Il semble que les transformateurs soient capables de faire ce qui devrait être impossible, car ils ajustent la tension sans avoir de composants mobiles et sans facteur d'interférence. Le processus pour y parvenir consiste à empêcher les deux circuits d'être connectés, tout en insistant pour que les deux circuits fonctionnent dans le même champ magnétique.
Cette configuration simple est la clé pour que les systèmes d'alimentation électrique soient possibles et pour le fait que les foyers situés à une distance de 300 km d'une station électrique soient capables d'avoir 230 V. C'est en fait ce qui permet au système de distribution d'électricité de fonctionner.
Un transformateur se compose de deux bobines enroulées autour d'un noyau magnétique partagé. Dans la bobine primaire, un courant électrique génère un champ magnétique fluctuant, qui induit ensuite un courant dans la bobine secondaire. Le rapport de transformation permet de définir les tensions traversant les deux bobines, par exemple, 100 tours passeront par 1 000 tours, ce qui entraîne une augmentation de la tension de 230 V à 2300 V.
Le principe : Induction mutuelle
Composé de deux bobines et d'un noyau, les deux composants n'entrent pas en interaction avec un flux électrique. Si la partie primaire des bobines est alimentée en énergie électrique, alors un courant électrique y passe et génère un champ électromagnétique. Le courant utilisé dans le circuit est alternatif, donc le champ produit change continuellement, entraînant un couplage avec la seconde bobine ; cela entraîne l'apparition d'une tension électrique à travers cette dernière.
Il existe trois règles principales sous-jacentes au principe de fonctionnement du transformateur :
- Le rapport des enroulements du transformateur déterminera la tension. Vp/Vs=Np/Ns.
- Deux fois plus d'enroulements entraînera deux fois plus de tension.
- L'énergie est conservée. Il existe un principe de conservation de l'énergie. L'énergie d'entrée est égale à l'énergie de sortie moins les pertes spécifiques.
- L'impédance est déterminée par le carré du rapport des enroulements. Le transformateur avec un rapport de 10:1 apparaîtra comme une charge de 100 Ohm pour la bobine primaire.
Le noyau est une partie importante. Il est fabriqué en acier électrique stratifié, son orientation est telle que le champ produit se propage avec l'aide de ce matériau, et le stratifié rend impossible la formation de circuits fermés dans le matériau.
Pourquoi cela ne fonctionne que sur courant alternatif
Pour initier l'induction, il est nécessaire d'avoir un flux qui varie et change avec le temps. Lorsque vous utilisez un courant continu pour créer des champs magnétiques, ce champ magnétique ne change pas avec le temps et ne produit aucune tension dans une bobine secondaire. Ce résultat est possible en raison des propriétés de l'électricité et non à cause de la conception du transformateur lui-même. Ce phénomène peut être utilisé pratiquement de deux manières.
Tout d'abord, le transformateur fonctionne sur courant alternatif et ne fonctionne pas sur courant continu. Par conséquent, il a la capacité de séparer une source de courant continu d'un système de courant alternatif. Deuxièmement, cela explique pourquoi le transformateur ne peut pas être utilisé pour la conversion DC à DC puisque ce type de convertisseur utilise des électroniques de commutation pour convertir le courant continu en courant alternatif et vice versa.
Il est intéressant de noter que la fréquence elle-même joue un rôle très important. Par exemple, un transformateur conçu pour 50 Hz sera saturé à 60 Hz uniquement si la tension est proportionnellement diminuée. Un transformateur de 60 Hz utilisé à une tension de 50 Hz fonctionnera en mode de saturation et produira donc de la chaleur et du bruit.
Ce qu'il fait dans un système électrique
Comprendre le but d'un transformateur est plus facile en suivant l'énergie électrique depuis le lieu de production jusqu'à la prise.
Le générateur lui-même produit de l'électricité de 11-25 kV, ce qui est une capacité d'isolation économiquement viable du générateur. Ainsi, une transmission à haute tension de l'énergie est nécessaire. La perte à laquelle la transmission est soumise est proportionnelle à I²R, donc augmenter la tension par un facteur de 10 diminuera le courant par le même facteur et réduira la perte d'énergie de 100. Ainsi, la transmission a du sens à cause de cette relation.
À son arrivée à destination, la haute tension diminue par étapes : de 400 kV à 110 kV, à 33 kV, à 11 kV et enfin à 400/230 V au transformateur de distribution (le transformateur servant la rue ou le bâtiment). Chaque étape est un transformateur et chaque transformateur est utilisé pour que l'étape puisse être construite économiquement.
