Etude des systèmes techniques Les transformateurs

Etude des systèmes techniques
Les transformateurs
1. Les matériaux magnétiques
1.1 Définition
a) les matériaux diamagnétiques
Ils s’aimantent très faiblement dans le sens inverse du champ magnétique
b) Les matériaux paramagnétiques
Ils s’aimantent très faiblement dans le sens du champ magnétique
c) Les métaux ferromagnétiques
Ils s’aimantent très fortement en présence d’un champ magnétique et dans le même sens que celuici
1.2 Courbe d’aimantation
B0 = µ0 H dans l’air
Lorsque l’on augmente l’excitation magnétique H dans une bobine
munie d’un noyau magnétique, le champ B mesuré varie suivant cette
courbe.
1.3 Cycle d’hystérésis
La forme d’un cycle d’hystérésis constitue la photo d’identité
d’un matériau magnétique.
Elle est caractérisée par:
L’aimantation rémanante Br.
C’est la valeur de l’induction B lorsque le champ H est nul
Le champ coercitif Hc.
C’est la valeur du champ pour que l’induction B soit nulle
1.4 Pertes par hystérésis
Il y a une consommation d’énergie pour magnétiser un matériau. Cette consommation est traduite
par la surface du cycle d’hystérésis, ce qui correspond aux pertes par hystérésis.
Formule de Richter simplifiée pour les fortes valeurs de l’induction B > 1T
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Elles sont proportionnelles à la fréquence et au carré de l’induction
Ph = b V f B²
b Constante dépendant du matériau
V Volume du matériau
f fréquence
B Induction
1.5 Courant de Foucault
a) Rappel
Lorsqu’un matériau métallique est soumis à un champ magnétique variable, ou s’il se déplace dans un champ fixe, la variation de
flux engendre des courants induits qui s’oppose la cause qui leur a
donné naissance ( loi de Lenz ). Ce qui entraîne un échauffement.
b) Pertes dues aux courants de Foucault
Ces pertes sont données par la relation:
P= k v f² b²
Le coefficient K est donné par la mesure sur un échantillon
Elles sont proportionnelles au carré de la fréquence et au carré de
l’induction.
1.6 Constituants
A partir du fer et selon les matériaux d’addition on obtient des caractéristiques magnétiques différentes.
a) Le silicium
De 1à 4%, pour augmenter la résistivité
b) Le carbone
Jusqu’à 4% pour augmenter l’induction rémanente
c) Aluminium nickel
Réduit la largeur du cycle
d) Autres éléments
L’augmentation de l’induction rémanente est produite par
le chrome, le cobalt, le molybdène, le tungstène.
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1.7 Pertes globales
On résume les pertes par hystérésis et les pertes par courant de Foucault
en les exprimant en watts par Kg de matériau magnétique. Elles sont données pour une fréquence et une induction précise. ( 1T 50 Hz ). On peut les
diminuer avec une orientation des grains.
Exemples:
Tôle au silicium à grain orienté laminé à froid dans le sens du laminage 0.89 W/kg.
Tôles pour transformateur 1,1 W/kg.
Tôles pour moteur 3,6 W/kg.
2. Classification des matériaux magnétiques
2.1 Les aimants permanents
On distingue deux types d’aimant permanant:
- Les métalliques: Nikel, cobalt, aluminium, et fer
- Les Ferrites: Cristaux d’oxyde de fer et d’éléments de Baryum
Ils présentent un cycle d’hystérésis très large induction rémanante très forte et un champ coercitif
important.
2.2 Matériaux pour électro-aimant en courant alternatif
Il faut obtenir un cycle d’hystérésis étroit, qui supporte une forte induction et un faible champ
coercitif.
Exemple
Fer pur ( ferholtzer S)
2.3 Matériau pour circuit magnétique en courant alternatif
a) tôles laminées à froid à cristaux non orientées
Elles sont utilisées dans les transformateurs et machines tournantes.
b) Tôles magnétiques à grains orientés
Ce sont des tôles d’acier au silicium qui subissent un traitement lors du laminage permettant une
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orientation de la structure du métal dans le sens du
laminage.
