Un ingénieur de maintenance technique d'une aciérie de taille moyenne nous a contactés au printemps dernier concernant un problème sans précédent : un transformateur de distribution de 1600 kVA qui fonctionne parfaitement lorsque les tensions au sol de l'usine sont suffisantes est signalé comme étant en violation des normes opérationnelles. La cause profonde n'a été trouvée ni dans le changeur de prises ni dans le relais de protection ; elle était cachée dans le principe de fonctionnement du transformateur, c'est-à-dire l'induction électromagnétique, qui permet à tout transformateur de fonctionner. Une fois que nos experts ont découvert comment corréler la tension induite et les enroulements, la solution, c'est-à-dire un ajustement de ratio, a pris des heures. La majorité des “mystères” des transformateurs se résout de manière similaire : une fois que vous savez ce que fait l'induction, vous savez quoi faire avec la machine.
Dans cet article, nous avons fourni une description détaillée de la façon dont les transformateurs fonctionnent. Vous découvrirez ce qu'est l'induction électromagnétique, comment la loi de Faraday génère du courant, pourquoi les transformateurs n'ont pas de pièces mobiles et comment cette compréhension vous aidera à prendre vos décisions d'achat et de maintenance.
Réponse courte : Le principe de fonctionnement des transformateurs repose sur le phénomène de l'induction électromagnétique. Selon la définition, un courant électrique alternatif circulant dans la bobine primaire crée un changement de champ magnétique dans le noyau du transformateur, entraînant l'induction d'un courant électrique dans la bobine secondaire. La loi de Faraday stipule que le rapport de tension électrique doit être égal au rapport du nombre de tours, dans le cas d'un transformateur 10 kV/0,4 kV, nous avons besoin de 25 tours d'enroulement pour créer une chute de tension. Il convient de mentionner que les transformateurs qui répondent aux exigences de la norme IEC 60076 atteignent une efficacité d'environ 98-99,7%.
Qu'est-ce que l'induction électromagnétique dans un transformateur ?
L'induction électromagnétique est le processus par lequel une force électromotrice (ou tension) est créée dans un conducteur en raison d'un champ magnétique dynamique. Dans les transformateurs, l'induction électromagnétique se produit deux fois pendant un demi-cycle : le courant alternatif circulant dans la première bobine crée le flux magnétique variable, qui coupe la seconde bobine et induit la tension en elle. Cela n'implique aucun mouvement mécanique ; ainsi, le transformateur cause presque aucune usure puisque aucun mouvement n'est impliqué.
Ce phénomène a été découvert en 1831 par le scientifique anglais Michael Faraday et a été utilisé depuis lors dans la conception des transformateurs pour produire de l'électricité. De même, deux facteurs contrôlent la tension induite (secondaire) : le nombre de tours et le taux de changement du flux. Une fréquence plus élevée signifie que le flux change plus rapidement et la tension induite est plus élevée, ce qui explique pourquoi les noyaux de transformateur fonctionnent à des fréquences de 50 ou 60 Hertz.
Comment fonctionne le principe de fonctionnement du transformateur
Considérons l'agencement traditionnel de deux enroulements. Dans cette configuration, l'enroulement primaire est connecté à l'alimentation entrante tandis que l'enroulement secondaire se connecte à la charge. Le flux de courant alternatif (CA) crée un champ magnétique dans le noyau de transformateur en acier au silicium laminé. Étant donné que la nature de l'électricité est alternative (changeante), l'induction magnétique du noyau variera également constamment, entraînant un flux magnétique qui monte et descend et change de direction 50 ou 60 fois par seconde.
