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IN° 13 - Février 2002

Les transformateursBT/BTLa première application du transformateur trouve son origine dans la nécessité de changement de tension dans les réseaux alternatifs. Sa fonction d’isolement des circuits s’est imposée par la suite, pour des raisonsévidentes de protection des biens et des personnes. Aujourd’hui, les milieux industriels et tertiaires, voiredomestiques, offrent un immense champ d’applications qui a nécessité le développement de transformateurs de tous types, dans des gammes de puissances extrêmement étendues.

e transformateur est devenu unproduit très technique, pour répondreavec pertinence à l’ensemble desapplications actuelles. Parfaite maî-trise industrielle, rigueur absoluedans le choix des composants, tech-niques de fabrication avancées,sont les exigences qui conditionnentles performances escomptées dutransformateur.

Quant à l’installateur, il attendplus de qualités techniques et éco-nomiques, plus de sécurité, plus defiabilité et plus de facilité de miseen œuvre.

Le produit fini, lui, présente tou-jours un aspect apparemmentsimple, presque anodin. Raison deplus pour insister sur l’importancedu choix, face à des produits quise ressemblent trompeusement. Cechoix peut d’ailleurs s’appuyer surau moins un critère : la conformitéaux normes.

Nous avons pris le parti de nousintéresser essentiellement aux trans-formateurs d’équipement montésdans des tableaux électriques decommande. Quelques rappels surles grandes fonctions attribuées au

transformateur. Un minimumde repères en matière detechnologie. Les principauxcritères de choix, et les élé-ments normatifs concernantles transformateurs. ■

L

R appelons le mode defonctionnement du transformateur.Il est composé d’un enroulement ditprimaire et d’un enroulement dit se-condaire. Un générateur variableconnecté à l’enroulement primaireprovoque un courant circulant dansles spires de cet enroulement, cequi crée un champ magnétique va-riable dans le temps.

Ce champ magnétique, canalisépar un noyau ferromagné t ique, traverse l’enroulement secondaire.Résultat : chaque spire de l’enroule-ment secondaire crée à son tour unenouvelle force contre-électromotrice,ou « tension induite ».

Elle alimente tout récepteur connec-té à cet enroulement secondaire.Le transfert de l’énergie électriqued’un circuit primaire à un circuit se-condaire est ainsi réalisé grâce àl’énergie magnétique.

La relation V2/V1 = N2/N1 définit le changement de tension obtenu. (V1 et V2 sont les tensions

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primaires et secondaires, N1 et N2représentent le nombre de spires auprimaire et au secondaire).

Les applications les pluscourantes pour le changementde tension concernent : • l’alimentation de machines dansdes pays disposant de tensions dif-férentes de la tension de fonction-nement de ces machines,• le fonctionnement de machinesnouvelles en 400 V sur des réseauxen 230 V, ou l’inverse,• la recherche d’une tension simple230 V entre phase et neutre, à par-tir d’un réseau triphasé 400 V,• l’abaissement de tension au des-sous du seuil critique pour la sécu-rité des personnes, soit 50 V,• l’adaptation en tension pour op-timiser les performances de certainsappareils, lampes halogène TBT12 V par exemple.

Deux grandes fonctionsChangement de tension. Isolement.Le transformateur remplit obligatoirement une de ces deux fonctions. Ou les deux à la fois.

Changement de tension

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III

I l exige une séparationphysique entre circuit primaire etcircuit secondaire. Deux types d’iso-lement déterminent deux catégoriesde transformateurs : à isolement prin-cipal et à isolement double.

Le transformateur à isolement principal

Il assure, selon la norme, « uneisolation des parties actives dan-gereuses, destinée à assurer la pro-tection principale contre les chocsélectriques ».

1. Il permet l’alimentation descomposants d’automatismes dansles armoires. La protection contreles contacts indirects et d’équipo-tentialité est assurée par une miseà la terre de l’un des pôles du cir-cuit de commande, effectuée parle conducteur de protection de l’ins-tallation. L’alimentation des détec-teurs, capteurs, relais, contacteurs,unités centrales d’automates consti-tuent des applications classiquespour l’alimentation des composantsd’automatismes.

