En essence, un transformateur élévateur est un dispositif utilisé pour augmenter la tension d'une ligne entrante à un niveau requis pour une transmission ultérieure de l'énergie électrique. Cependant, la même définition inclut également la surtension, c'est-à-dire une situation anormale lorsque la tension de sortie dépasse la tension nominale en raison d'un changement de prise inapproprié ou du desserrage du neutre du système électrique. Bien qu'il y ait deux situations décrites dans le paragraphe, leur nature est assez différente, et cela peut conduire un technicien à la mauvaise solution du problème, comme ajuster un changeur de prise lorsque le neutre ouvert est la cause profonde. L'objectif de ce manuel est de fournir une compréhension approfondie du fonctionnement d'un transformateur en tant que dispositif d'élévation de tension, de ce qui arrive au courant électrique et à la charge électrique lors de l'augmentation de la tension de la ligne et des effets qui en résultent.
En bref : Lorsque un transformateur augmente la tension, la tension du côté secondaire devient plus élevée que la tension du côté primaire selon le rapport du nombre de tours — Vs/Vp = Ns/Np — tandis que le courant devient plus faible selon le même rapport. Cela est dû au fait que le transformateur transfère de l'énergie mais ne génère pas d'énergie. Cet aspect est la première et la plus importante conséquence des transformateurs. Après cette première conséquence, il y a quatre autres conséquences. L'isolation doit résister à des contraintes diélectriques accrues, ce qui signifie que l'enroulement fonctionnant à une tension plus élevée doit avoir une meilleure isolation. Les équipements résistifs reçoivent plus d'énergie en raison du carré de la tension croissante, ce qui signifie que si la tension augmente de 5%, le chauffage dans les équipements résistifs augmente de presque 10%. Une ampoule à incandescence cessera de briller si la tension dépasse le niveau de tension admissible. Le noyau inducteur se sature lorsque la tension devient bien au-delà de la plage de conception.
Comment un transformateur élève la tension
Les transformateurs sont des dispositifs entièrement composés de composants stationnaires et n'ont aucune connexion électrique entre leurs enroulements. Ils fonctionnent par induction électromagnétique ; en d'autres termes, dans l'enroulement primaire, il y a un courant alternatif, et donc un champ magnétique changeant ; ensuite, ce champ magnétique changeant crée une tension dans l'enroulement secondaire. La tension qui a été générée est égale à la tension primaire multipliée par le rapport des enroulements secondaire et primaire.
La tension générée dans l'enroulement secondaire d'un transformateur dépendra de la relation entre le nombre de tours de ses fils et le nombre de tours de l'enroulement primaire. Par exemple, si le nombre de tours de fil dans l'enroulement secondaire est le double de celui du primaire, il est vrai de dire que la tension dans la bobine secondaire est également le double de la tension dans la bobine primaire. C'est cette relation entre le rapport des tours qui donne au transformateur la capacité d'augmenter ou de diminuer la tension et qui explique les avantages que ces transformateurs apportent, y compris leur utilisation de manière inverse.
La seule limitation de la taille et de la capacité du transformateur est déterminée par la conception du noyau. La densité de flux magnétique à l'intérieur du noyau augmente proportionnellement à la tension appliquée à la bobine. Par conséquent, plus la tension est élevée, plus le noyau devient saturé. Ainsi, lorsque le noyau atteint le point de saturation, la ligne de flux ne peut pas y circuler. Comprendre la construction de base qui produit ces limites est le point de départ, et cela est exposé dans notre guide sur notions de transformateur de distribution.
Lorsque le rapport est fixe à la fabrication, le paramètre qui régit la tension de sortie réelle est le nombre de tours dans le circuit sur la bobine prise — la raison pour laquelle les changeurs de prise existent. Ces réglages et le reste des données de la plaque signalétique font l'objet de notre explication sur les spécifications du transformateur, qui est l'endroit où un acheteur devrait regarder avant de supposer qu'un problème de tension est un défaut.
La règle de conservation : Tension en hausse, courant en baisse
Le résultat le plus significatif de l'augmentation de la tension est souvent négligé : le courant diminue.
