Transformateurs de puissance et de commande : Cours détaillé

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Les transformateurs
1. Transformateurs de puissance. .....................................2
1.1. Introduction : rôle................................................................................................................................... 2
1.2. Constitution. ........................................................................................................................................... 3
1.2.1. Principaux éléments........................................................................................................................ 3
1.2.2. Technologies de refroidissement.................................................................................................... 4
1.3. Protection des transformateurs de puissance.......................................................................................... 7
1.3.1. Généralités...................................................................................................................................... 7
1.3.2. Protections communes à toutes les technologies : protections contre défauts externes................. 7
a) Pointes d’enclenchement.................................................................................................................... 7
b) Protection "masse-cuve"..................................................................................................................... 8
1.3.3. Protections spécifiques à chaque technologie : protections contre les défauts internes................. 8
a) Transformateurs immergés : DGPT (Détection Gaz, Pression, Température) ou Relais Buchholz .. 8
♦ Le DGPT ........................................................................................................................................ 8
♦ Le relais Buchholz........................................................................................................................ 10
b) Transformateurs secs : protection thermique par CTP..................................................................... 11
1.4. Détermination de la puissance.............................................................................................................. 11
a) Première partie : puissance appelée.................................................................................................. 11
b) Deuxième partie : puissance maximale........................................................................................... 12
1.5. Couplage des transformateurs. ............................................................................................................. 12
1.5.1. Représentation schématique......................................................................................................... 13
1.5.2. Désignation des couplages. .......................................................................................................... 13
1.6. Mise en parallèle de transformateurs.................................................................................................... 14
2. Transformateur de commande et ses protections......14
2.1. Introduction sur le calcul transformateur. ............................................................................................ 14
2.2. Calculer la puissance et le dimensionnement d'un transformateur de commande. .............................. 14
2.2.1. Déterminer la puissance d'appel................................................................................................... 14
2.2.2. Déterminer le dimensionnement du transformateur..................................................................... 15
2.3. Déterminer les protections du transformateur ...................................................................................... 15
2.3.1. Protection secondaire transformateur........................................................................................... 15
2.3.2. Protection primaire transformateur : ............................................................................................ 15

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Les transformateurs
1. Transformateurs de puissance.
1.1. Introduction : rôle.
Les transformateurs de puissance sont des appareils très employés dans les installations électriques.
Un transformateur peut assurer 2 fonctions :
1. Elever ou abaisser une tension alternative, monophasée ou triphasée ; par exemple pour réduire les
pertes de puissance en ligne dans le transport de l'énergie électrique, on trouve des transformateurs
élévateurs en sortie des centrales de production. Plus proches des points d’utilisation, on trouve des
transformateurs chargés d’abaisser la tension (voir cours sur la distribution HT).

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2. Assurer l'isolation galvanique entre 2 réseaux électriques, par exemple pour changer le Schéma des
Liaisons à la Terre (SLT, anciennement Régime du Neutre). Exemples de cas fréquents :
- Transformateur HT/BT pour distribution du neutre. Le primaire est en triangle, donc sans
neutre sur la ligne d’arrivée tandis que le secondaire est en étoile afin de distribuer le
neutre.
- Transformateur monophasé d’isolement : en salle de bains d’hôtel, il est fréquent que la
prise de courant « rasoir – shave only » soit alimentée par un transformateur permettant
de s’affranchir du risque d’électrisation par contact direct avec un seul conducteur actif.
1.2. Constitution.
1.2.1. Principaux éléments.
Le transformateur est une machine d'induction qui comprend principalement 4 parties :
- un circuit magnétique fermé constitué de colonnes et culasses, supérieures et inférieures.
- un circuit électrique comprenant les enroulements primaires et secondaires et leurs isolations.
- des organes mécaniques, de support, manutention, refroidissement.
- des organes de sécurité contre les défauts internes et externes à l'appareil.
Le transformateur, par son principe de fonctionnement, est également appelé « machine statique ».
On veillera à ne pas confondre transformateur et autotransformateur : par soucis de simplification, nous allons
expliquer leur différence dans le cas de machines monophasées.
• Le transformateur monophasé comporte généralement deux enroulements :
o primaire, de tension U1 et parcouru par un courant I1
o secondaire, de tension U2 et parcouru par un courant I2.
Ces deux enroulements sont galvaniquement séparés et parcourus par des courants I1 et I2
conventionnellement de sens inverse.
• L’autotransformateur ne comprend qu’un seul enroulement dont un point intermédiaire est sorti. La totalité
de l’enroulement peut jouer le rôle de primaire et la partie de l’enroulement jusqu’au point intermédiaire le
rôle de secondaire.
Le courant circulant dans le secondaire (enroulement commun) est alors la différence entre les deux
courants I1 et I2.
Il résulte de cette conception une dimension réduite par rapport à un transformateur, ainsi qu'un meilleur
couplage que celui d'un transformateur équivalent.
La tension de court-circuit d'un autotransformateur est donc plus faible que celle d'un transformateur
équivalent, et le courant de court-circuit plus élevé.

