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 | Conversion de tension de dernier kilomètre |
| Transformateur de puissance / GSU | ONAN/ONAF/OFAF | 10–1 000 MVA | Transmission et génération |
| Transformateur à noyau amorphe | Acier amorphe immergé dans l'huile | 50–2 500 kVA | Applications à faible perte à vide |
| Spécialité (redresseur, four, décalage de phase) | Huile ou sec | 1–200 MVA | Charges de processus industriels |
Spécifications typiques des transformateurs à induction
En se référant au principe de fonctionnement, la plaque signalétique révèle toutes les informations sur la conception de l'appareil à induction. Un système de distribution standard de 1 000 kVA, 10/0,4 kV a ces valeurs :
| Paramètre | Valeur commune | Référence standard |
|---|---|---|
| Puissance nominale | 100–2 500 kVA (sur commande) | IEC 60076-1 |
| Rapport de tension | 10 kV / 0,4 kV (exemple) | IEC 60076-1 |
| Groupe vectoriel | Dyn11 | IEC 60076-1 |
| Tension d'impédance | 4–6% à courant nominal | IEC 60076-5 |
| Pertes à vide | 1,4–2,4 kW | IEC 60076-1 / Classes d'énergie ISO |
| Perte de charge à 120 °C | 8–13 kW | IEC 60076-1 |
| Plage de prises | ±2×2.5% ou ±5% | IEC 60076-1 |
| Classe de refroidissement | ONAN (augmentation de 50–63 °C) | IEC 60076-2 |
Meilleures marques et gammes de prix pour les transformateurs de puissance
Sur le marché, il n'y a que quelques entreprises mondialement reconnues qui créent des produits étonnants. ABB (actuellement ABB Ltd) et Hitachi Energy détiennent une position dominante dans la conception des générateurs et des transformateurs HVDC ; Siemens Energy et GE Vernova sont connus pour leurs systèmes ultra-haute tension et de grande puissance ; Schneider Electric et Eaton se concentrent sur l'industrie de la distribution et les transformateurs à sec. Leurs appareils coûtent généralement plus cher et ont des délais de réalisation plus longs. Dans ce contexte, les fabricants chinois gagnent des parts de marché élevées dans le secteur de la distribution mondiale et des équipements de puissance moyenne, en tirant parti des avantages découlant de la conformité aux normes IEC 60076 et des coûts de production inférieurs.
Une entreprise appelée Jiangsu Subian Electric Power fait partie de ces fabricants. Elle produit à la fois des transformateurs immergés dans l'huile et des transformateurs à sec avec une puissance allant de 10 kVA à des dizaines de MVA, qui répondent aux exigences de la norme IEC 60076. L'entreprise fournit des produits à plus de 40 pays à travers le monde. Les clients contactent directement les usines pour régler des questions liées aux transformateurs telles que les groupes de vecteurs, les plages de prises, les pertes ou la conception de refroidissement. En conséquence, dans le cas où la théorie de l'induction n'est pas sujette à négociation, mais que le budget est fixe, Subian peut offrir une production vérifiée soutenue par des contributions d'ingénierie et un suivi. Les prix sont indiqués dans le tableau ci-dessous.
| Marque | Force | Plage de prix typique (échelle de distribution) |
|---|---|---|
| ABB | Leader mondial en ingénierie électrique | $15 000–$80 000+ |
| Hitachi Energy | Spécialiste GSU et HVDC | $20 000–$150 000+ |
| Siemens Energy | Capacité ultra-haute tension | $18 000–$120 000+ |
| Schneider Electric | Distribution à sec et intelligente | $10 000–$45 000 |
| Eaton | Unités de distribution et industrielles | $8 000–$30 000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Usine IEC 60076, prix compétitifs | $4 000–$60 000 (typique), les prix varient selon les spécifications et la région |
Les prix sont des fourchettes FOB indicatives pour des unités de 250–5 000 kVA et varient selon la puissance, le prix du cuivre, le type de refroidissement et la destination.
Comment choisir un transformateur en utilisant le principe de fonctionnement
- Il est important de vérifier les exigences de rapport de transformation du système. Vérifiez ce qui est indiqué dans l'accord de connexion au réseau concernant la tension d'entrée et de sortie ainsi que pour la plage de prises acceptable (±5%).
- Étalon kVA avec charge réelle. Additionnez les charges connectées, appliquez la diversité (0,6—0,9 en moyenne), et augmentez le résultat de 10—20% pour tenir compte de la croissance future. Un dimensionnement inadéquat augmente les pertes à vide. Un sous-dimensionnement entraîne une réduction de l'espérance de vie de l'équipement.
- Sélectionnez le noyau et l'enroulement en fonction de vos exigences en matière d'efficacité. L'acier au silicium orienté à grain de haute qualité et les enroulements en cuivre plus coûteux entraînent des coûts de développement plus élevés mais permettent de réduire les pertes.
- Confirmez l'impédance ainsi que le groupe vectoriel avec l'ingénieur système. Un phasor ou une impédance incorrects entraînent des problèmes de fonctionnement en parallèle et de réglage de protection.
- Vérifiez les normes applicables. Vous pouvez demander des rapports d'essai confirmant la conformité avec la norme IEC 60076 en termes de rapport, d'impédance, de pertes, d'essais diélectriques, etc.