Un transformateur idéal transmet de l'énergie sans perte et donc la valeur de la tension multipliée par le courant des deux côtés doit être identique. Lorsque la tension au secondaire augmente, le courant secondaire circulant au même courant au primaire diminue en conséquence. En d'autres termes, si un transformateur fournit un courant de 100 A à 240 V du côté secondaire tout en consommant 200 A à 120 V de son côté primaire, la puissance des deux côtés est égale puisque aucun nouveau courant n'est produit.
| Quantité | Relation | Conséquence de l'augmentation de la tension secondaire |
|---|---|---|
| Tension | Vs/Vp = Ns/Np | Augmente proportionnellement au rapport de tours |
| Courant | Is/Ip = Np/Ns | Diminue en proportion inverse |
| Puissance | VpIp ≈ VsIs | Inchangé, à part les pertes |
| Impédance vue par la source | Zp = (Np/Ns)² × Zs | Transformée par le carré du rapport de tours |
La ligne d'impédance est importante à considérer car elle est la plus contre-intuitive. Une charge au secondaire sera vue par la source non pas comme elle-même mais multipliée par le carré du rapport de tours. Avec une augmentation de dix fois la tension, une charge de 1Ω ressemble à 0,01Ω du primaire. C'est ainsi que l'adaptation d'impédance se produit dans les circuits audio et RF et c'est exactement la raison du phénomène d'un transformateur élévateur avec une certaine charge fixe tirant un courant primaire beaucoup plus élevé que ce que l'on pourrait attendre de calculs simples.
Dans la vie réelle, un vrai transformateur n'atteint pas la conservation 100%. Les pertes en cuivre dans les enroulements et les pertes dans le matériau du noyau se dissipent sous forme de chaleur, c'est pourquoi l'efficacité est exprimée en pourcentage plutôt que supposée être un et la raison pour laquelle les transformateurs deviennent chauds sous charge alors qu'ils restent frais en circuit ouvert. Les pertes elles-mêmes font partie des mécanismes qui limitent finalement la durée de vie d'un transformateur, un sujet abordé dans notre article sur ce qui cause les défaillances des transformateurs.
Ce qui arrive à l'impédance et à la charge
La nature de la charge connectée gouverne complètement la façon dont la charge connectée réagit, et ainsi le résultat de l'augmentation de la tension passe d'une spécification de conception à une question opérationnelle.
| Type de charge | Comportement lorsque la tension augmente | Résultat |
|---|---|---|
| Résistif (chauffages, lampes à incandescence, bouilloires) | Le courant augmente proportionnellement ; la puissance augmente avec le carré de la tension | Augmentation du chauffage ; la durée de vie de l'ampoule chute fortement |
| Moteurs (induction) | Le couple augmente, mais le courant de magnétisation et les pertes dans le noyau aussi ; le moteur peut fonctionner plus frais sur le courant mais plus chaud dans le noyau | Diminution de la consommation de courant mais augmentation des pertes magnétiques ; surchauffe si la tension est bien au-dessus de la nominale |
| Alimentations électroniques | Beaucoup sont régulées et tolèrent une plage ; celles qui ne le sont pas peuvent échouer | Dépend entièrement de la plage d'entrée ; les alimentations non régulées sont vulnérables |
| Bancs de condensateurs | La sortie réactive augmente avec le carré de la tension | Surcompensation et nouvelle augmentation de la tension ; résonance possible |
| Transformateurs | La densité de flux dans le noyau augmente ; saturation et génération d'harmoniques au-dessus du point de conception | Surchauffe, distorsion harmonique, bruit audible |
| Électronique avec alimentations à découpage | Généralement large plage d'entrée (100-240 V), donc tolérante | Peu d'effet dans la plage nominale |
La rangée résistive contient une observation intéressante. Dans une charge résistive, la puissance est liée au carré de la tension. Par conséquent, toute surtension comme 5% correspondra à environ 10% de chaleur produite. Dans le cas d'un élément chauffant, cela signifie une durée de vie beaucoup plus courte de l'élément ainsi que des coûts énergétiques plus élevés. Cependant, en ce qui concerne la lampe à incandescence, cela signifie une durée de vie encore plus courte en raison de la forte dépendance de la vie à la surtension. C'est aussi la raison de l'importance de la régulation de la tension pour les services publics, car il y a un coût réel, mesurable et croissant pour les utilisateurs en raison de la surtension.