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1.2.2. Technologies de refroidissement
Quatre lettres suffisent pour définir la technologie du mode de refroidissement d’un transformateur:
1ère lettre : fluide de refroidissement interne en contact avec les enroulements
• O : huile minérale ou liquide isolant de synthèse de point de feu inférieur ou égal à 300° C
• K : liquide isolant avec point de feu > 300° C
• L : liquide isolant à point de feu non mesurable
2ème lettre : mode de circulation du fluide de refroidissement interne
• N : circulation par thermosiphon à travers le système de refroidissement et les enroulements
• F : circulation à travers le système de refroidissement, circulation par thermosiphon dans les
enroulements
• D : circulation forcée à travers le système de refroidissement et dirigée du système de refroidissement
jusqu'aux enroulements principaux au moins
3ème lettre : fluide de refroidissement externe
• A : air
• W : eau
4ème lettre : mode de circulation du fluide de refroidissement externe
• N : convection naturelle
• F : circulation forcée (ventilateurs, pompes)
Un transformateur immergé dans l’huile minérale et à refroidissement naturel sera de type ONAN. Si l’on
ajoute des ventilateurs sur les radiateurs il devient de type ONAF. Dans le cas de fonctionnement possible avec
ou sans ventilateur, on précisera type ONAN/ONAF(1).
On distingue deux possibilités de stockage de l’huile :
• Transformateurs respirants avec conservateur.
Ce sont des transformateurs avec réservoir d’huile à pression atmosphérique (avec échange d’air via un
assécheur). Cela permet la dilatation thermique de l’huile (changements de volume). 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 assécheur d’air (avec un produit dessicateur) évite l’entrée
d’humidité à l’intérieur du réservoir
• Transformateurs totalement étanches.
L’huile est contenue dans une cuve scellée sans échange d’air. Le volume de gaz (air sec ou air/azote) se
situe alors en haut de la cuve. Sa pression augmente lors de la dilatation thermique de l’huile (changements
de volume simultanés et inverses de l’huile et du gaz).
Une technologie particulière a été mise au point par France-Transfo (filiale Schneider) : la technique ERT
(Etanche à Remplissage Total). Cette technique du remplissage total "sans matelas gazeux" dans les cuves
étanches a été adoptée par EDF en 1972. Toute oxydation du diélectrique liquide par contact avec l’air
ambiant est évitée. Le transformateur est simplifié, ce qui se traduit par :
o une économie d’achat et un gain d’encombrement : ni assécheur d’air, ni conservateur de liquide
o une grande facilité de raccordement : dégagement total de la plage des bornes haute et basse
tension
o une réduction considérable des servitudes d’entretien (simple surveillance).
La dilatation du diélectrique est compensée par la déformation élastique des parois ondulées de la cuve,
parois dont la souplesse mécanique permet une variation adéquate du volume intérieur de la cuve.
Le liquide le plus souvent utilisé comme diélectrique dans les transformateurs immergés est l’huile minérale.
L’huile minérale étant inflammable, il est obligatoire de prendre des mesures de sécurité avec une protection
par relais DGPT2 (détecteur de gaz, pression et température 2 niveaux). En cas d’anomalie, il donne l’ordre de
mise hors service du transformateur avant que la situation ne devienne dangereuse.
L’huile minérale est biodégradable et ne contient ni PCB (polychlorobiphényl) qui ont conduit à l’élimination
des askarels (Pyralène), ni TCB (trichlorobenzènes).
1 Dans ce cas, la puissance du transformateur en ONAN ou AN est inférieure à celle en ONAF ou AF.

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Ci-dessous un comparatif publié par Schneider entre les 2 techniques de remplissage :
Seuls les transformateurs de type sec pour lesquels les parties actives sont directement refroidies par l’air
extérieur sont définis par deux lettres.
Un transformateur Trihal (type sec enrobé) à refroidissement naturel est du type AN. Si l’on ajoute des
ventilateurs, il devient de type AF. Dans le cas de fonctionnement possible avec ou sans ventilateur, il est
précisé type AN/AF(1).
En résumé :
• L’huile assure une meilleure isolation électrique ce qui réduit les dimensions du transformateur.
• L’huile entoure le noyau et les enroulements dont elle absorbe la chaleur.
• Les radiateurs augmentent la surface de refroidissement (ONAN).
• La vitesse de l’air est augmentée par les ventilateurs (ONAF).
Dans le choix du diélectrique de refroidissement, plusieurs paramètres sont à prendre en considération dont
entre autres :
• la sécurité des personnes, au niveau du transformateur ou à son voisinage (environnement), sécurité qui
fait l’objet d’une réglementation et de recommandations officielles.
• le bilan économique, compte tenu des avantages de chaque technique et de la gamme des matériels
existante.