Les types de transformateurs peuvent varier des petits instruments aux grands systèmes de distribution de puissance. Les systèmes triphasés nécessitent des transformateurs qui utilisent les mêmes configurations étoile (Y) et delta (Δ) courantes pour les moteurs industriels.
Les transformateurs sont des dispositifs électriques critiques pour la transmission de l’électricité, réceptionnant l’énergie à une tension et la redistribuant à une autre tension. Ils peuvent augmenter ou diminuer la tension ou le courant dans un circuit AC et isoler les circuits.
Les transformateurs fonctionnent sur le principe fondamental de l’induction électromagnétique pour transférer l’énergie d’un circuit à un autre. Ils sont couramment associés aux systèmes d’alimentation et aux applications de faible puissance, y compris les circuits électroniques.
Fonctions et Applications des Transformateurs
Les types et les usages des transformateurs varient largement et peuvent être classés en fonction de leur application, type de construction et taille.
En général, la fonction principale d’un transformateur est de changer le niveau de tension d’un courant alternatif (AC) et d’augmenter la tension pour la transmission sur de longues distances ou de diminuer la tension pour les consommateurs domestiques et industriels.
Ils vont des transformateurs de faible tension et de mesure aux transformateurs de puissance. Dans les grandes centrales hydroélectriques, l’énergie électrique est générée à un niveau de tension allant de 11 kV à 25 kV. Le transformateur augmente ensuite la tension à 220 kV ou 500 kV pour envoyer l’électricité aux zones éloignées via des lignes de transmission à haute tension, puis elle est redistribuée pour une utilisation industrielle et domestique après abaissement de la tension.
Figure 1. Le transformateur augmente la tension à 220 kV ou 500 kV pour transmettre l’électricité (créé sur Canva)
Un transformateur simple se compose d’un enroulement connecté à un générateur AC enroulé autour d’un noyau de fer laminé, et un second enroulement séparé autour du même noyau est connecté à une charge.
Lorsque l’énergie circule du générateur à la charge, l’enroulement connecté au générateur est l’enroulement primaire. L’autre enroulement connecté à la charge est l’enroulement secondaire.
Transformateurs Élévateurs et Abaisseurs
Si la tension induite dans l’enroulement secondaire est supérieure à la tension de source, le transformateur est connu comme transformateur élévateur, et l’enroulement primaire serait alors connu comme l’enroulement basse tension et le secondaire comme l’enroulement haute tension. Si la tension induite dans l’enroulement secondaire est inférieure à la tension de source, le transformateur est un transformateur abaisseur. Le primaire est l’enroulement haute tension et le secondaire est l’enroulement basse tension.
Le transformateur peut augmenter la tension pour la transmission, et un transformateur identique peut abaisser la tension à l’autre extrémité de la ligne. Par conséquent, les termes élévateur, abaisseur, enroulement primaire et enroulement secondaire sont utilisés seulement en considérant le circuit—le transformateur lui-même ne sera pas nécessairement restreint à une seule fonction.
Le rapport de tension dans les deux enroulements dépend des caractéristiques de conception du transformateur. Les termes enroulement haute tension et basse tension se réfèrent à des enroulements définis indépendamment du circuit auquel le transformateur est connecté. Le rapport de transformation est le rapport du nombre de spires de l’enroulement primaire au nombre de spires de l’enroulement secondaire.
Types de Transformateurs
En considérant leur construction, les transformateurs peuvent être regroupés en deux classes : les transformateurs de puissance et de distribution et les transformateurs de mesure.
Figure 2. Les transformateurs peuvent exister à l’intérieur du système de commande industriel pour abaisser la tension à des niveaux applicables aux dispositifs. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
Un transformateur de puissance est dimensionné au-delà de 500 kVA et utilisé pour transmettre l’énergie. Un transformateur de distribution est dimensionné à 500 kVA ou moins et abaisse la tension pour la distribution à la tension de service standard.
Du système de production à la sous-station, les transformateurs de puissance sont utilisés dans le réseau de transmission et peuvent augmenter et abaisser la tension. De la sous-station en avant, les transformateurs de distribution sont installés dans le réseau de distribution, comme dans les zones industrielles et résidentielles, et différentes charges y sont directement connectées.