- Faites des comparaisons en termes de coût total de possession plutôt qu'en fonction du prix. Pour ce faire, comparez la valeur actuelle des pertes futures sur 20-30 ans par rapport aux tarifs locaux avant de faire un choix entre les devis.
Conseils d'entretien liés à la physique de l'induction
- Surveillez le courant excitant. Un courant croissant à la tension à vide indique qu'il y a dégradation du noyau magnétique ou qu'un enroulement peut être cassé ; cela doit être immédiatement examiné avant qu'une défaillance ne se produise.
- Surveillez la température de l'huile et le niveau de gaz dissous. Le DGA indique une surchauffe des enroulements isolés même avant qu'une défaillance ne se produise ; il suffit de vérifier l'huile une fois par an pour les unités ayant une capacité supérieure à 1 MVA.
- Vérifiez le rapport après chaque changement de prise. Le rapport de transformation doit être vérifié à nouveau après le changement de prise ; le changement de rapport de 2.5% entraîne des changements immédiats dans les relevés.
- Rendre le refroidissement efficace possible. La perte d'induction doit être éliminée du système de refroidissement ; sinon, des radiateurs obstrués ou des ventilateurs cassés augmenteraient la température dans les enroulements au-dessus des critères de 65–70 °C, ce qui entraîne un doublement du processus de vieillissement pour chaque augmentation anormale de 8–10 °C de la température.
Questions Fréquemment Posées
Pourquoi un transformateur fonctionne-t-il uniquement en AC et pas en DC ?
Pour que l'induction électromagnétique se produise, il est nécessaire d'avoir un flux magnétique variable. Le courant continu donne un flux magnétique constant et la tension secondaire tombe à zéro immédiatement après l'application du DC. Si le courant DC est appliqué en continu à un transformateur, le noyau du transformateur sera saturé et un courant élevé sera tiré.
Quelle est la relation volts-par-tour en pratique ?
La tension moyenne pour un noyau de distribution de circuit est d'environ 5–15V par enroulement. Dans un système secondaire de 400V, environ 30-80 enroulements sont nécessaires, tandis qu'une utilisation de 10kV du même noyau peut nécessiter environ 25 fois plus d'enroulements, soit environ 750-2000 enroulements. Les systèmes nécessitant une tension plus élevée mettront plus d'enroulements sur le même noyau, ce qui nécessitera évidemment plus d'isolation également.
Comment vérifier le rapport du transformateur avant l'achat ?
Le rapport de test de routine doit être demandé conformément à la norme IEC 60076-1, qui contient un résumé du test de rapport de tours sur toutes les prises. Vous pouvez vérifier cela à la livraison à l'aide d'un mètre de rapport portable, ce qui nécessitera une enquête si cela dépasse la plaque signalétique de 0.5%.
Pourquoi l'efficacité est-elle plus élevée à des puissances nominales plus élevées ?
Les pertes dans le stator, qui sont liées à la surface dimensionnelle et à la zone du conducteur principal, plutôt qu'au volume total du générateur, dépassent les pertes liées à la puissance. Ainsi, l'efficacité d'un générateur de 100 kVA peut être égale à 97% tandis que celle d'un générateur dépassant 100 MVA peut être d'environ 99.6%.
Le même transformateur peut-il être utilisé à la fois comme élévateur et abaisseur ?
Certainement, d'un point de vue électrique, les enroulements peuvent être interchangeables, mais la plage de prises, le groupe vectoriel et la conception de protection sont définis pour fonctionner dans une seule direction. Bien qu'il soit possible de faire fonctionner l'unité de distribution à l'envers (en alimentant le côté 0.4 kV), cela n'est pratique qu'à une puissance réduite et une étude d'ingénierie de l'unité est conseillée avant d'envisager cette option.
Références
- IEC — Commission électrotechnique internationale — éditeur de la série de transformateurs de puissance IEC 60076 régissant la conception et les tests.
- IEEE — source de normes de transformateurs et de pratiques opérationnelles, y compris la série IEEE C57 pour les transformateurs de puissance et de distribution.
- NEMA — normes d'équipement électrique nord-américaines, y compris les classifications et l'efficacité des transformateurs.
- Administration de l'information sur l'énergie des États-Unis — données publiques sur l'utilisation de l'énergie des transformateurs et l'efficacité de transmission.
- U.S. DOE — Programmes d'efficacité des transformateurs — conseils sur l'évaluation des pertes et la sélection de transformateurs écoénergétiques.
- Electrical4U — références éducatives sur la loi de Faraday, le rapport de transformateur et la théorie de l'induction.
Conclusion
Le fonctionnement du transformateur est basé sur le principe d'une théorie sophistiquée de l'induction électromagnétique — c'est un concept applicable dans le domaine de la production d'énergie. La loi de Faraday informe sur les rapports de tours, les équations de tension et les dépendances de courant ; par la suite, tout le reste est simplement l'interprétation technique de la théorie physique. Il est essentiel de vérifier le rapport du transformateur en fonction des exigences du réseau, de la demande réelle de puissance de la charge et des pertes estimées. Lors de la décision d'acheter un transformateur, la meilleure idée est d'opter pour celui fabriqué conformément aux normes IEC 60076 avec la preuve pertinente de test. Visitez www.subian-electric.com avec vos détails de tension et de charge, et l'équipe d'ingénierie de l'usine vous aidera à dimensionner le transformateur correct pour votre site.