Transformateurs spéciaux

Électrotechnique

Dans les applications industrielles, on rencontre un grand nombre de transformateurs de construction spéciale. La plupart possèdent les propriétés de base que nous avons étudiées dans le chapitre précédent :

1. La tension induite dans un enroulement est proportionnelle au nombre de spires;

2. Lorsque le transformateur est en charge, les ampères.tours du primaire sont égaux aux ampères-tours du secondaire ;

3 . Le courant d'excitation est négligeable par rapport à la valeur du courant de pleine charge du primaire.

Cependant, lorsque le couplage entre le primaire et le secondaire est relativement faible, et lorsque le courant d'excitation est élevé, ces relations ne tiennent plus.

Dans ces circonstances, on doit utiliser le circuit équivalent complet pour décrire le comportement du transformateur.

Nous étudierons vers la fin de ce chapitre les propriétés de ce type de transformateur. Cette analyse est particulièrement utile car elle nous permettra de comprendre les circuits couplés quelconques .

Transformateur à secondaire double

La plupart des transformateurs destinés à la distribution de l'énergie électrique chez les clients domiciliaires ont un enroulement à haute tension (le primaire) et un double enroulement à basse tension.

Les deux secondaires sont raccordés en série de sorte que la tension entre chacun des fils extérieurs et le fil central est de 120V, tandis qu'elle est de 240V entre les deux fils extérieurs (Fig. 31-1).

Figure 31-1 Transformateur de distribution à secondaire double de 14,4 kV à 240/120 V. Le neutre N est habituellement mis à la terre

Le fil central (appelé neutre) est généralement mis à la terre. Nous verrons à la section Distribution de l'énergie électrique l'avantage d'un tel système de distribution à 120V/240V.

Ces transformateurs sont souvent suspendus sur les poteaux de la compagnie d'électricité et chacun alimente un, deux et parfois jusqu'à une vingtaine de clients (Fig. 31-2).

Figure 31-2 Transformateur de distribution de 100 kVA, 14,4 kV à 240/120 V. Le primaire est branché entre la terre et une des trois phases au sommet du poteau

L'appel de puissance imposé par les clients fait varier beaucoup la charge de ces transformateurs de distribution au cours de la journée.

Dans les secteurs résidentiels, la crête de puissance a lieu le matin, et une autre se produit entre 5 h et 7 h du soir. Comme la durée de l'appel de puissance maximal n'excède jamais 2 heures, ces transformateurs fonctionnent la plupart du temps à faible charge.

Étant donné que des dizaines de milliers de ces transformateurs sont branchés sur le réseau, on cherche à minimiser leurs pertes à vide. On atteint cet objectif en utilisant des noyaux en acier de très haute qualité .

Autotransformateur

On appelle autotransformateur, un transformateur composé d'un enroulement unique monté sur un noyau d'acier. La haute tension est appliquée à l'enroulement complet et la basse tension est obtenue entre une extrémité de l'enroulement et une prise intermédiaire.

Soit un autotransformateur (Fig. 31-3) composé d'un enroulement AB de N₁ spires monté sur un noyau de fer.

Figure 31-3 Autotransformateur ayant N₁ spires entre les bornes A et B et N₂ spires entre les bornes A et C

L'enroulement est raccordé à une source de tension constante E_g. Le courant d'excitation crée un flux et, comme dans tout transformateur, ce flux demeure constant tant que E_g est constante.

Supposons que l'on sorte une prise C entre les extrémités A et B de l'enroulement, et que N₂ spires soient comprises entre les bornes A et C. Comme la tension induite est proportionnelle au nombre de spires, la tension entre ces bornes est :

E₂ = N₂ / N₁ x E₁    (31-1)

Cette relation est la même que celle obtenue avec un transformateur conventionnel à deux enroulements ayant N₁ et N₂ spires.

Cependant, comme les enroulements primaire AB et secondaire AC ont une borne commune A, ils ne sont plus isolés.

Si l'on branche une charge aux bornes C et A, le courant I₂ provoque la circulation d'un courant I₁ au primaire (Fig. 31-4).

Figure 31-4 Dans un autotransformateur on a N₁I₁=  N₂I₂ et E₁I₁=  E₂I₂.

La section BC de l'enroulement porte le courant I₁.

D'après la deuxième loi de Kirchhoff, appliquée au noeud A, la section CA porte un courant (I₂ .I₁).

De plus, la FMM créée par I₁ doit être égale et opposée à celle produite par (I₂ .I₁).

