou du moins la sous-dimensionner si on prévoit la possibilité d'une composante homopolaire Vo non nulle. B

A

VA

A X a x

n1

n1

n1

VB

C

n2

n1

VC

t

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DEFINITION Afin de simplifier la réalisation du circuit magnétique et de diminuer le volume occupé dans l'espace et la masse de fer utilisée on réalise souvent des transformateurs triphasés à noyaux coplanaires. A

A

C

B

X a

C

n1

n1 Y b

n1 Z c

n2

n2 x

B

y

n2 z

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DEFINITION

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DEFINITION

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SYSTEME D’ISOLATION Transformateurs Immergés • La partie active est placée dans une cuve remplie d'un diélectrique de l'une des familles suivantes : • Huiles minérales: Produits pétroliers économiquement intéressants, mais ayant un point d'inflammabilité bas qui entraîne dans certains cas des contraintes d'installation. • Huiles silicones : Diélectrique liquide difficilement inflammable. • L.I.H.T. : Liquide isolant halogéné pour transformateur. Il s'agit de diélectrique de synthèse ininflammable et sans PCB (polychlorobiphényl). Non toxique, il remplace les askarels (pyralène) dont l'usage est interdit dans de nombreux pays. L'usage des L.I.H.T. n'entraîne ni contrainte, ni précaution spécifique.

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SYSTEME D’ISOLATION Transformateurs Immergés • L.I.H.T. :Deux principes sont utilisés : • - Transformateurs dits " respirants " : La dilatation du diélectrique se fait dans un réservoir d'expansion (conservateur) placé au-dessus de la cuve (figure 5). La surface du diélectrique peut être en contact direct avec l'air ambiant ou en être séparé par une paroi étanche en matière synthétique déformable. Dans tous les cas, un dessiccateur évite l'entrée d'humidité à l'intérieur du réservoir. • - Transformateurs dits " hermétiques " : Pour des transformateurs de puissance < 16MVA dont la quantité de diélectrique est faible, une technique qui empêche totalement le contact avec l'air extérieur est utilisée. Pour la dilatation deux moyens sont employés :

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SYSTEME D’ISOLATION Transformateurs Immergés • 1) La dilatation du diélectrique est absorbée par un matelas de gaz inerte intercalé entre la surface du diélectrique et le haut de la cuve (Figure 6). Toutes les connexions et sorties en partie haute du transformateur doivent être dimensionnées en conséquence. Le système de refroidissement ne peut aller chercher le diélectrique là où il est le plus chaud c'est-à-dire à sa surface. La constatation aisée d'un défaut produisant des gaz est impossible. • 2) La suppression du matelas de gaz permet d'éviter ces inconvénients. La dilatation du diélectrique est absorbée par la déformation du système de réfrigération qui souvent fait partie intégrante de la cuve. Ce sont les transformateurs hermétiques à remplissage total ou intégral dont l'entretien est réduit au strict minimum (Figure 7).

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SYSTEME D’ISOLATION Transformateurs Immergés • Figure 5

Figure 6

Figure 7

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SYSTEME D’ISOLATION Transformateurs Secs : Appareils à isolement sec dont le refroidissement est assuré par l'air ambiant sans liquide intermédiaire. Ils appartiennent à l'une des familles suivantes : Imprégnés classe H : Appareils dont les bobinages sont réalisés par imprégnation et polymérisation des vernis. Le choix des isolants et des vernis évite la propagation de l'incendie, le dégagement de fumées et de vapeurs toxiques. Enrobés : Appareils dont les bobinages sont pris dans un moulage exécuté à chaud avec une résine époxydique. Cette résine peut être renforcée de tissu de verre et est spécialement étudiée pour éviter la propagation de l'incendie.

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COUPLAGE Les couplages usuels sont : • Etoile avec ou sans neutre sorti. • Triangle. • Zig Zag.

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COUPLAGE COUPLAGE ETOILE • Le courant en ligne est égal au courant de phase. • La tension composée est égale à 3 fois la tension simple. • I=i U = 3u A

I

I=i u

I = Courant en ligne ou composé. U

i = Courant dans la phase. U = Tension de ligne ou composée. u = Tension de phase ou simple.