2. Il permet de créer des îlotsou des installations complètesdont le régime de neutre (TNS ouIT) est le mieux adapté à l’appli-cation. Autrement dit, le change-ment de régime de neutre. Il est par

exemple recommandé de créer unrégime TNS secondaire pour l’ali-mentation des installations de trai-tement de l’information, notammentdans les applications où l’antipa-rasitage est important (informatique).A contrario, le régime IT permetd’éviter des coupures inopportunesdans des conditions d’exploitationexigeantes (surveillance perma-nente). Il est recommandé dans cecas de ne pas distribuer le conduc-teur neutre.

3. Il filtre les perturbations élec-tromagnétiques. Son efficacité est dépendante de la capacité primaire/ secondaire, elle-même dé-pendante de la topologie de

construction du transformateur. Plusla capacité est réduite, plus le trans-formateur affaiblira efficacement lapropagation des perturbations entreprimaire et secondaire. Le filtragedes perturbations trouve des appli-cations dans les Grandes Surfacescommerciales par exemple, afin desupprimer les harmoniques de rang3 émises par l’éclairage fluorescent.

Dans le secteur hospitalier, pourisoler le bâtiment principal des pa-rasites générés dans d’autres sec-teurs : balnéothérapie, rayonnementsionisants… dans l’industrie, lorsqu’ilfaut isoler des sites sensibles, telsque locaux informatiques, labora-toires de mesures, machines pilotéespar informatique, etc.

Isolement

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Enregistrement d’essais laboratoire d’atténuation en mode commun sur transfo 100 VA

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IV

Le transformateur à isolement double

I l garantit, selon la norme,« une isolation comprenant à la foisune isolation principale, et une iso-lation supplémentaire ». Il certifieune sécurité au plus haut niveau.

1. Il protège les personnescontre les contacts indirects, enséparant circuit d’utilisation et cir-cuit d’alimentation. En cas de dé-faut sur l’un des circuits, aucune ten-sion dangereuse ne peut ainsiapparaître. La continuité de servi-ce est maintenue par ailleurs, enévitant toute coupure d’énergie.

Cette protection est appliquéepour les prises de rasoirs, les ali-mentations des équipements desalles de bains, toute alimentationà risque de défauts… et dans lesinstallations non surveillées, dansle but d’éviter l’arrêt intempestif decertains équipements.

2. Il protège contre les contactsdirects et indirects (la TBTS)Il s’agit d’une tension qui n’excèdepas 50 V en courant alternatif entreconducteurs, dans un circuit dont laséparation du réseau d’alimentationest assurée par un transformateurde sécurité.

La TBTS trouve ses applicationsdans les circuits de commande etd’éclairage de piscines, les volumes1 et 2 de salles de bains, les chan-tiers de construction, les établisse-ments agricoles et horticoles, ou lesbaladeuses. ■

Contrôle destransformateurstriphasés

Transformateurd’isolementrésistant auxcourts circuits

Transformateur de séparation de circuits (isolationprimaire/secondairerenforcée)

Transformateurs de sécurité (isolationprimaire/secondairerenforcée, tension à vide < 50V)

Transformateurde sécurité

Transformateurde séparation

de circuits

Deux grandes fonctions(suite)

Un symbole pour chaque transformateur

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V

Technologie du transformateurSous des apparences anodines, voire rustiques, se cache un appareil très technique. Objet de multiplesphénomènes physiques extrêmement complexes.

Un transformateur chauffe, vibre, présente des chutes de tension.Normal.

L’échauffementd’un transformateur est dû à deuxphénomènes physiques :

1. Les pertes Joule. C’est la dis-sipation d’énergie sous forme dechaleur provoquée par le passagedu courant dans l’enroulement pri-maire et l’enroulement secondaire.L’effet Joule est proportionnel aucarré de la charge de l’appareil.