Bien que les transformateurs de mesure fonctionnent sur le même principe de base que les transformateurs de puissance, leur objectif et leur construction peuvent différer. Ils sont utilisés pour réduire les quantités électriques, le courant et la tension des circuits d’alimentation, à des valeurs pouvant être lues par des instruments ou utilisées pour faire fonctionner des relais.
Quant à l’agencement du noyau et des enroulements, les transformateurs peuvent être divisés en type à noyau et type à coque, et les deux types de transformateurs sont fabriqués et fournissent un service satisfaisant. Les transformateurs triphasés peuvent être construits soit du type à noyau soit du type à coque, et l’avantage d’un transformateur triphasé sur trois transformateurs monophasés est qu’il utilise moins de matériel, de main-d’œuvre et d’espace. Le principal inconvénient est que si un enroulement tombe en panne, tout le transformateur doit être retiré et démonté pour réparation. En revanche, si un enroulement d’un banc de trois transformateurs monophasés tombe en panne, les deux restants peuvent encore supporter la charge réduite.
Enroulements du Transformateur
Les transformateurs triphasés sont utilisés pour transformer la tension triphasée dans un système électrique triphasé, et les enroulements peuvent être connectés en plusieurs combinaisons. Par exemple, le primaire peut être connecté en delta, et le secondaire peut être connecté en étoile ou vice versa.
Figure 3. Configuration de connexion étoile et delta (créé sur Canva)
Connexion Delta-Delta
Dans ce schéma, les enroulements primaire et secondaire du transformateur sont connectés en configuration Delta-Delta, généralement utilisée dans le système de production ou à la station réceptrice. Dans ce type de connexion, nous n’avons que trois phases et aucun neutre, donc il est utilisé là où il n’y a pas besoin de neutre, comme dans les lignes de transmission. Le système de transmission est appelé un système triphasé à trois fils.
Connexion Delta-Étoile
Les transformateurs abaisseurs sont installés au niveau de la distribution pour abaisser le niveau de tension utilisé pour la distribution d’électricité et configurés en connexion Delta-Étoile. Nous utilisons une connexion étoile car nous avons besoin d’un neutre au niveau de la distribution. Il est également appelé un système triphasé à quatre fils. Dans le Delta, nous avons trois phases du côté primaire, et du côté secondaire, nous avons quatre fils contenant trois phases et un fil neutre. Dans une connexion Delta, le courant de ligne est \(\sqrt{3}\) fois le courant de phase, et la tension de ligne est égale à la tension de phase.
Connexion Étoile-Étoile
Dans la connexion Étoile-Étoile, les enroulements primaire et secondaire sont connectés en configuration étoile. Il y a deux points à rappeler dans une connexion étoile-étoile : le courant de ligne et le courant de phase sont égaux et en phase, mais la tension de ligne est \(\sqrt{3}\) fois la tension de phase.
Connexion Étoile-Delta
Dans la connexion étoile-delta, l’enroulement primaire est connecté à l’étoile, tandis que l’enroulement secondaire est connecté au delta. Du côté primaire du transformateur, connecté en configuration étoile, la tension de ligne est égale à \(\sqrt{3}\) fois la tension de phase primaire, et le courant de ligne primaire est le même que le courant de phase. De même, l’enroulement secondaire du transformateur est connecté en configuration delta. La tension de ligne est égale à la tension de phase, et le courant de ligne est \(\sqrt{3}\) fois le courant de phase. L’avantage d’avoir une configuration étoile du côté primaire est que le neutre est disponible, ce qui peut être mis à la terre pour éviter les distorsions. Ce type de transformateur peut gérer de grandes charges déséquilibrées.
La connexion Delta-Étoile est courante pour les applications haute et basse tension. La connexion Étoile-Étoile est utilisée pour les transformateurs de haute tension et à faible courant (KVA). La connexion Delta-Delta est utilisée pour les transformateurs de basse tension et à fort courant.
Figure 4. Les transformateurs triphasés pour la distribution d’énergie utilisent de grandes bobines pour élever et abaisser la tension. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
Types de Pannes dans les Transformateurs de Distribution d’ Énergie
Le transformateur est l’un des composants les plus coûteux et intégrés du réseau de transmission et de distribution. Par conséquent, des calendriers de maintenance réguliers et des tests sont des prérequis. Comme tous les dispositifs électriques, différents défauts apparaissent dans le transformateur pour diverses raisons. Ils peuvent sérieusement impacter le système d’alimentation, tels que l’interruption de l’alimentation dans de vastes zones et le risque d’incendie, etc.