Le flux magnétique alternatif produit dans le noyau du transformateur induit une force électromotrice aux bornes de l'enroulement secondaire. En conséquence, le courant circulera à travers la charge connectée à l'enroulement secondaire et effectuera le travail nécessaire. Ainsi, nous pouvons résumer le principe de fonctionnement du transformateur en trois étapes :
- Le courant primaire crée un champ magnétique alternatif ;
- Le champ traverse le noyau en fer et relie deux enroulements ;
- Le champ changeant induit une tension dans l'enroulement secondaire.
| Quantité | Côté primaire | Côté secondaire | Relation |
|---|---|---|---|
| Tension (V) | V1 | V2 | V1 / V2 = N1 / N2 |
| Enroulements (N) | N1 | N2 | Déterminé à l'étape de conception |
| Courant (I) | I1 | I2 | I1 × V1 = I2 × V2 |
| Impédance (Z) | Z1 | Z2 | Z1 = Z2 × (N1/N2)2 |
| Puissance (S) | Pratiquement égale des deux côtés | S1 ≈ S2 (moins les pertes) | |
Puisque la puissance est conservée (sauf pour les pertes), augmenter la tension secondaire diminue automatiquement le courant. Un transformateur de 1 MVA à 0,4 kV transportera environ 1 443 A du côté basse tension, mais la même puissance à 33 kV ne transportera qu'environ 17,5 A. Ainsi, cette relation inverse entre tension et courant est la raison pour laquelle les services publics augmentent la tension pour la transmission sur de longues distances, car un courant plus faible signifie moins de pertes dues à I²R.
La loi de Faraday et le rapport de transformation expliqués
Selon la loi de Faraday, elle stipule que la force électromotrice induite est le taux de changement dans le lien de flux magnétique dont la formule est donnée par E = −N × dΦ/dt. Dans le cas d'un transformateur pratique fonctionnant avec une tension sinusoïdale, la loi ci-dessus s'applique.
V ≈ 4,44 × f × N × Φmax
Où f est la fréquence qui est soit 50 soit 60 Hz, N est le nombre d'enroulements, et Φmax représente le flux maximum du noyau. Ainsi, il en résulte :
La tension est fixée par le nombre d'enroulements. La tension est définie pour un noyau particulier automatiquement et chaque enroulement obtient son propre “volts par enroulement” fixe. Par exemple, un secondaire obtient une tension égale à 400 volts avec 18 enroulements et situé à côté du primaire avec 540 enroulements de telle manière que la tension soit égale à 12 kilovolts, ce qui correspond au rapport 30:1 requis par les réseaux électriques.
Le rapport d'enroulements est égal au rapport de tension. Un transformateur fonctionne à un rapport égal à 25:1 changeant 10 kV en 400 V. Le rapport peut être trouvé sur sa plaque signalétique qui indique 25:1 ou 25000/400 V.
Le rapport de courant est inverse. Ainsi, le dispositif fonctionnant avec ce rapport produira 25 fois plus de courant du côté secondaire par rapport au primaire lorsqu'il fonctionne avec la même puissance.
Cela signifie que le “ transformateur élévateur ou abaisseur ” est en réalité le même appareil qui est simplement utilisé à l'envers. Un transformateur de générateur transforme 11 kV en 220 kV tandis que le même groupe d'enroulement combiné avec un côté secondaire différent ramènera 220 kV à 11 kV.
Composants principaux qui rendent l'induction possible
| Composant | Matériau / Forme | Rôle dans l'induction |
|---|---|---|
| Noyau | Acier au silicium orienté, laminations de 0,23 à 0,35 mm | Fournit un chemin magnétique à faible reluctance ; la lamination réduit les pertes par courants de Foucault |
| Enroulement primaire | Conducteur en cuivre ou en aluminium, isolé | Crée le flux magnétique alternatif à partir du courant d'alimentation |
| Enroulement secondaire | Conducteur en cuivre ou en aluminium, isolé | Intercepte le flux et délivre la tension induite à la charge |
| Système d'isolation | Papier kraft + huile (immergé dans l'huile) ou résine époxy (type sec) | Isole électriquement les enroulements et le noyau ; l'huile transfère également la chaleur |
| Changeur de prises | Hors circuit ou sous charge, ±5% typiquement | Ajuste le rapport de tours effectif pour correspondre à la tension du système |
| Réservoir / enceinte | Acier soudé avec conservateur ou système N2 | Protège l'assemblage noyau-enroulement et le liquide diélectrique |
Deux aspects sont à noter. Le premier est que le noyau est laminé au lieu d'être solide, car un noyau solide fonctionnerait comme un tour court-circuité et générerait de la chaleur en raison des courants induits pendant le fonctionnement. Le second est que le cuivre est utilisé comme matériau d'enroulement dans la plupart des modèles à haute efficacité. Un transformateur d'une capacité de 1 000 kVA utilise environ 800 à 1 000 kg de cuivre dans l'enroulement et c'est la raison pour laquelle le prix du cuivre influence directement le prix des transformateurs.