C

B

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COUPLAGE COUPLAGE TRIANGLE • La tension composée est égale à la tension simple. • Le courant en ligne est égale à 3 fois le courant de phase. A

I

i U=u

C

B

U=u

I=

3 i

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COUPLAGE COUPLAGE ZIG-ZAG • Le couplage Zig-Zag permet de conserver le décalage introduit par la connexion Etoile/Triangle tout en conservant la possibilité d'un point neutre. • Avec : U1 = Tension simple de chaque demi-bobine zig-zag. • U2 = Tension simple de chaque demi-bobine étoile correspondante. U1

- Nous pouvons écrire :

A

30°

U 2 = U 1 C os 30° U 2 = U 1 X

U2

3

I = i

2 C

U 1 =

2 U 2 3

N

U

= 1 ,1 5 U 2

B 25

COUPLAGE COUPLAGE ZIG-ZAG • Le couplage zig-zag exige donc environ 15% de plus de spires qu'un enroulement étoile de même tension, soit un poids de cuivre majoré de 15%. • La tension composée est égale à 3 fois la tension simple de chaque demi-bobine en zig-zag soit U = 3U1 • Le courant en ligne est égal au courant de phase soit I = i

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COUPLAGE Symboles : • Lettres Y, y pour la connexion en étoile – MAJUSCULE H.T. – MINUSCULE B.T. • Lettres D, d pour la connexion en triangle – MAJUSCULE H.T. – MINUSCULE B.T. • Lettres Z, z pour la connexion en zig-zag – MAJUSCULE H.T. – MINUSCULE B.T. • Lettres N, n pour le neutre sorti – MAJUSCULE H.T. – MINUSCULE B.T.

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COUPLAGE Couplage : On appelle Couplage, l'association des connexions des deux enroulements, énoncée dans l'ordre H.T. - B.T. • exemple : Couplage étoile - triangle -----> Yd.

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COUPLAGE – INDICE HORAIRE Indice horaire :décalages angulaires sont des multiples nde 30° Yy0

U AN Côté B.T.

a

b

c

A

B

C

Uan

Ucn

Côté H.T.

U CN

U bn

U BN

N

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COUPLAGE – INDICE HORAIRE Schéma de couplage a

n

O b serv ateu r

n

B as

c C b B A

C ô té B .T .

N

H aut A M êm e sen s d 'enro ulem en t en B .T . et H .T .

a

b C

B

c

C ô té H .T . B as

y0

N

UNA U na

U nc UN C

U ub UN B

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COUPLAGE – INDICE HORAIRE Schémas de couplage • Dy 11

Yd 11

0 A a A

a A

b c B C

a A

a

a

b c B C

b 0 b

C c

A

11

a

b c

B C

A

11

11

Yz 11

0 B

C

0 B

c

C

b B

c

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COUPLAGE – INDICE HORAIRE Couplages normalisés • Couplage Yy0. • Couplage Dy11. • Couplage Yz11.

Le couplage y permet d'avoir tous les indices horaires pairs. Le couplage Dy permet d'avoir tous les indices horaires impairs. Le couplage impairs.

z permet d'obtenir tous les indices horaires

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COUPLAGE – INDICE HORAIRE

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GRANDEURS CARACTERISTIQUES En règle général, chaque constructeur définit les spécifications du transformateur à partir des caractéristiques suivantes : • • • • • •

- Tensions primaires et secondaires composées. - Rapport de transformation (à vide). - N1 = Nombre de spires d'une phase primaire. - N2 = Nombre de spires d'une phase secondaire (étoile) ou Nombre de spires d'une demi-phase secondaire (zig-Zag) : – monophasé, et triphasé (couplage étoile/étoile neutre sortie) : N1/N2=N1/N2 – triphasé (couplage triangle/étoile neutre sortie étoile/zig-zag neutre sortie) : N1/ 3N2 = N1/N2

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GRANDEURS CARACTERISTIQUES Calcul des pertes • Pertes à vides : il s'agit des pertes actives consommées par le transformateur alimenté sous sa tension nominale ; circuit secondaire ouvert. • Pertes dues à la charge : Ce sont les pertes actives consommées dans les enroulements du transformateur, elles sont mesurées en court-circuit et varient comme le carré de la charge.

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GRANDEURS CARACTERISTIQUES Courant à vide • Le courant à vide est exprimé en % du courant nominal. Le courant, appelé aussi courant magnétisant, est très fortement déwatté.

