Etude des systèmes techniques Les transformateurs

Etude des systèmes techniques

Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 1/17

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 celui-ci

1.2 Courbe d’aimantation

B0 = µµµµµ0 H dans l’air

Lorsque l’on augmente l’excitation magnétique H dans une bobinemunie d’un noyau magnétique, le champ B mesuré varie suivant cettecourbe.

1.3 Cycle d’hystérésis

La forme d’un cycle d’hystérésis constitue la photo d’identitéd’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 traduitepar 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



Elles sont proportionnelles à la fréquence et au carré de l’induction

Ph = b V f B²b 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 magnéti-que variable, ou s’il se déplace dans un champ fixe, la variation deflux engendre des courants induits qui s’oppose la cause qui leur adonné 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 échantillonElles 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 diffé-rentes.

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 parle chrome, le cobalt, le molybdène, le tungstène.



1.7 Pertes globales

On résume les pertes par hystérésis et les pertes par courant de Foucaulten les exprimant en watts par Kg de matériau magnétique. Elles sont don-nées pour une fréquence et une induction précise. ( 1T 50 Hz ). On peut lesdiminuer 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 in-duction rémanante très forte et un champ coercitifimportant.

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 champcoercitif.

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



orientation de la structure du métal dans le sens dulaminage.

Les pertes sont plus faibles.La perméabilité est améliorée dans le sens du

laminage.

L’assemblage des tôles à grains orientés nécessitecertaines précautions dans le cas des changementsde direction du circuit magnétique.

Il faut prévoire un recouvrement lors de la dé-coupe 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 ma-gnétique. Lorsque l’enroulement primaire esttraversé par un courant alternatif, il crée un fluxalternatif. Ce flux variable crée aux bornes del’enroulement secondaire une F E M. Si on placeun récepteur aux bornes du secondaire, un courantalternatif parcours le circuit. La puissance transitedu primaire au secondaire par l’intermédiaire de la variation de flux.

b) Formules

Rapport de transformation:

Formule de Boucherot

3.2 Constitution

(1) Circuit magnétique comprenant: des colonnesune culasse supérieure et une culasse inférieure.

(2) Bobines : 2 par noyau. l’une formantenroulement 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

m = U2U1



liquide.

Le transformateur est une machine d’induction qui comporteprincipalement :

- 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 courantde Foucault.

Ils peuvent être soit à deux ou trois colonnes soit cuirassé, c’est à dire que les enroulements sontplacés sur 1 ou 3 colonnes centrales, et le flux se referme par chacun des cotés qui forment la cui-rasse.

4.1 Section des colonnes

On utilise des sections circulaires pour les bobines, . Pouravoir une meilleure utilisation du fer on se rapproche de cettesection avec des architectures en gradins.

4.2 Assemblage colonne cuirasse

Il faut réaliser des assemblages avec le moins de pertes possibles.



a) joints enchevêtrés b) joints à coupe oblique

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/KgCes tôles ont une épaisseur de 0.35 mm et sont isolées sur une face par oxydation superficielle.

5. Circuit électriqueIl est constitué par les enroulements primaire et secondaire et leur

isolement. On distingue deux enroulements: L’enroulement H.T. etl’enroulement B.T. qu’il s’agisse d’un transformateur élévateur ouabaisser.

5.1 Bobinage des enroulements

a) Bobinage concentrique

Ce type de bobinage est très utilisé dans les petits transforma-teurs, il est appelé en tonneau.

b) bobinage mixte

c) Bobinage en galette

Utilisé en H.T. et T H T



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. Deplus on place une spire ouverte reliée à la masse entre la H.T. et la B.T. pour éviter la propagationdes parasites.

5.2 Traversées isolantes

Elles assurent la liaison entre les enroulements et la ligneextérieure.

5.3 Les diélectriques.

Selon les tensions appliquées aux enroulements, l’isola-tion 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 etd’explosion.

- Du pyralène ou diélectrique Chloré qui est incombusti-ble ( interdit en France car porté au-delà de 3000 degrés ilse transforme en Dioxine, poison très dangereux).