Transformateur élévateur vs transformateur abaisseur : Inversion de l'induction
Chaque réseau électrique a les deux aspects fonctionnels intégrés en lui-même. La génération augmente la tension tandis que la distribution la diminue, d'où le processus de définition de celui qui est nécessaire doit commencer par la détermination de votre zone de service.
| Scénario | Côté entrée | Côté sortie | Unité typique |
|---|---|---|---|
| Exportation de parc solaire / éolien | Sortie de l'onduleur 0,4–0,8 kV | Bus collecteur 10–35 kV | Transformateur élévateur, 0,5–10 MVA |
| Transmission utilitaire | 11–66 kV | 110–765 kV | Transformateur GSU, 50–1 000 MVA |
| Sous-station aux consommateurs | 10–35 kV | 4 kV | Unité de distribution abaisseur, 100–2 500 kVA |
| Service d'usine industrielle | 33 kV | 6,6 / 11 kV | Transformateur principal, 2–40 MVA |
Une erreur fréquente dans le dimensionnement est de négliger de se rappeler que le rapport de tension du transformateur n'est pas l'histoire complète. Le transformateur avec un rapport de 35 kV/0,4 kV a également une puissance KVA fixe et une certaine tension d'impédance (généralement de 4 à 8%) et un groupe vectoriel (le plus couramment Dyn11 pour le service de distribution). Le principe d'induction montre le rapport, mais la puissance montre le fer, le cuivre et le refroidissement utilisés. Commander le transformateur uniquement par la tension est la même chose que d'acheter une pompe uniquement par la taille du tuyau, car le débit (KVA) est tout aussi important.
Efficacité et pertes dans les transformateurs pratiques
En raison du fait que l'induction n'est qu'une interconnexion électromagnétique, l'efficacité théorique des transformateurs peut être assez élevée. Les transformateurs réels construits selon la norme IEC 60076 ont des efficacités allant de 98,% à 99,7%, et les grands transformateurs de puissance sont connus pour avoir les taux d'efficacité les plus élevés parmi les machines tournantes et statiques. Les pertes peuvent être divisées en deux grandes catégories :
Pertes à vide : pertes par hystérésis et pertes par courants de Foucault, qui peuvent être trouvées dans le fer chaque fois que le transformateur fonctionne. Les pertes à vide représentent 0,1 à 0,5% de la puissance nominale.
Pertes de charge : les pertes de cuivre. La perte de chaleur pendant le fonctionnement des enroulements du transformateur peut être calculée à l'aide de la formule I²R et divisée en deux catégories. Dans le cas où la charge est 1,5 fois supérieure à la charge nominale, les pertes de puissance augmenteront considérablement — par exemple, un transformateur de 1000 kVA qui a une certaine puissance perd 8,5 kW, peut perdre presque 19 kW lorsqu'il est en surcharge de 150%.
La conception efficace d'un transformateur de 1 000 kVA garantit des pertes comprises entre 1,4 et 2,4 kW à vide et des pertes comprises entre 8 et 13 kW lorsque les transformateurs sont alimentés. L'importance des pertes peut être expliquée par le fait que les transformateurs fonctionnent toute l'année et donc même la petite baisse de 1 kW des pertes pendant le fonctionnement du transformateur permettra d'économiser 876 dollars américains par an.