La rangée des moteurs est plus subtile qu'elle n'en a l'air au premier abord. Lorsque le moteur reçoit plus de tension, il consomme moins de courant avec la même sortie mécanique, ce qui semble être une bonne chose, mais en ce qui concerne le circuit magnétique, la situation est tout à fait différente. La raison en est que l'augmentation de la tension fait augmenter les pertes dans le noyau, le moteur surchauffe en interne malgré la baisse du courant et à très haute tension, la saturation du fer commence.
Les effets physiques d'une tension plus élevée
En plus de l'effet sur la charge, les augmentations de tension exercent également une pression sur le transformateur de quatre manières.
- Stress sur l'isolation. Le stress sur l'isolation augmente avec l'augmentation de la tension, et à mesure que le stress sur l'isolation augmente, la durée de vie de l'isolation diminue. En conséquence, un transformateur avec une tension d'enroulement plus élevée doit également avoir un niveau d'isolation de base plus élevé ; également, pour la même raison, la tension d'impulsion de foudre devient l'un des éléments de la spécification et non un détail.
- Décharge partielle. Lorsque le stress est suffisamment élevé, un vide ou un défaut au sein de l'isolation peut commencer à se décharger, ce qui entraîne une détérioration progressive de ce matériau. La décharge partielle sert de précurseur d'une défaillance mais ce n'est pas une défaillance en soi, et c'est l'un des effets secondaires de la surtension.
- Saturation du noyau et harmoniques. Lorsque le noyau est poussé au-delà de sa densité de flux magnétique de conception (le matériau et la configuration du noyau déterminent le niveau du flux magnétique que le noyau peut supporter), le courant de magnétisation devient déformé et commence à contenir des harmoniques impairs qui entraînent des pertes accrues, une température accrue, et peuvent entraîner des résonances ailleurs dans le système.
- Augmentation du bruit audible. La magnéostriction – le changement dimensionnel du noyau dû à la magnétisation – augmente également avec l'augmentation de la densité de flux ; ainsi, un transformateur en surtension produit un son audible significativement plus fort que le même transformateur à des niveaux de tension normaux.
Ces quatre phénomènes ont la caractéristique commune qui rend la surtension dangereuse : ils sont cumulatifs et pratiquement invisibles. Il arrive qu'un transformateur en surtension ne donne aucun signe de problème, il vieillit simplement plus rapidement, et la défaillance se produit plus tôt que prévu.
Augmentation de tension non intentionnelle : Les causes
Il y a quatre raisons principales pour lesquelles les niveaux de tension seront excessifs en dehors d'une élévation délibérée.
| Cause | Mécanisme | Comment le reconnaître | Réponse |
|---|---|---|---|
| Réglage incorrect du changeur de prises | La prise est réglée pour une tension d'alimentation différente de celle présente | Décalage constant et prévisible sur toutes les charges ; présent à tout moment | Réinitialiser la prise pour correspondre à l'alimentation réelle ; vérifier avec une mesure |
| Neutre perdu | La référence neutre flotte, donc la tension se divise entre les phases par l'impédance de charge | Les tensions sur deux phases s'additionnent à la tension de ligne complète ; certaines charges voient une haute tension tandis que d'autres voient une basse tension | Urgence : isoler et traiter comme un défaut d'alimentation |
| Effet Ferranti | Sur une ligne longue et légèrement chargée, le courant de charge capacitif élève la tension à l'extrémité de réception au-dessus de la tension à l'extrémité d'envoi | La tension augmente à mesure que la charge diminue ; pire la nuit ou pendant les périodes de faible demande | Compensation réactive, ou l'accepter si dans les limites |
| Résonance de banque de condensateurs | Les condensateurs de correction du facteur de puissance résonnent avec l'inductance du système, amplifiant la tension à une fréquence harmonique | Distorsion et augmentation de tension corrélées avec la commutation des condensateurs | Détuner ou retuner la banque ; enquêter sur les harmoniques |
| Retour d'alimentation PV ou de génération | La génération intégrée augmente la tension au point de connexion lors de l'exportation | La tension augmente lorsque la génération est élevée et que la charge locale est faible | Ajustement de prise de transformateur, régulation de tension ou limitation d'exportation |
La cause la plus simple est un changeur de prise défectueux. Si le changeur de prise est mal réglé, le transformateur fournira la tension attendue tout le temps, et la solution consisterait à le réinitialiser correctement après avoir déterminé la véritable tension d'entrée au lieu d'utiliser la valeur de tension nominale. Dans le contexte des changeurs de prise, il existe des changeurs hors circuit (peuvent être réglés uniquement lorsque le transformateur n'est pas alimenté) et des changeurs sous charge qui permettent d'effectuer leur opération sous charge et fonctionnent généralement conformément à un relais de régulation de tension.
