1. théorie des transformateurs

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THEORIE SUR LES TRANSFORMATEURS DE PUISSANCE

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HistoriqueTransport de lnergie vers les centres urbains ou les sites industriels.

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HISTORIQUELe transformateur invent par Lucien Gaulard (modles de 1884 et 1886)

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ROLE

Transport de lnergie vers les centres urbains ou les sites industriels. Les transformateurs assurent le rle de modifier les amplitudes des grandeurs lectriques alternatives de frquence F.

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CONSTITUTIONUn circuit ferromagntique ferm comportant plusieurs noyaux ou colonnes runis par deux culasses ( 3 colonnes runies par 2 culasses ) Utilisation de tles haute permabilit au silicium cristaux orients, de faible paisseur. pertes rduites grce aux procds de laminage et de traitement thermique Emploi de noyaux et de culasses feuilletes (emploi de tles trs faibles pertes) permet de rduire 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 prvus dans le circuit magntique pour permettre la circulation du fluide afin de facilit le refroidissement.

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CONSTITUTIONEnroulements de forme cylindrique et disposs concentriquement. Leur construction simple et leur symtrie assurent les conditions suivantes : Isolement Rsistance aux efforts lectrodynamiques Surtensions Limitation de l'chauffement et refroidissement

Enroulements suivant trois dispositions adoptes : Longues couche concentrique (H.T. ou B.T.). Galettes entrelaces (H.T.). Hlices spciales (B.T.).6

CONSTITUTION

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CONSTITUTION

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CONSTITUTION

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CONSTITUTION

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DEFINITIONCration dun flux magntique forc par une alimentation, stablit dans la carcasse magntique FEM induites aux bornes des enroulements secondaires LOI DE LENZ

Naissance dun courant au secondaire suivant le rcepteurIA A VA X IC n1 n2

Iaa

IB B VB x Y n1 n2

Ibb

Va

Vb y

CVC n1 n2

Icc

Vc

Z

z

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DEFINITIONSi les primaires sont aliments par des tensions sinusodales de mme pulsation et reprsentes dans le plan de Fresnel par : on sait qu'elles forcent des flux magntiques sinusodaux de mme pulsation et reprsentes par :A

=

1 jn 1

VA

B

=

1 jn 1

VB

C

=

1 jn 1

VC

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

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DEFINITIONSi les tensions primaires d'alimentation ont une somme nulle (ce qui est le cas, en particulier, si elles forment un systme triphas quilibr) le flux de cette colonne sera nul et on pourra la supprimer, ou du moins la sous-dimensionner si on prvoit la possibilit d'une composante homopolaire Vo non nulle.AA X a x n1 n2

B

VA

n1 n1t

n1C

VB

VC

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DEFINITIONAfin de simplifier la ralisation du circuit magntique et de diminuer le volume occup dans l'espace et la masse de fer utilise on ralise souvent des transformateurs triphass noyaux coplanaires.A B C

A n1 X a

B

C

n1Y b Z c

n1

n2x y

n2z

n2

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DEFINITION

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DEFINITION

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SYSTEME DISOLATIONTransformateurs Immergs La partie active est place dans une cuve remplie d'un dilectrique de l'une des familles suivantes : Huiles minrales: Produits ptroliers conomiquement intressants, mais ayant un point d'inflammabilit bas qui entrane dans certains cas des contraintes d'installation. Huiles silicones : Dilectrique liquide difficilement inflammable. L.I.H.T. : Liquide isolant halogn pour transformateur. Il s'agit de dilectrique de synthse ininflammable et sans PCB (polychlorobiphnyl). Non toxique, il remplace les askarels (pyralne) dont l'usage est interdit dans de nombreux pays. L'usage des L.I.H.T. n'entrane ni contrainte, ni prcaution spcifique.

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SYSTEME DISOLATIONTransformateurs Immergs L.I.H.T. :Deux principes sont utiliss : - Transformateurs dits " respirants " : La dilatation du dilectrique se fait dans un rservoir d'expansion (conservateur) plac au-dessus de la cuve (figure 5). La surface du dilectrique peut tre en contact direct avec l'air ambiant ou en tre spar par une paroi tanche en matire synthtique dformable. Dans tous les cas, un dessiccateur vite l'entre d'humidit l'intrieur du rservoir. - Transformateurs dits " hermtiques " : Pour des transformateurs de puissance < 16MVA dont la quantit de dilectrique est faible, une technique qui empche totalement le contact avec l'air extrieur est utilise. Pour la dilatation deux moyens sont employs :

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SYSTEME DISOLATIONTransformateurs Immergs 1) La dilatation du dilectrique est absorbe par un matelas de gaz inerte intercal entre la surface du dilectrique et le haut de la cuve (Figure 6). Toutes les connexions et sorties en partie haute du transformateur doivent tre dimensionnes en consquence. Le systme de refroidissement ne peut aller chercher le dilectrique l o il est le plus chaud c'est--dire sa surface. La constatation aise d'un dfaut produisant des gaz est impossible. 2) La suppression du matelas de gaz permet d'viter ces inconvnients. La dilatation du dilectrique est absorbe par la dformation du systme de rfrigration qui souvent fait partie intgrante de la cuve. Ce sont les transformateurs hermtiques remplissage total ou intgral dont l'entretien est rduit au strict minimum (Figure 7).