Les pertes sont plus faibles.
La perméabilité est améliorée dans le sens du
laminage.
L’assemblage des tôles à grains orientés nécessite
certaines précautions dans le cas des changements
de direction du circuit magnétique.
Il faut prévoire un recouvrement lors de la découpe des tôles pour ce rapprocher de la figure 1.
c) Isolation des tôles entre elles
Elle est réalisée par :
- Phosphatation, dépose par traitement thermochimique de phosphate (1 à 2 microns)
- Par vernis synthétique
3. Constitution des transformateurs
3.1 Rappels
a) Principe
On place deux enroulements sur un circuit magnétique. Lorsque l’enroulement primaire est
traversé par un courant alternatif, il crée un flux
alternatif. Ce flux variable crée aux bornes de
l’enroulement secondaire une F E M. Si on place
un récepteur aux bornes du secondaire, un courant
alternatif parcours le circuit. La puissance transite
du primaire au secondaire par l’intermédiaire de la variation de flux.
U2
b) Formules
m=
U1
Rapport de transformation:
Formule de Boucherot
3.2 Constitution
(1) Circuit magnétique comprenant: des colonnes
une culasse supérieure et une culasse inférieure.
(2) Bobines : 2 par noyau. l’une formant
enroulement primaire, l’autre enroulement secondaire.
(3) Bornes haute tension.
(4) Commutateur de réglage de tension à + 5 %.
(5) Couvercle avec crochet de manutention.
(6) Cuve formant protection et contenant l’isolant
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liquide.
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Le transformateur est une machine d’induction qui comporte
principalement :
- Un circuit magnétique.
- Un circuit électrique.
- Des organes mécaniques assurant les fonctions telles que:
support, protection, manutention, refroidissement.
4. CIRCUIT MAGNETIQUE
Son rôle essentiel est de canaliser le flux et de présenter le minimum de pertes par hystérésis et courant
de Foucault.
Ils peuvent être soit à deux ou trois colonnes soit cuirassé, c’est à dire que les enroulements sont
placés sur 1 ou 3 colonnes centrales, et le flux se referme par chacun des cotés qui forment la cuirasse.
4.1 Section des colonnes
On utilise des sections circulaires pour les bobines, . Pour
avoir une meilleure utilisation du fer on se rapproche de cette
section avec des architectures en gradins.
4.2 Assemblage colonne cuirasse
Il faut réaliser des assemblages avec le moins de pertes possibles.
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techniques
b) joints à coupe oblique
a) joints enchevêtrés
On décale le joint pour obtenir un faible recouvrement et favoriser la tenue mécanique.
4.3 Matériaux employés
- Tôles d’acier au silicium, pertes 1 à 1.6 W/kg
- Tôles à cristaux orientés, pertes 0.55 W/Kg
Ces tôles ont une épaisseur de 0.35 mm et sont isolées sur une face par oxydation superficielle.
5. Circuit électrique
Il est constitué par les enroulements primaire et secondaire et leur
isolement. On distingue deux enroulements: L’enroulement H.T. et
l’enroulement B.T. qu’il s’agisse d’un transformateur élévateur ou
abaisser.
5.1 Bobinage des enroulements
a) Bobinage concentrique
Ce type de bobinage est très utilisé dans les petits transformateurs, il est appelé en tonneau.
b) bobinage mixte
c) Bobinage en galette
Utilisé en H.T. et T H T
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5 Isolation
5.1 Ecran
Un écran isolant est placé entre la masse et les bobinages ou entre les bobinage H.T. et B.T. De
plus on place une spire ouverte reliée à la masse entre la H.T. et la B.T. pour éviter la propagation
des parasites.