Types de transformateurs de puissance construits sur le même principe
Le mécanisme d'induction est universel, mais la construction varie énormément selon l'utilisation. Les principales familles sont :
| Taper | Refroidissement / isolation | Puissance typique | Où utilisé |
|---|---|---|---|
| Transformateur immergé dans l'huile | ONAN / ONAF | 50 kVA–1 000+ MVA | Services publics, sous-stations industrielles |
| Transformateur à sec | Coulé époxy ou VPI | 100–10 000 kVA | Grands immeubles, métro, offshore |
| Transformateur de distribution | Montage sur poteau ou sur socle ONAN | 5–5,000 kVA | Last-mile voltage conversion |
| Power / GSU transformer | ONAN/ONAF/OFAF | 10–1,000 MVA | Transmission and generation |
| Amorphous core transformer | Oil-immersed, amorphous steel | 50–2 500 kVA | Low no-load loss applications |
| Specialty (rectifier, furnace, phase-shifting) | Oil or dry | 1–200 MVA | Industrial process loads |
Typical Specifications of Induction-Based Transformers
By referring to the working principle, the nameplate reveals all the information about how the induction device has been designed. A standard 1,000 kVA, 10/0.4 kV distribution system has these values:
| Paramètre | Common value | Standard reference |
|---|---|---|
| Puissance nominale | 100–2,500 kVA (per order) | IEC 60076-1 |
| Rapport de tension | 10 kV / 0.4 kV (example) | IEC 60076-1 |
| Groupe vectoriel | Dyn11 | IEC 60076-1 |
| Tension d'impédance | 4–6% at rated current | IEC 60076-5 |
| Pertes à vide | 1.4–2.4 kW | IEC 60076-1 / ISO energy classes |
| Load loss at 120 °C | 8–13 kW | IEC 60076-1 |
| Plage de prises | ±2×2.5% or ±5% | IEC 60076-1 |
| Cooling class | ONAN (50–63 °C rise) | IEC 60076-2 |
Top Brands & Price Ranges for Power Transformers
In the market, there are only a few globally recognized companies that create astonishing products. ABB (currently ABB Ltd) and Hitachi Energy hold the upper hand in the design of the generators and HVDC transformers; Siemens Energy and GE Vernova are known for their ultra-high-voltage and large power systems; Schneider Electric and Eaton concentrate on the distribution industry and dry-type transformers. Their devices usually cost more and have longer completion times. On this background, manufacturers from China are gaining high shares in the global distribution and medium power equipment market, utilizing the benefits which arise due to compliance with IEC 60076 standards and lower production costs.
A company called Jiangsu Subian Electric Power is among such manufacturers. It produces both oil-immersed and dry-strip transformers with power ranging from 10 kVA to tens of MVA, which meet the requirements of IEC 60076. The company supplies products to more than 40 countries around the globe. Customers contact factories directly to settle questions related to transformers such as vector groups, tap ranges, losses or cooling design. As a result, in the case when induction theory is not subject to negotiations, but the budget is fixed, Subian can offer verified production backed by engineering input and monitoring. The prices are shown in the table below.
| Marque | Force | Typical price range (distribution scale) |
|---|---|---|
| ABB | Global power engineering leader | $15,000–$80,000+ |
| Hitachi Energy | GSU and HVDC specialist | $20,000–$150,000+ |
| Siemens Energy | Ultra-high-voltage capability | $18,000–$120,000+ |
| Schneider Electric | Dry-type and smart distribution | $10,000–$45,000 |
| Eaton | Distribution and industrial units | $8,000–$30,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | IEC 60076 factory, competitive pricing | $4,000–$60,000 (typical), prices vary by spec and region |
Prices are indicative FOB ranges for 250–5,000 kVA units and vary with rating, copper price, cooling type, and destination.
How to Choose a Transformer Using the Working Principle
- It is important to verify the turns ratio requirements of the system. Check what is stated in the utility connection agreement related to input and output voltage and also for acceptable tap range (±5%).
- Yardstick kVA with actual load. Sum up the connected loads, apply diversity (0.6—0.9 on average), and increase the result by 10—20% to take future growth into account. Inadequate oversizing increases no-load losses. Undersizing results in the reduction of equipment life expectancy.
- Select core and winding based on your efficiency requirements. Higher-priced high-grade grain-oriented silicon steel and copper windings incur higher development costs but result in reduction of the loss.