2. Les pertes fer. La magnétisationdes tôles s’accompagne de pertesd’énergie sous forme de chaleur.

Elles sont de deux sortes. Les pertes par hystérésis sont

dues au fait que la magnétisationdu matériau n’est pas totalementréversible. Elle dépend à la fois ducourant magnétisant et de la mé-moire du matériau : c’est elle quigénère les pertes par hystérésis.

Les pertes par courant de Fou-cault sont provoquées par des cou-rants induits, perpendiculaires à latôle électriquement conductrice, quitentent d’annuler un champ ma-gnétique qui la traverse.

Ces courants induits sont d’au-tant plus importants que la surfacetraversée par le champ magnétique

est grande. Les pertes par courantde Foucault dépendent du carré del’épaisseur de la tôle.

C’est pourquoi le circuit magné-tique des transformateurs n’est pastaillé dans un bloc d’acier, maisréalisé par un feuilletage de tôlesisolées les unes des autres.

La vibration d’un transformateurest simplement due au passage duchamp magnétique dans les tôles.On peut limiter ce phénomène, pasle supprimer.

Les chutes de tension s’observentsur le secondaire d’un transforma-teur, pour deux raisons : • l ’ inductance de fui tes, car lechamp magnétique généré n’est pastransformé en énergie électriquedans sa totalité• la résistance des enroulementstraversés par les courants. Mais lesseuils de chutes de tension sont régispar des normes en fonction des ap-plications.

(suite page suivante)

Un transformateur estfabriqué en cinq phases

1. Le Bobinage qui réalise les en-roulements primaires et secondaires,isolés. Sa mise en œuvre est contrô-lée à tous les niveaux : caractéris-tiques des fils conducteurs, leurs ten-sions, nombre de spires, placementdu fil dans la bobine.

2. La pose du circuit magnétique,qui empile les tôles magnétiques au-tour et à l’intérieur des enroulements.Le circuit est ensuite fermé par col-lage, soudure ou imbrication, pourgarantir une parfaite circulation duchamp magnétique.

3. Le raccordement aux borniersdes conducteurs. Il fait appel àtrois technologies possibles : le ser-tissage, le brasage par soudure àl’étain, ou le brasage par soudureélectrique.

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VI

Contrôle de tension des fils lors du bobinage

Un assemblage très automatisé

4. L’assemblage des élémentsde fixation : socle ou dispositif defixation, bornier de raccordement,plaque signalétique identifiant leproduit de manière inaltérable.

5. Les contrô les des perfor-mances électriques. Ils sont sys-tématiques et visent à garantir laconformité du produit. Citons lestrois principaux tests :

• les tests de rigidité diélectrique,qui vérifient l’isolation entre circuitsprimaire, secondaire et circuit ma-gnétique ; • les tests basse tension, qui ali-mentent le transformateur à videpour mesurer courant primaire,pertes à vide, tensions au secon-daire et au primaire ; • les tests de continuité de massequi contrôlent l’équipotentialité entretoutes les parties métalliques de l’ap-pareil. ■

Technologie du transformateur(suite)

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VII

Le choix d’un transformateurChoisir un transformateur, c’est déterminer son dimensionnement, donc sa puissance. Il faut donc toujours partir de l’application.Intéressons-nous d’abord aux transformateurs d’équipement,qui sont différents des transformateurs de distribution basse tension.

Déterminer la puissance

Dans le cas d’un équipementincluant des automatismes, la puis-sance d’un transformateur dépendde la puissance maximale néces-saire à un instant donné (dite puis-sance d’appel) de la puissance permanente, de la chute de tensionet du facteur de puissance.

Pour dé terminer la puissanced’appel, il est impératif, dans tousles cas, de tenir compte du fait que :• 2 appels ne peuvent se produireen même temps• le facteur de puissance cos ϕ estégal à 0,5• 80% des appareils, au maximum,sont alimentés en même temps.

Pour simplifier, cette puissanced’appel se calcule selon la formule :P appel =0,8 ( ∑ Pm + ∑ Pv + Pa)

∑ Pm étant la somme de toutesles puissances de maintien descontacteurs.