On a donc:

I₁(N₁ .N₂) = (I₂ .I₁)N₂

soit:

N₁I₁=  N₂I₂     (31-2) 

Enfin, si l'on suppose que les pertes et le courant magnétisant sont négligeables, la puissance apparente absorbée par la charge doit être égale à celle fournie par la source.

Par conséquent,

E₁I₁=  E₂I₂    (31-3) 

On constate que les équations (31-1), (31-2) et (31-3) sont identiques à celles obtenues avec un transformateur conventionnel ayant un rapport de transformation N₁ / N₂.

Cependant, dans un autotransformateur, l'enroulement secondaire fait partie de l'enroulement primaire. Il s'ensuit qu'un autotransformateur est plus petit, moins lourd et moins coûteux qu'un transformateur conventionnel de même puissance.

Cette économie devient particulièrement importante lorsque le rapport de transformation E₁ / E₂ se situe entre 0,5 et 2.

Par contre, l'absence d'isolation entre la haute tension et la basse tension constitue parfois un grand inconvénient.

Les autotransformateurs servent au démarrage à tension réduite des moteurs, à la régulation de la tension des lignes de distribution et, en général, à la transformation de tensions de valeurs assez rapprochées.

Exemple 31-1

Un autotransformateur ayant une prise de 80% est connecté à une source de 300V (Fig. 31-5).

Figure 31-5 Voir exemple 31-1

Une charge do 3600 W est branchée aux bornes du secondaire.

Calculer:

a) la tension et le courant de la charge

b) les courants circulant dans les parsies BC et CA de l'enroulemnt

c) la Grosseur relative des conducteurs des enroulements BC et CA

Solution

a) Tension au secondaire:

E₂ = 80 % x 300 = 240V

Courant dans la charge:

I₂ = P / E₂ = 3600W  / 240V= 15A

b) Courant fourni par la source:

I = P / E₁ = 3600W / 300V = 12A

Courant dans la partie BC de l'enroulement:

I_BC = I₁ = 12A

Courant dans la partie CA:

I_CA = I₂ .I₁ = 15A .12A = 3A

c) La section des conducteurs de la partie CA de l'enroulement peut être réduite au quart de celle de la partie BC, car le courant y est 4 fois plus petit.

Cependant, comme la partie CA a 4 fois plus de spires, les deux parties de l'enroulement utilisent à peu près la même quantité de cuivre.

Transformateur conventionnel monté en autotransformateur

Un transformateur à deux enroulements peut être monté en autotransformateur; il suffit de relier le secondaire en série avec le primaire.

Selon le mode de connexion la tension secondaire peut s'ajouter à la tension primaire ou se soustraire de celle-ci.

Considérons, par exemple, un transformateur ayant un rapport de transformation de 600V à 120V.

Les bornes des enroulements et les marques de polarités sont montrées à la Fig. 31-6a.

Figure 31-6

a. Transformateur conventionnel de 600 V/120 V.

b. Transformateur raccordé en autotransformateur de 600 V/480V.

c. Transformateur raccordé en autotransformateur de 600 V/720V

Lorsqu'il est connecté de la façon indiquée à la Fig. 31-6b, c'est-à-dire quand les bornes de même polarité sont reliées ensemble, la tension secondaire se soustrait de la tension primaire :

E₂ = 600V .120V = 480V

Par contre, si deux bornes de polarités contraires sont reliées ensemble, les deux tensions s'ajoutent (Fig. 31.6c) :

 E₂ = 600V + 120V = 720V

Lorsqu'on utilise des transformateurs conventionnels comme autotransformateurs, il est important de se sou.venir des règles suivantes :

1 . Le courant dans un enroulement ne doit pas dépasser la valeur nominale

2. La tension aux bornes d'un enroulement ne doit pas être supérieure à la valeur nominale

3. Si le courant nominal circule dans un enroulement, le courant nominal circule automatiquement dans l'autre. (Ceci découle de l'égalité des ampères-tours dans les deux enroulements.)

4.Si la tension nominale apparaît aux bornes d'un enroulement, la tension nominale correspondante apparaît automatiquement aux bornes de l'autre.

5. Si un courant I₁ entre par une borne H₁, un courant I₂ doit sortir par la borne X₁ et vice versa

Exemple 31-2

Le transformateur montré à la Fig. 31-6a a une puissance nominale de 12 kVA.

Calculer la charge maximale qu'on peut en tirer s'il est monté en autotransformateur ayant un rapport de transformation de 600V à 480V.

Le courant nominal dans l'enroulement de 600V est :

I = S / E₁ = 12 000 VA / 600V = 20A

Le courant nominal dans l'enroulement de 120V est:

I₂ = S / E₂ = 12000 VA = 100A

La Fig. 31-7a donne les connexions pour la transformation de 600V à 480V; le circuit est représenté schématiquement à la Fig. 31-7b.