Ainsi, le but du transformateur peut être divisé en quatre fonctions qui sont souvent confondues :
- Transformation de la tension pour la transmission et pour une utilisation sûre
- Transformation du courant qui suit automatiquement et permet de transmettre un courant élevé à basse tension
- Isolation galvanique afin qu'aucun côté de l'élément transformateur ne puisse alimenter l'autre côté et que la conception du système puisse être alimentée indépendamment à la terre
- Adaptation d'impédance et limitation des défauts, car les données disponibles indiquent que l'impédance du transformateur est créée intentionnellement à des fins de protection.
La différence entre les deux principales familles dans le travail de distribution, et laquelle un projet devrait spécifier, est exposée dans cette comparaison de transformateurs de puissance et de distribution.
Où va l'énergie
Les transformateurs ne sont pratiquement jamais exempts de pertes, mais connaître les points où ces pertes se produisent donne une idée considérable de leur comportement.
La perte dans le noyau prend deux formes. Premièrement, il y a l'hystérésis (les domaines magnétiques s'inversent) et deuxièmement, il y a la perte par courants de Foucault (les courants circulant dans l'acier). Ces pertes se produisent que le transformateur soit alimenté ou sous charge, car elles sont inhérentes à sa construction.
La perte de cuivre avec la résistance des enroulements est calculée comme I²R. Cela signifie qu'à moitié charge, cette perte est un quart de la perte à pleine charge.
Parce qu'une de ces pertes est constante et que l'autre augmente avec le carré de la charge, l'efficacité optimale d'un transformateur est observée lorsque les pertes sont égales. Ainsi, si une perte augmente avec la charge, l'autre ne le fait pas.
Les pertes de transformation sont constantes pendant toute l'opération ; par conséquent, l'efficacité d'un transformateur est la meilleure lorsqu'elles sont égales, ce qui est prévu par conception. Les méthodes sont décrites dans ce guide pour tester un transformateur.
Les principaux types, et à quoi chacun sert
La plupart des offres qui accompagnent l'acheteur proviennent de quatre familles de transformateurs.
Les transformateurs de distribution remplis d'huile sont ceux qui sont soit sur des poteaux, soit en montage sur socle. L'huile agit à la fois comme isolant et comme liquide de refroidissement, rendant ces transformateurs compacts et peu coûteux pour leurs plages de capacité de 25 kVA à 2 500 kVA.
Les transformateurs de type sec utilisent de l'air et une isolation solide au lieu d'huile, qui est généralement fabriquée à partir de résine époxy coulée. Ils sont appliqués dans des conditions intérieures, dans diverses constructions, tunnels, hôpitaux et centres de données, où le risque d'incendie lié à l'huile ne peut être toléré. Bien que les transformateurs de type sec puissent coûter plus cher que ceux remplis d'huile à la même capacité, ils éliminent un type de risque.
Les transformateurs de puissance sont les grands modèles utilisés dans les sous-stations de transmission, conçus pour des hautes tensions et un débit élevé et une longue durée de vie, équipés de changeurs de prises sous charge et de systèmes de refroidissement.
Les unités spécialisées restantes comprennent les transformateurs d'instrument qui transforment le courant et la tension à des fins de mesure ou de protection, les transformateurs d'isolement pour le but de séparation galvanique, les autotransformateurs pour un léger changement de tension, et les transformateurs de type K ou harmoniques pour les opérations de charge non linéaire.
Le cas intérieur est celui où le choix est le plus souvent contesté, et les classes, codes de refroidissement et limites qui le décident sont couverts dans cet aperçu de transformateurs de distribution à sec.
Ce qu'il ne peut pas faire
Il y a trois idées fausses qui conduisent à de réelles erreurs de spécification.
- Il ne produit aucune puissance. Un transformateur augmente la tension de 230 V à 2300 V en diminuant le courant dans les mêmes proportions. Toute affirmation concernant la capacité d'un transformateur à augmenter la puissance de sortie est un indicateur d'une erreur de mesure ou d'une fraude.
- Il ne change pas la fréquence. L'entrée de 50 Hz donne une sortie de 50 Hz. Pour changer la fréquence, il faut une machine tournante ou un convertisseur d'électronique de puissance.
- Il ne fournit pas de correction du facteur de puissance. Ce que fait le transformateur, c'est qu'il exerce sa propre demande réactive sans corriger celle des autres ; la correction du facteur de puissance est le travail d'un condensateur ou d'un filtre actif.
Il ne protège pas non plus contre tout. Le transformateur limite le courant de défaut par son impédance, et il est capable de séparer les terres, mais il ne déconnecte pas le défaut, ne limite pas la surtension et ne régule pas la tension à moins qu'il n'ait un changeur de prises ou un régulateur électronique.
Où se trouvent les transformateurs dans une sous-station
On pourrait l'appeler une sous-station car tout l'équipement a pour seul but d'établir la connexion, la protection et la mesure du transformateur, et le schéma unifilaire est le meilleur et le plus rapide moyen d'obtenir un aperçu de l'installation.