L'effet Ferranti est une autre cause qui présente une surprise. Il est basé sur le fait qu'une ligne de transmission ou d'alimentation longue a une capacité répartie le long de sa longueur, et lorsque la ligne elle-même n'est pas beaucoup chargée, le courant capacitif circulant à travers l'inductance de la ligne fera augmenter la tension au lieu de diminuer. La nature de l'effet est proportionnelle à la longueur de la ligne et inversement proportionnelle à la capacité de charge, ce qui signifie que l'effet est le plus sévère en cas de longues lignes et de faibles charges, c'est pourquoi un problème de chute de tension peut se produire la nuit plutôt que lorsque la consommation est plus élevée.
Le cas de neutre perdu
Cette profondeur manquée est la raison pour laquelle il peut ne pas y avoir de distinctions générales entre cette cause et d'autres raisons similaires, car la réponse est différente par nature, à savoir une crise plutôt qu'un ajustement.
Dans le cas d'une alimentation à phase divisée, le point central du transformateur fournit le neutre, ce qui maintient les deux tensions ligne-neutre à leurs niveaux normaux. Si la connexion neutre est lâche, corrodée ou ouverte à un point quelconque, comme au transformateur, dans la chute de service, au weatherhead, à la base du compteur ou dans le panneau, la référence est perdue. Les deux conducteurs de ligne plus les charges connectées entre eux et le neutre sont en série pour toute la tension de ligne, et la tension est répartie en fonction des impédances des charges de chaque côté.
L'effet résultant est qu'une tension augmente d'un côté et diminue de l'autre côté. Ainsi, les charges dans la branche légèrement chargée prendront des tensions presque égales à la tension de ligne complète, tandis que les appareils sur la branche fortement chargée noteront presque aucun changement de tension. Les différences de tension sont dues à la nature des appareils électriques, car chaque fois qu'un appareil électrique est allumé, l'équilibre est modifié. Le symptôme clé est des appareils brûlés d'un côté et des appareils sous-performants de l'autre côté en parallèle.
C'est pourquoi un neutre perdu doit être considéré comme une urgence de l'alimentation et non comme un problème de régulation. Les dispositions de protection qui limitent les dommages dans de tels événements, et le rôle du neutre dans le schéma de mise à la terre, sont couverts dans notre guide sur bases de mise à la terre des transformateurs.
Comment la tension est contrôlée
Le contrôle de la tension est intégré dans le système à plusieurs étapes, car les variations de tension attendues et inattendues sont importantes.
- Changeurs de prise. Les prises hors circuit définissent le rapport de tension et les changeurs de prise sous charge modifient le rapport sans interrompre le circuit électrique sous la supervision du régulateur de tension automatique.
- Régulateurs de tension automatiques et compensateurs. Ils mesurent la tension dans le système et changent de prise pour maintenir la tension dans la plage avec une zone morte pour éviter la chasse.
- Compensation réactive. Les condensateurs et réacteurs régulent l'énergie réactive qui cause des variations de tension dues à la charge, une batterie désaccordée élimine le problème de résonance.
- Mesures de tension et protection. Le relais de surtension interrompt le circuit ou indique la survenance d'un niveau de tension en dehors de la plage acceptable—dernière opportunité pour la protection contre les surtensions.
- Para-foudres. Ils éliminent les surtensions provenant de la foudre et des actions de commutation et ne permettent pas à l'isolation de fonctionner au-delà de son niveau d'impulsion.
- Calcul approprié au début. Choisir le transformateur de la classe d'isolation et de l'impédance nécessaires ainsi que la plage de changement de prises pour les conditions d'alimentation réelles prévient la plupart des problèmes décrits dans cet article car c'est la raison pour laquelle la spécification est l'étape la plus importante.