∑ Pv étant la somme de toutes lespuissances des voyants.

Pa étant la puissance d’appel duplus gros contacteur.

Déterminer le dimensionnement

Transformateursde commande : il suffit de partir dela puissance d’appel à cos ϕ 0,5et de lire le dimensionnement dansle tableau ci-contre. ➙

On constate par exemple qu’unepuissance d’appel de 460 VA à cos ϕ 0,5 demande un transformateurdimensionné à 160 VA.

Autres transformateurs (TDCE,TFCE, CNOMO...), on peut se réfé-rer aux courbes de dimensionnementpar la chute de tension, calculéesdans le tableau ci-contre. ➙

Pour une puissance de 460 VAcos ϕ 0,5, on lit par exemple sur lacourbe, à Unominal -5%, une va-leur de 160 VA.

Vérifier la pertinence du choix en calculant la puissance permanente

C hacun des équipements doitêtre soumis aux contrôles suivants :

1. calcul de la somme totale despuissances permanentes nécessairesau maintien des bobines et desvoyants sous tension

2. application d’un coefficient :soit celui de l’hypothèse 80% desappareils maintenus sous tension,soit celui issu du calcul réel del’équipement.

Choisir un transformateurde distribution basse tension

On détermine sondimensionnement en additionnantles différentes puissances absorbéespar les appareils qu’il alimente.

Si les puissances sont expriméesen W, il faut les convertir en VA.Sans oublier de prendre en comp-te le facteur de puissance indiquésur la plaque de chaque appareilalimenté. ■

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VIII

Les évolutions récentes en matière de normes

L es publications sontdésormais regroupées en un seuldocument : l’IEC 61558. Il com-prend deux sections, ce qui le rendplus facile à exploiter.

La section 1 pour les règles gé-nérales. La section 2 qui fournit àl’utilisateur les indications lui per-mettant de respecter les contraintesréglementaires ou les exigences nor-

matives. La section 2 est elle-mêmedivisée en plusieurs parties, donttrois au moins concernent notre sujet :• Partie 2.2 : transformateurs decommande.• Partie 2.4 : transformateurs de sé-paration de circuits pour usage gé-néral.• Partie 2.6 : transformateurs de sé-curité pour usage général.

Les normes de transformateurssont repérées par des symboles,eux-mêmes normalisés. ■

Les normesLe transformateur n’échappe pas à la standardisation, donc aux normes.Aujourd’hui, un seul document, l’IEC 61 558, remet tout à plat et prend en compte la majorité des cas d’application.

Les autres normes qui régissent les transformateurs

• NF C 52100 : pour les trans-formateurs de puissance.• NF C 52726 : pour les transfor-mateurs de puissance de type sec.• UL 506 : pour les transforma-teurs à usage général, incluantles t ransformateurs de com-mande.

• CSA C 22.2 n°66 : idem pré-cédente.• CAN CSA - E 74294 : pour lestransformateurs de séparationde circuits et les transformateursde sécurité.• UL 1012 : pour les alimenta-tions de tensions inférieures à 600 V.• IEC 60950/EN 60950 : elleprécise les règles de sécurité de traitement des matériels del ’ information.

• IEC 1204/EN 61204 : elle ex-pose les caractéristiques de fonc-tionnement et les prescriptionsde sécurité visant les dispositifsd’alimentation à basse tensionavec sortie à courant continu.• NF EN 61131.2 : elle régit les automates programmables,les spécifications d’essais deséquipements et en particulier lesvaleurs d’alimentation, en al-ternatif et en continu, des unitéscentrales.

Transformateursd’isolement (isolationfonctionnelle entreprimaire et secondaire)

Autotransformateurs(pas d’isolation entreprimaire et secondaire)

Transformateurs de commande (isolationfonctionnelle entre

primaire et secondaire)

Transformateurs de sécurité (isolationrenforcée entreprimaire et secondaire,tension à vide <50V)

Transformateurs de séparation de circuits(isolation renforcée entreprimaire et secondaire)

Transformateursd’isolement résistantaux courts circuits