Figure 31-7

a. Autotransformateur de 600 V/480V sous charge.

b. Schéma montrant les courants dans le montage et dans les enroulements.

On remarque que la charge est raccordée directement en série avec l'enroulement de 120V.

Puisque cet enroulement peut débiter un courant de 100A, la charge peut tirer une puissance maximale de:

S_charge = EI₂ = 480V x 100A = 48 kVA

La répartition des courants à pleine charge est indiquée sur le schéma de la Fig . 31-7b.

On constate que:

1 . le courant de 100A entre par la borne X₁ ; il faut donc que le courant de 20A sorte par la borne H₁. Il s'ensuit qu'un courant de 80 A doit circuler dans la source;

2. La puissance fournie par la source est bien égale à celle absorbée par la charge:

S_source = E₁I₁ = 600V X 80A = 48 kVA

Cet exemple démontre que le transformateur conventionnel monté en autotransformateur peut alimenter une charge beaucoup plus grande que la capacité nominale du transformateur.

Cependant, cela dépend du genre de connexion utilisé.

Ainsi, supposons que l'on désire monter le transformateur de l'exemple précédent en autotransformateur ayant un rapport de 120V à 480V (Fig. 31-8).

Figure 31-8 La charge maximale qu'un autotransformateur peut supporter dépend du rapport de transformation désiré

Dans ce cas, la charge est en série avec l'enroulement Hl H2. Comme ce dernier peut supporter un courant maximal de 20 A, la puissance de la charge ne peut donc dépasser:

S_charge = 480V x 20A = 9,6 kVA

soit une capacité inférieure à la capacité nominale du transformateur.

Ce transformateur atteindra la même température dans les montages des Fig. 31-7 et 31-8 car les courants et les tensions supportés par les enroulements restent les mêmes dans les deux cas.

Transformateurs de tension

Les transformateurs de tension sont des transformateurs de haute précision dont le rapport de transformation varie très peu avec la charge.

De plus, la tension secondaire est en phase avec la tension au primaire à une fraction de degré près. Les transformateurs de tension sont utilisés sur les lignes à haute tension pour alimenter des appareils de mesure (voltmètres, wattmètres, etc.) ou de protection (relais).

Ils servent (1) à isoler ces appareils de la haute tension et (2) à les alimenter à des tensions appropriées.

Le rapport de transformation est choisi de façon que la tension secondaire soit d'une centaine de volts, ce qui permet l'utilisation d'instruments de fabrication courante (0-150 V) pour la mesure de tensions élevées (Fig . 31-9).

Figure 31-9 Montage d'un transformateur de tension utilisé pour mesurer la tension sur une ligne à 69 kV

Le primaire des transformateurs de tension est branché en parallèle avec le circuit dont on veut connaître la tension. Leur construction diffère très peu de celle des transformateurs conventionnels.

Cependant, leur puissance nominale est généralement faible (inférieure à 500 VA), de sorte que le volume de l'isolation dépasse souvent celui du cuivre et de l'acier. Les transformateurs de tension installés sur les lignes HT sont toujours raccordés entre une ligne et le neutre.

Cela élimine la nécessité d'utiliser deux grosses bornes en porcelaine car un côté de l'enroulement HT est raccordé à la terre. Par exemple, la Fig. 31-10 montre un transformateur utilisé sur une ligne à 138 kV.

Figure 31-10 Transformateur de tension de 7000 VA, 80,5 kV, 50 Hz à 60 Hz. Une borne primaire est raccordée à une ligne H .T. et l'autre à la terre. Le secondaire comprend 2 enroulements de 115 V ayant chacun une prise à 66,4 V.

Autres caractéristiques - précision : 0,3 %; BIL: 650 kV; hauteur totale: 2565 mm; hauteur de la borne en porcelaine: 1880 mm; huile: 250 litres; masse: 740 kg (gracieuseté de Ferrant,)

Il comprend une grosse borne (traversée) en porcelaine afin d'isoler la ligne haute tension du boîtier qui est mis à la terre. Ce dernier renferme le transformateur proprement dit.

On doit toujours connecter un des fils de l'enroulement secondaire à la masse, sans quoi on risque de prendre un choc électrique en touchant l'instrument de me- sure ou un de ses fils de raccordement.

En effet, bien que le secondaire paraisse isolé du primaire, la capacitance distribuée entre les deux enroulements effectue une connexion invisible qui peut produire au secondaire une tension très élevée par rapport au sol si l'on néglige de la raccorder à la masse (Fig . 31-9).

Transformateurs de courant