Le circuit arrive à un disjoncteur, puis passe par un disjoncteur et des transformateurs de courant, avant d'entrer dans le transformateur. Il en va de même pour le chemin sortant, convenant aux transformateurs de tension pour la mesure, aux appareillages de commutation pour se protéger des impulsions et aux interrupteurs de mise à la terre pour faciliter la maintenance. Chaque composant existe parce que le transformateur ne peut pas le faire.
Cet agencement, et les caractéristiques qui l'accompagnent, est ce qu'un composants de sous-station électrique la spécification décrit en fait, et il vaut la peine de lire avant d'acheter un transformateur seul, car le transformateur est rarement l'élément qui retarde un projet.
Ce que nous construisons
L'entreprise produit des transformateurs immergés dans l'huile et des transformateurs de type sec à partir de 25 kVA, y compris des transformateurs avec des tensions nominales de 11, 20 et 33 kV pour les marchés d'Asie, d'Afrique et du Moyen-Orient.
Les spécifications sont ennuyeuses. En fait, elles incluent des données comme le type de noyau, le type de fil et de connexion, la plage de tension et l'étendue des pertes mais pas de garanties à leur sujet. Tout cela est écrit dans le devis au lieu d'être supposé, ce qui est ce que notre gamme de distribution immergée dans l'huile est basé sur.
Dans les cas où des niveaux de perte spécifiques sont requis pour qu'un projet respecte certaines réglementations d'efficacité, la conception des enroulements et le grade du noyau doivent être sélectionnés pour dépasser ces niveaux par une marge confortable, car un transformateur qui atteint son objectif de perte de 0,5% sur le banc d'essai ne garantit pas une durée de vie de maintien dans cette marge pendant trente ans.
FAQ
Pouvez-vous expliquer comment fonctionne un transformateur de manière simple ?
Il y a deux bobines de fil qui ont un noyau en acier mais sont séparées l'une de l'autre. La première bobine a un courant alternatif qui y circule et crée un champ magnétique variable tandis que la seconde bobine transforme ce champ variable en courant. Un plus grand nombre de tours sur la seconde bobine augmente la quantité de courant générée tandis qu'un plus petit nombre de tours aura l'effet inverse.
Chaque maison a-t-elle besoin d'un transformateur ?
Pas de transformateur unique pour chaque maison, tel. Le transformateur qui sert une maison sert généralement une rue ou un bâtiment entier. C'est un transformateur monté sur poteau ou monté sur socle qui convertit 11 kV ou 33 kV en 400/230 V. La maison a besoin d'un transformateur dédié uniquement dans les cas où la ligne d'alimentation entrante fournit une tension différente, lorsqu'il y a une charge substantielle nécessitant un transformateur séparé, ou lorsque des problèmes de sécurité et de bruit nécessitent une isolation.
Qu'est-ce qui pourrait griller un transformateur ?
Une charge fréquente, un court-circuit sur le côté secondaire, une perte de refroidissement, un niveau d'huile bas présent dans l'appareil, de l'humidité présente dans l'isolation et une surtension due à la foudre atteignant l'enroulement. En pratique, la séquence est généralement la même : un problème de surcharge ou de refroidissement se produit en premier, suivi d'une défaillance de l'isolation. Cela implique les actions entreprises par les dispositifs de protection empêchant la défaillance de se produire.
Quelle est la règle 80% pour les transformateurs ?
C'est la pratique de la conception, pas l'exigence du code : faire fonctionner un transformateur à 80% de sa puissance nominale permet de laisser de la place pour accueillir la température ambiante, les harmoniques, les surcharges temporaires et les développements futurs de manière occulte, se plaçant exactement dans la meilleure plage d'efficacité. Les règles de code connexes sont complètement différentes : le dispositif de protection contre les surintensités sur le circuit primaire est généralement réglé à 125% du courant nominal du circuit primaire ; il s'agit de la protection du transformateur plutôt que de sa charge.
Références
- Ormazabal — Comment fonctionne un transformateur électrique
- ABB — Technologie et applications des transformateurs
- Siemens Energy — Transformateurs de puissance et de distribution
- Hitachi Energy — Fondamentaux des transformateurs et applications réseau
- Nynas — Huile de transformateur et performance de l'isolation
Conclusion
Deux bobines avec un noyau forment un circuit magnétique, et c'est là que le transformateur commence. Tous les autres dispositifs et défis d'ingénierie aident à maintenir cette technologie en fonctionnement.
Informez-nous du rapport de tension que vous recherchez, de la puissance nominale ainsi que de l'application et du niveau de perte afin que nos spécialistes puissent sélectionner le design de transformateur nécessaire avec le refroidissement et l'impédance requis pour répondre à vos besoins.