- Confirm the impedance as well as vector group with the system engineer. Incorrect phasor or impedance results in issues with parallel operation and protective setting.
- Verify applicable standards. You can ask for test reports confirming compliance with IEC 60076 in terms of ratio, impedance, losses, dielectric tests, etc.
- Make comparisons in terms of the whole cost of ownership instead of the price. To do so, compare present value of future losses for 20-30 years against local tariffs before making a choice between quotes.
Maintenance Tips Linked to Induction Physics
- Monitor the exciting current. An increasing current at no-load voltage indicates that there is degradation of the magnetic core or that one turn may be broken; it should be immediately investigated before a failure takes place.
- Monitor oil temperature and dissolved gas level. DGA indicates overheating of the insulated coils even before breakdown occurs; it is enough to check the oil once a year for units with capacity exceeding 1 MVA.
- Check the ratio after every change in tap. The transformer turns ratio should be checked again after the tap is changed; the ratio change of 2.5% results in immediate changes in the readings.
- Make effective cooling possible. The induction loss has to be removed from the cooling system; otherwise clogged radiators or broken fans would increase the temperature in the coils above the criteria of 65–70 °C that results in 2-fold increase in the process of aging for each abnormal 8–10 °C increase of the temperature.
Questions Fréquemment Posées
Why does a transformer work only on AC and not DC?
For electromagnetic induction to occur, it is necessary to have a variable magnetic flux. Direct current gives a constant magnetic flux and the secondary voltage drops to zero immediately after applying the DC. If the DC current is applied across a transformer continuously, the core of the transformer will be saturated and high current will be drawn.
What is the volts-per-turn relationship in practice?
The average voltage for a circuit distribution core is approximately 5–15V every winding. In a 400V secondary system, about 30-80 windings are needed while a 10kV utilization of the same core may require about 25 times more windings or around 750-2000 windings. Systems that need higher voltage will put more windings on the same core, which will obviously require more insulation as well.
How do I verify the transformer ratio before purchase?
The routine test report must be requested per IEC 60076-1, which contains a summary of the turns-ratio test on all taps. You may check this upon delivery using a portable ratio meter, which will require investigation if it exceeds the nameplate of 0.5%.
Why is efficiency higher at higher ratings?
Losses in the stator, which is related to dimensional surface and the main conductor area, instead of the total volume of the generator, exceeds losses related to the power. Thus, the efficiency of the generator rated at 100 kVA may be equal to 97% whereas that of the generator exceeding 100 MVA may be equal to approximately 99.6%.
Can the same transformer be used as both step-up and step-down?
Certainly from the electrical perspective, the windings can be interchangeable but the tap range, vector group and protection design are set for operation in one direction only. Although it is possible to operate the distribution unit in reverse (by energizing the 0.4 kV side), it is only practical at a reduced rating and an engineering study of the unit is advisable before considering this option.
Références
- IEC — International Electrotechnical Commission — publisher of the IEC 60076 power transformer series governing design and testing.
- IEEE — source of transformer standards and operating practice, including IEEE C57 series for power and distribution transformers.
- NEMA — North American electrical equipment standards, including transformer ratings and efficiency.
- U.S. Energy Information Administration — public data on transformer energy use and transmission efficiency.
- U.S. DOE — Transformer efficiency programs — guidance on loss evaluation and energy-efficient transformer selection.
- Electrical4U — educational references on Faraday’s law, transformer ratio, and induction theory.
Conclusion
The operation of transformer is based on the principle of one sophisticated theory of electromagnetic induction — this is a concept applicable in the domain of power generation. The law of Faraday informs about the ratios of turns, voltage equations, and current dependencies; subsequently, all the rest is simply the engineering interpretation of physics theory. It is essential to verify the ratio of the transformer based on the requirements of the network, actual power demand of the load, and estimated losses. When deciding to purchase a transformer the best idea is to opt for the one manufactured according to the norms of IEC 60076 with the relevant proof of testing.Visit www.subian-electric.com with your voltage and load details, and the factory engineering team will help you size the correct transformer for your site.