Tension de court-circuit • La tension de court-circuit est exprimée en % de la tension nominale. On détermine la tension de court-circuit Ucc à partir de l'essai en court-circuit du transformateur. Celui-ci est alimenté par un de ses enroulements à une tension sinusoïdale et à sa fréquence nominale, un de ses autres enroulements secondaires étant court-circuité. La tension de court-circuit est la tension à appliquer à l'enroulement alimenté pour que les courants nominaux circulent dans les enroulements concernés : Enroulement primaire alimenté et enroulement secondaire court-circuité.

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GRANDEURS CARACTERISTIQUES Courant nominal • Le courant nominal du transformateur est défini pour un fonctionnement de l'appareil à pleine charge, en régime continu et dans les conditions prévues par la norme. Le courant nominal est appelé également courant assigné.

Puissance assignée • La Puissance assignée PA d'un transformateur a été définie comme le produit de sa tension d'alimentation (en Volts) par le courant (en Ampères) dont il est capable de fournir à pleine charge. PA = U x I x 3

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GRANDEURS CARACTERISTIQUES Rendement est défini de la façon suivante : k x P Cos x 100 = ---------------------------------k P Cos + Wo k2 + Wc Avec

k = coefficient de charge. Wo = pertes à vide. Wc = pertes dues à la charge.

A pleine charge, le coefficient de charge est k = 1.

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ECHAUFFEMENT Pertes d‘énergie dont la plus grande partie est localisée dans le circuit magnétique et les enroulements. Mais elles peuvent être engendrées dans les connexions, les changeurs de prises et les traversées. Le régime nominal d'un transformateur : tension et puissance nominales, est étroitement lié à son échauffement du fait des limites imposées par les isolants utilisés et à un moindre degré de l'accroissement des pertes joules avec la température.

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ECHAUFFEMENT Sont définis : la température maximale du fluide réfrigérant, air ou eau, l'échauffement des enroulements, du circuit magnétique, et des autres parties et du diélectrique liquide, s'il s'agit d'un transformateur immergé.

L'échauffement moyen des enroulements peut-être mesuré par variation de résistance électrique lors d'un essai d'échauffement, celui des autres éléments par thermomètre.

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ECHAUFFEMENT Limites d'échauffement pour les transformateurs du type sec Partie Enroulements (mesure par la méthode de variation de résistance).

Mode de Classe de Echauffement refroidissement température (°C) Par air, naturel ou ventilation forcée

A E B F H C

60 75 80 100 125 **

** La valeur limite de 150° C et même des valeurs supérieures peuvent être acceptées avec certains matériaux de la classe C, après examen entre le constructeur et l'acheteur.

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ECHAUFFEMENT Limites d'échauffement pour les transformateurs immergés dans l’huile Partie

Enroulements Classe de température A (mesure par la méthode de variation de résistance)

Mode de refroidissement Naturel : Par ventilation forcée Par circulation interne d’eau

Classe de températur e

Echauffement (°C)

Naturelle

65

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ECHAUFFEMENT Classification des isolants Les matières isolantes solides sont réparties suivant les limites de température admissible en 7 classes. Classes

Y

A

E

B

F

H

C

Températures limites (°C)

90

105

120

130

155

185

>180

Loi de Montsinger la durée de vie d'un isolant décroît de moitié pour une élévation de la température de service variant entre 5° et 8° C.

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REFROIDISSEMENT Désignation des modes de refroidissement Nature de l’agent de refroidissement

Symbole

Huile minérale

O

Askarel

L

Gaz

G

Eau

W

Air

A

Isolant solide

S

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REFROIDISSEMENT Désignation des modes de refroidissement

Nature de La Circulation

Symbole

Naturelle

N

Forcée

D

Forcée et dirigée dans les enroulements

F

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REFROIDISSEMENT Désignation des modes de refroidissement Types les plus courants

Symbole

Transformateur sec à refroidissement naturel dans l'air

AN

Transformateur sec à ventilation forcée d'air.

AF

Transformateur à circulation naturelle d'huile et d'air.

ONAN

Transformateur à circulation naturelle d'huile et ventilation forcée d'air.

ONAF

Transformateur à circulation forcée d'huile et d'air.

OFAF

Transformateur à ventilation forcée d'air et circulation dirigée d'huile.

ODAF

Transformateur à circulation forcée d'huile et d'eau.

OFWF

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