Pour un site installant ou remplaçant un transformateur de distribution, l'étape pratique consiste à spécifier par rapport à la tension d'alimentation mesurée et au profil de charge attendu plutôt que par rapport à des chiffres nominaux. Notre gamme de transformateurs de distribution illustre les paramètres qui devraient être précisés — tensions nominales, plage de prises, impédance, niveau d'isolation et classe de refroidissement — car chacun d'eux détermine comment l'unité se comporte lorsque l'alimentation n'est pas exactement nominale.
Limites de tension et normes
Les services publics ne tentent pas de maintenir une tension constante ; au lieu de cela, ils la maintiennent dans une plage et l'étendue de cette plage définit quel type de variations l'équipement peut supporter.
En Amérique du Nord, la principale spécification utilisée est ANSI C84.1, qui spécifie par exemple les services publics de la soi-disant Plage A (environ ±5% du nominal) comme une plage dans laquelle l'équipement est censé fonctionner et qui est appelée Plage B ou (environ ±5.5%) plage qui est censée être tolérée mais pas soutenue. Si nous prenons un service de 120 V, nous obtenons environ 114-126 V pour la Plage A et si nous prenons des services de 240 V, nous obtenons environ 228-252 V.
En Europe, la norme EN 50160 spécifie les caractéristiques de tension de la tension en usage et qui indique une tension nominale de 230 V et des variations autorisées dans l'espace environnant d'environ ±10% pendant la plupart du temps et également avec des restrictions sur les harmoniques, le scintillement et le déséquilibre. L'équipement capable dans les circuits conçus pour le marché européen sera en mesure de fonctionner avec ces caractéristiques de bande de la tension.
Pratiquement, cela signifie que la tension nominale est probablement une moyenne plus précisément définie de la tension requise du transformateur. Le transformateur doit être choisi de manière à fournir la tension correcte (tension nominale) à un certain point de la bande de tension d'alimentation disponible et pour que l'isolation fonctionne normalement au niveau supérieur de cette bande et pour que la charge soit compatible avec le calcul de cette variation. Dans le cas où quelque chose se produit dans l'alimentation et si l'alimentation d'une entreprise a toujours été proche d'un bord de bande, il serait préférable d'ajuster la prise.
FAQ
Comment un transformateur augmente-t-il la tension ?
Utilisant l'induction électromagnétique et le rapport de transformation pour un transformateur électrique. Il génère un champ magnétique dans le noyau magnétique à travers le processus d'induction de courant. Dans le cas où l'enroulement secondaire du transformateur a plus de tours que l'enroulement primaire, la tension induite est proportionnellement élevée, ce qui signifie que le rapport Vs/Vp = Ns/Np s'applique. Il n'y a pas de connexion logique entre les branches et l'énergie n'est pas produite, ainsi le transformateur effectue le transfert de puissance électrique dans un circuit différent avec une altération du rapport tension – courant en même temps.
Qu'est-ce qui pourrait provoquer une haute tension dans un transformateur ?
Il y a quatre raisons principales. Un changeur de prises mal réglé entraînera un décalage de tension constant indépendamment de la situation et peut être corrigé en réinitialisant la prise en fonction de la tension d'alimentation mesurée. Un neutre interrompu provoquera la dérive du neutre de référence, entraînant ainsi une augmentation de la tension dans une phase mais une diminution dans une autre, ce qui signifie qu'il s'agit d'une urgence d'alimentation plutôt que d'un ajustement. L'effet Ferranti entraînera une augmentation de la tension à la sortie en raison de la charge capacitive dans de longues lignes non chargées, atteignant le pic avec une charge minimale. La résonance de la batterie de condensateurs et l'inductance du système augmenteront la tension. Le projet de générateur intégré exportera également de l'énergie dans des systèmes non chargés, ce qui en fait une cause plus fréquente d'augmentation de la tension de nos jours.
Que se passe-t-il si la tension augmente ?