- Du quartz C’est un sable qui étouffe les flammes maisrend le refroidissement plus difficile.

Le diélectrique assure à la fois l’isolement et le refroi-dissement 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 lecuivre ( effet joule) provoquent des échauffements. Pour éviter ladétérioration des isolants, on est obligé de refroidir les transformateurs.

a) Refroidissement dans l’air

Le transformateur est mis dans une enceinte grillagé, la ventila



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 desparois

c) Refroidissement par radiateur d’huile

L’huile circule dans le radiateur de manière naturelle ou forcée, ceradiateur peut être ventilé par un ventilateur extérieur.

d) Utilisation d’hydroréfrigérant

La circulation de l’huile s’effectue dans une cuve contenant destubes, 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 refroidis-sement et d’éviter l’oxydation de l’huile au contact avec l’air.

Un réservoir d’expansion assure cette fonction. Il est mis en contactavec l’air au travers d’un assécheur d’air à joint d’huile. Un thermomètreà contact et un contrôleur de niveau complète cet équipement.

7.2 Relais Buchholz

En cas de défaut du diélectrique à l’intérieur du transformateur ily à dégagement de gaz. Le relais Buchholz permet de détecter cesdéfauts.

- Constitution

- Fonctionnement

Deux contacts permettent de détecter :

- Les dégagements lents ( vieillissement de l’isolantentre quelques spires), grâces au flotteur

- Les dégagements violents ( court-circuit ausecondaire ) grâces à la palette

7.3 Cheminée d’explosion

Un diaphragme de verre permet en cas d’incident graved’évacuer les surpressions dangereuses pour la cuve.

7.4 Transformateur étanche

Pour les transformateurs de distribution on utilise destransformateurs étanche ou la cuve se dilate avec lediélectrique:

- Pas d’entretien

- Pas de contact entre le diélectrique et l’airambiant



- Plus de conservateur ni d’assécheurd’huile

8. NormalisationOn 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 dudiélectrique

N Naturel

F Forcée

D Forcée et dirigée dans lesenroulements

- 3 ème lettre Agent extérieur de refroidissement

- 4 ème lettre Mode de circulation de l’agent de refroidissement

Exemple:

O N A N

Transformateur immergé dans l’huile, à circulation naturelle, refroidi par air à circulation natu-relle.

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 globaleà l’aide du tableau suivant.



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.



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



10. Couplage des transformateursPour 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. Lapuissance du plus gros ne doit pas dépasser 2 fois la puissance du plus petit.

b) Réseau

Les transformateurs doivent être alimenté par lemême réseau.

c) Connexions

Même longueur de connexion, sur tout les cotésB.T.

d) Indice horaire

Même indice horaire de couplage desenroulements

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 surdes noyaux différents. Les fem sont déphasée de 120°électrique.

Avec ce type de couplage on obtient une meilleurerépartition des tensions en cas de réseau déséquilibrécoté B.T.



10.3 Représentation des enroulements

a) Représentation schématique

Coté H.T. A, B, CCoté B.T. a, b, c

La représentation schématique des enroulements se fait de part etd’autre du couvercle.

H.T. vers le basB.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 etla tension secondaire. Cet angle horaire correspond, pour 360°, aux 12 heures du cadran repérées de0 à 11, chaque angle horaire est un multiple de 30°



Exemple Dy11Couplage H.T. en triangle, B.T. en étoile, déphasage de 11*30=330° entre le primaire et le secon-

daire

c) Schéma et déphasage des couplages

voir page précédenteLes couplages les plus utilisés sont Yy0, Dy11, et Yz11.

11 Ajustement de la tensionEn 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



13.3 Protection contre les contraintes externes

13.4 Surintensité due à la mise sous tension d’un transformateur à vide



13.5 Protection par fusibles haute tension

Utilisation de fusible H P C (haut pouvoir de coupure)

14. Détermination du courant de court circuit



15. Choix d’un transformateur.

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