De multiples facteurs mécaniques et électriques causent des défauts dans les parties internes et externes du transformateur. Discutons des défauts les plus courants qui se produisent dans le transformateur.
Circuit Ouvert et Court-Circuit
Les tests de circuit ouvert et de court-circuit sont effectués sans charger un transformateur et sont réalisés pour déterminer son efficacité et sa régulation. Le test de circuit ouvert est aussi appelé le test à vide, et le test de court-circuit est appelé le test en charge.
Le test de circuit ouvert est effectué du côté basse tension du transformateur pour trouver le courant et les pertes à vide du transformateur, c’est-à-dire les pertes dans le noyau et dans le fer. Comme le transformateur est à vide, l’enroulement secondaire du transformateur est laissé ouvert, et un très petit courant de ‘sans charge’ circule à travers l’enroulement primaire. Par conséquent, la perte de puissance dans le transformateur à vide est due à la perte de cuivre, qui se produit uniquement sur l’enroulement primaire car l’enroulement secondaire est ouvert. Le circuit ouvert dans le transformateur peut provoquer un échauffement anormal à l’intérieur du transformateur, ce qui est dangereux, et il est pertinent de mentionner ici que lorsqu’un défaut de circuit ouvert se produit, il est important de déconnecter et d’isoler le transformateur du système.
Dans le test de court-circuit, l’enroulement secondaire du transformateur est court-circuité, et la tension nominale est fournie à l’enroulement primaire. Le but du test est de déterminer l’impédance et les pertes d’un transformateur lorsque son enroulement secondaire est court-circuité, et les informations de paramètre sont utilisées pour déterminer l’efficacité et la régulation de la tension du transformateur. L’ampèremètre mesure le courant de court-circuit, et le voltmètre mesure la tension à travers l’enroulement primaire.
Défaillance du Système de Refroidissement
La plupart des transformateurs de puissance et de distribution sont immergés dans l’huile avec différents types de refroidissement en fonction de leur taille. À mesure que la puissance nominale du transformateur augmente, la surface doit être augmentée en ajoutant des tuyaux de refroidissement externes, des ventilateurs, des radiateurs et des échangeurs de chaleur. La défaillance du système de refroidissement réchauffera le transformateur, ce qui provoquera la montée de la pression du gaz à l’intérieur du transformateur.
Si un approvisionnement adéquat en eau froide est disponible, les transformateurs immergés dans l’huile et refroidis par l’eau sont satisfaisants. Dans cette méthode, l’eau de refroidissement est circulée à travers les bobines de refroidissement situées à l’intérieur du transformateur. Le principal inconvénient de ce type est le danger de fuites dans les bobines, car l’eau fuirait des bobines et contaminerait l’huile.
Figure 5. De grands isolateurs peuvent indiquer la présence du côté haute tension d’un transformateur (trois fils d’un côté et quatre fils de l’autre indiquent une configuration étoile-delta). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
Efficacité des Transformateurs
L’efficacité est le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d’entrée, représenté par le symbole “η”. Dans un transformateur idéal, toute la puissance d’entrée est convertie en puissance de sortie; par conséquent, l’efficacité est de 100%, mais dans les applications pratiques, certaines pertes réduisent l’efficacité du transformateur. Les pertes dans un transformateur peuvent être divisées en deux groupes:
- Pertes I2R dans les enroulements primaire et secondaire dues à la résistance des fils
- Pertes dans le noyau dues à l’hystérésis et aux courants de Foucault
Par conséquent, Si Pc = perte totale dans le noyau, alors la perte totale dans un transformateur est :
$$P_c+{I^2}_1 R_1+{I^2}_2 R_2$$
et
$$Efficacité = \eta$$
$$\eta = {P_{output} \over P_{input}}$$
$$\eta = {P_{output} \over P_{output}+pertes}$$
Transformateurs Triphasés
Un transformateur électrique est un dispositif coûteux et statique qui transfère l’énergie électrique d’un circuit à un autre en utilisant le principe de l’induction électromagnétique. Les types et utilisations des transformateurs varient en fonction de leurs applications, tels que les transformateurs de puissance et de distribution dans les secteurs de la génération, de la transmission et de la distribution d’énergie, et les transformateurs de mesure à des fins de mesure.