5.2 Traversées isolantes
Elles assurent la liaison entre les enroulements et la ligne
extérieure.
5.3 Les diélectriques.
Selon les tensions appliquées aux enroulements, l’isolation peut être assuré par:
- De l’air pour les petits transformateur B.T.
- De l’huile Très employée dans tous les transformateurs
de puissance, mais elle présente des risques d’incendie et
d’explosion.
- Du pyralène ou diélectrique Chloré qui est incombustible ( interdit en France car porté au-delà de 3000 degrés il
se transforme en Dioxine, poison très dangereux).
- Du quartz C’est un sable qui étouffe les flammes mais
rend le refroidissement plus difficile.
Le diélectrique assure à la fois l’isolement et le refroidissement du transformateur.
6. Organes mécaniques
6.1 Cuve et couvercle
Ils assurent les fonctions de:
- Protection mécanique
- Contenant du diélectrique et son refroidissement
- Support du circuit magnétique
- Fixation des traversées
- Manutention
6.2 Le refroidissement
Les pertes dans le circuit magnétique ( fer et Foucault) et dans le
cuivre ( effet joule) provoquent des échauffements. Pour éviter la
détérioration des isolants, on est obligé de refroidir les transformateurs.
a) Refroidissement dans l’air
Le transformateur est mis dans une enceinte grillagé, la ventila
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tion est effectuée de manière naturelle ou forcée.
b) refroidissement naturel dans l’huile
La cuve est munie d’ailettes, et l’huile se refroidit au contact des
parois
c) Refroidissement par radiateur d’huile
L’huile circule dans le radiateur de manière naturelle ou forcée, ce
radiateur peut être ventilé par un ventilateur extérieur.
d) Utilisation d’hydroréfrigérant
La circulation de l’huile s’effectue dans une cuve contenant des
tubes, à l’intérieure desquels circule de l’eau froide
7. Accessoire de protection
7.1 Préservation de l’huile
Un circuit permet de compenser les dilatations du circuit de refroidissement et d’éviter l’oxydation de l’huile au contact avec l’air.
Un réservoir d’expansion assure cette fonction. Il est mis en contact
avec l’air au travers d’un assécheur d’air à joint d’huile. Un thermomètre
à contact et un contrôleur de niveau complète cet équipement.
7.2 Relais Buchholz
En cas de défaut du diélectrique à l’intérieur du transformateur il
y à dégagement de gaz. Le relais Buchholz permet de détecter ces
défauts.
- Constitution
- Fonctionnement
Deux contacts permettent de détecter :
- Les dégagements lents ( vieillissement de l’isolant
entre quelques spires), grâces au flotteur
- Les dégagements violents ( court-circuit au
secondaire ) grâces à la palette
7.3 Cheminée d’explosion
Un diaphragme de verre permet en cas d’incident grave
d’évacuer les surpressions dangereuses pour la cuve.
7.4 Transformateur étanche
Pour les transformateurs de distribution on utilise des
transformateurs étanche ou la cuve se dilate avec le
diélectrique:
- Pas d’entretien
- Pas de contact entre le diélectrique et l’air
ambiant
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- Plus de conservateur ni d’assécheur
d’huile
8. Normalisation
On définit les transformateurs par un groupe de quatre
lettres
- 1 ère lettre: Nature du diélectrique
O Huile minérale
L
Diélectrique chloré
G Gaz
A Air
S
Isolant solide
- 2 ème Lettre: Mode de circulation du
diélectrique
N Naturel
F
Forcée
D Forcée et dirigée dans les
enroulements
- 3 ème lettre Agent extérieur de refroidissement
- 4 ème lettre Mode de circulation de l’agent de refroidissement
Exemple:
ONAN
Transformateur immergé dans l’huile, à circulation naturelle, refroidi par air à circulation naturelle.
9. Installation des transformateurs
9.1 Puissance à installer
Un transformateur doit être adapté à l’utilisation:
- Trop faible, il subit un échauffement important.