Le scénario peut être décrit comme suit : Dans le cas d'un transformateur fonctionnant sous une charge constante sous laquelle le courant augmente, le courant sera inversement proportionnel à cette charge, car un transformateur peut fournir de l'énergie sans la générer. Les charges constantes consommeront de l'énergie comme une charge résistive, obtenant environ 10 pour cent de chaleur supplémentaire sous 5 pour cent de surtension. La puissance varie en proportion directe avec la tension au carré ; par conséquent, une charge résistive réduira la durée de vie de l'élément chauffant. Les pertes dans le noyau des moteurs et le courant de magnétisation augmentent tandis que le courant de fonctionnement peut diminuer, donc le moteur sera plus chaud au centre. L'isolation sera soumise à une tension électrique plus élevée et s'usera plus rapidement, donc avec une surcharge prolongée, il y a des chances de décharges. La saturation se produit dans les transformateurs et les moteurs, donc ils génèrent des harmoniques ainsi que de la chaleur. Et dans tous les cas, le transformateur derrière celui affecté aura un bourdonnement plus fort à haute densité de flux.
Comment un transformateur affecte-t-il la tension ?
Le transformateur électrique gère la proportion des tensions dans les circuits primaire et secondaire grâce au rapport de transformation, et dans ce mécanisme, il remplit trois fonctions majeures. Tout d'abord, le transformateur élève ou abaisse la tension, selon le circuit qui a un plus grand nombre de tours. Ensuite, il effectue une régulation de la tension pas très efficace, car lorsque la charge augmente, la tension de sortie diminue en raison de la chute de la tension d'impédance par rapport à la valeur du courant, qui est exprimée en pourcentage d'impédance sur la plaque signalétique. Enfin, le transformateur dispose de prises pour réguler la tension soit hors du circuit lors de l'installation, soit lorsque le relais commence à fonctionner. La tension à la sortie du transformateur dépendra non seulement de son fonctionnement, mais aussi du profil de charge et de l'état du réseau d'alimentation.
L'augmentation de la tension réduit-elle les pertes ?
La réponse dépend de l'endroit où les pertes sont prises en compte, soit dans la ligne de transmission, soit à l'extrémité de réception. Pour une quantité fixe de puissance, l'augmentation de la tension réduit le courant, et les pertes résistives dans un conducteur dépendent du carré du courant, ce qui entraîne une diminution significative des pertes de transmission. Cependant, cet effet ne se produit que dans la partie de transmission de la ligne. Une fois la tension augmentée lorsque la puissance est consommée, la charge résistive consommera plus de puissance et augmentera les pertes dans la charge. Il est important de faire la distinction entre ces deux conditions ; par conséquent, une haute tension peut être considérée comme efficace pour transmettre la puissance et en même temps, une surtension entraîne des pertes d'énergie et même une durée de vie de service plus courte des équipements utilisés.
Références
- IEEE — Normes de charge et de coordination de l'isolation des transformateurs
- Commission électrotechnique internationale — IEC 60076 Transformateurs de puissance et IEC 60038 Tensions standard
- ANSI — ANSI C84.1 Systèmes et équipements électriques — Évaluations de tension
- CENELEC — EN 50160 Caractéristiques de tension de l'électricité fournie par les réseaux publics
- U.S. Department of Energy — Qualité de l'énergie et directives sur les systèmes de distribution
Conclusion
Lorsqu'il s'agit d'augmenter la tension dans un transformateur, il est évident que la tension de sortie dépendra du rapport de transformation. Le courant de sortie diminuera également dans le même rapport que l'augmentation de la tension en raison du fait que les transformateurs transfèrent de l'énergie au lieu de la générer. Après avoir rencontré la tension de sortie plus élevée, la prochaine étape consiste à considérer quel effet cela aura sur l'équipement qui fonctionne avec. Les installations résistives nécessiteront plus de puissance avec la tension au carré et produiront plus de chaleur. Les moteurs fonctionneront avec moins de courant et des pertes de noyau accrues. Une tension plus élevée entraînera un vieillissement plus rapide de l'isolation, plus de bruit et des harmoniques excessives si la tension dépasse sa valeur seuil. En ce qui concerne l'augmentation de la génération de cette haute tension, l'ensemble du système est conçu selon cet ensemble de paramètres tels que l'isolation, le rapport de transformation et le point de prélèvement. Lorsque la génération de haute tension est involontaire, sa cause profonde détermine quelle solution appliquer. Par exemple, remettre le point de prélèvement défectueux à la valeur par défaut ou compenser l'effet Ferranti.