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SYSTEME DISOLATIONTransformateurs Immergs Figure 5 Figure 6 Figure 7

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SYSTEME DISOLATIONTransformateurs Secs : Appareils isolement sec dont le refroidissement est assur par l'air ambiant sans liquide intermdiaire. Ils appartiennent l'une des familles suivantes : Imprgns classe H : Appareils dont les bobinages sont raliss par imprgnation et polymrisation des vernis. Le choix des isolants et des vernis vite la propagation de l'incendie, le dgagement de fumes et de vapeurs toxiques. Enrobs : Appareils dont les bobinages sont pris dans un moulage excut chaud avec une rsine poxydique. Cette rsine peut tre renforce de tissu de verre et est spcialement tudie pour viter la propagation de l'incendie.

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COUPLAGELes couplages usuels sont : Etoile avec ou sans neutre sorti. Triangle. Zig Zag.

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COUPLAGECOUPLAGE ETOILE Le courant en ligne est gal au courant de phase. La tension compose est gale 3 fois la tension simple. I=i U = 3uA I

I=i u U I = Courant en ligne ou compos. i = Courant dans la phase. U = Tension de ligne ou compose. u = Tension de phase ou simple.

C

B

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COUPLAGECOUPLAGE TRIANGLE La tension compose est gale la tension simple. Le courant en ligne est gale 3 fois le courant de phase.A I

i U=u

C

B

U=u

I=

3 i

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COUPLAGECOUPLAGE ZIG-ZAG Le couplage Zig-Zag permet de conserver le dcalage introduit par la connexion Etoile/Triangle tout en conservant la possibilit d'un point neutre. Avec : U1 = Tension simple de chaque demi-bobine zig-zag. U2 = Tension simple de chaque demi-bobine toile correspondante.- Nous pouvons crire : U 2 = U 1 C os 30 U 2 = U 1 X U 1 = 2 U 2 3 3 2 C = 1 ,1 5 U 2 N U I = i U1 A 30 U2

B25

COUPLAGECOUPLAGE ZIG-ZAG Le couplage zig-zag exige donc environ 15% de plus de spires qu'un enroulement toile de mme tension, soit un poids de cuivre major de 15%. La tension compose est gale 3 fois la tension simple de chaque demi-bobine en zig-zag soit U = 3U1 Le courant en ligne est gal au courant de phase soit I = i

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COUPLAGESymboles : Lettres Y, y pour la connexion en toile 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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COUPLAGECouplage : On appelle Couplage, l'association des connexions des deux enroulements, nonce dans l'ordre H.T. - B.T. exemple : Couplage toile - triangle -----> Yd.

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COUPLAGE INDICE HORAIREIndice horaire :dcalages angulaires sont des multiples nde 30Yy0 U AN Ct B.T.

a A

b B

c C

Uan

Ucn

U bn

Ct H.T.

U CN

U BN

N

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COUPLAGE INDICE HORAIRESchma de couplagea c C b B A

B as C t B .T . H aut A M m e sen s d 'enro ulem en t en B .T . et H .T . C t H .T . B as a B

n

n

N

b C

c

O b serv ateu r

y0 UNA U na

N

U nc UN C

U ub UN B

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COUPLAGE INDICE HORAIRESchmas de couplage Dy 11 Yd 11 Yz 11

0 11 A a A b c a A a 0 b C c B C c 11 a b c B C

A

11

A

a A b

B C

b c B C

a b B c

0B C

0

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COUPLAGE INDICE HORAIRECouplages normaliss 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 CARACTERISTIQUESEn rgle gnral, chaque constructeur dfinit les spcifications du transformateur partir des caractristiques suivantes : - Tensions primaires et secondaires composes. - Rapport de transformation ( vide). - N1 = Nombre de spires d'une phase primaire. - N2 = Nombre de spires d'une phase secondaire (toile) ou Nombre de spires d'une demi-phase secondaire (zig-Zag) : monophas, et triphas (couplage toile/toile neu