- Trop fort, les pertes excessives à vide sont inutiles.
9.2 Estimation des puissances
Elle peut s’effectuer en relevant toutes les puissances des récepteurs ou par une estimation globale
à l’aide du tableau suivant.
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9.21 Facteur de minoration
a) coefficient d’utilisation
Certain récepteur n’appelle pas en permanence leur puissance max.
b) facteur de simultanéité
Tous les récepteurs ne sont pas en activité en même temps.
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9.22 Facteur de majoration
a) Le cos f
Lorsque le cos f est trop faible (< 0.857 ) l’EDF pénalise les abonnés
b) Autres facteurs
- La température.
- L’installation à une altitude > à 1000m.
- Surcharge prévisible.
9.3 Prédétermination des puissances
On établit un bilan des puissances avec correction des différents coefficients.
9.4 Puissances et tensions normalisées
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10. Couplage des transformateurs
Pour des raisons de continuité ou de variation de consommation d’énergie on est amené à coupler des
transformateurs en parallèle.
10.1 Condition de couplage.
a) Puissance
La puissance totale disponible est la somme des puissances de tous les transformateurs. La
puissance du plus gros ne doit pas dépasser 2 fois la puissance du plus petit.
b) Réseau
Les transformateurs doivent être alimenté par le
même réseau.
c) Connexions
Même longueur de connexion, sur tout les cotés
B.T.
d) Indice horaire
Même indice horaire de couplage des
enroulements
e) Tension de court circuit
Elles doivent être égales à 10% près.
Elles doivent être très peu différentes en charge (
0.4% maximum)
10.2 Couplage des enroulements
a) Couplage étoile
Il permet la sortie du point neutre très utile en B.T.
b) Couplage triangle
c) Couplage ZIGZAG
Chaque enroulement comprend une demie bobine sur
des noyaux différents. Les fem sont déphasée de 120°
électrique.
Avec ce type de couplage on obtient une meilleure
répartition des tensions en cas de réseau déséquilibré
coté B.T.
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10.3 Représentation des enroulements
a) Représentation schématique
Coté H.T. A, B, C
Coté B.T. a, b, c
La représentation schématique des enroulements se fait de part et
d’autre du couvercle.
H.T. vers le bas
B.T. vers le haut
b) la désignation des couplages
Elle s’effectue par un groupe de deux lettres et un chiffre.
1 ère lettre ( majuscule): Couplage côté H.T.
2 ème lettre ( minuscule): Couplage côté B.T.
Y,y: Etoile
D,d: Triangle
Z,z: Zigzag
Le chiffre indique l’indice du couplage, c’est à dire l’angle de déphasage entre la tension primaire et
la tension secondaire. Cet angle horaire correspond, pour 360°, aux 12 heures du cadran repérées de
0 à 11, chaque angle horaire est un multiple de 30°
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Exemple Dy11
Couplage H.T. en triangle, B.T. en étoile, déphasage de 11*30=330° entre le primaire et le secondaire
c) Schéma et déphasage des couplages
voir page précédente
Les couplages les plus utilisés sont Yy0, Dy11, et Yz11.
11 Ajustement de la tension
En général, les transformateurs sont munis d’un commutateur
d’ajustement pour la tension primaire ( +5, 0,-5 %)
12. Installation
- Choix du diélectrique
- Implantation du transformateur
- Bruit
- Raccordement
13. Protections
13.1 Fonctionnement sans protection amont
Le transformateur n’est protégé que du coté utilisation contre les surcharges et les courts-circuits(
transformateur sur poteaux).
13.2 Protection contre les défauts internes
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13.3 Protection contre les contraintes externes
13.4 Surintensité due à la mise sous tension d’un transformateur à vide
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13.5 Protection par fusibles haute tension
Utilisation de fusible H P C (haut pouvoir de coupure)
14. Détermination du courant de court circuit
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15. Choix d’un transformateur.
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