Un transformateur transfère de l'énergie électrique entre des circuits par induction électromagnétique. Sa fonction pratique est de modifier la tension et le courant à des niveaux qui rendent la production, le transport, la distribution et l'utilisation finale de l'énergie sûrs et efficaces. Comprendre la relation entre les transformateurs et les systèmes électriques aide les ingénieurs à choisir le bon rapport de tension, la bonne capacité, la bonne isolation et la bonne protection. Ce guide explique ce que font les transformateurs électriques, comment ils fonctionnent, les principaux types de transformateurs et les informations que les acheteurs doivent définir avant de sélectionner l'équipement pour un projet réel.
Pour les projets industriels et de services publics, “ transformateur ” peut désigner n'importe quoi, d'un petit transformateur de commande à une unité de sous-station de plusieurs mégavolt-ampères. Le même principe physique s'applique, mais la construction, l'isolation, la méthode de refroidissement, le schéma de protection, l'environnement d'installation et les exigences d'approvisionnement peuvent être très différents.
Que fait un transformateur ?
Un transformateur modifie la tension du courant alternatif tout en maintenant la fréquence d'alimentation pratiquement inchangée. Dans un transformateur idéal, la puissance entrant dans l'enroulement primaire est égale à la puissance sortant de l'enroulement secondaire. Un transformateur réel présente des pertes, de sorte que la puissance de sortie est légèrement inférieure à la puissance d'entrée.
La relation entre la tension et le nombre de spires est généralement exprimée ainsi :
V1 / V2 = N1 / N2
Ici, V représente la tension et N le nombre de tours de chaque enroulement. Si le secondaire a plus de tours que le primaire, l'appareil est un transformateur élévateur. S'il a moins de tours, c'est un transformateur abaisseur.
Le courant varie dans le sens opposé. Lorsque la tension est augmentée, le courant est réduit pour un niveau de puissance approximativement égal. C'est pourquoi la haute tension est utilisée pour le transport sur de longues distances : un courant plus faible réduit les pertes dans les conducteurs. Près de la charge, les transformateurs de distribution réduisent la tension au niveau requis par les usines, les bâtiments commerciaux, les centrales d'énergie renouvelable et les réseaux de distribution locaux.
Comment fonctionne un transformateur électrique
Une tension alternative appliquée à l'enroulement primaire produit un flux magnétique alternatif dans le noyau feuilleté ou bobiné. Ce flux changeant relie l'enroulement secondaire et induit une tension. Les deux enroulements sont électriquement séparés dans la plupart des conceptions, mais ils sont couplés magnétiquement par l'intermédiaire du noyau.
Le noyau offre un chemin contrôlé pour le flux magnétique. L'acier électrique à grains orientés est largement utilisé car il réduit les pertes par hystérésis et par courants de Foucault. Les conducteurs des enroulements sont normalement en cuivre ou en aluminium. L'isolation entre les spires, les enroulements, le noyau et la cuve doit supporter la tension de service, les contraintes de commutation, la température et l'environnement de service prévu.
Un transformateur nécessite un flux magnétique variable, de sorte qu'un transformateur de puissance classique ne fonctionne pas avec un courant continu (DC) constant. Appliquer du courant continu à un transformateur alternatif (AC) peut provoquer un courant excessif, une surchauffe et des dommages. Les convertisseurs CC électroniques peuvent utiliser des transformateurs à haute fréquence en interne, mais ils commutent d'abord le courant continu en une forme d'onde variable.
Caractéristiques principales des transformateurs que les acheteurs doivent comprendre
kVA ou MVA
La capacité des transformateurs est exprimée en voltampères plutôt qu'en watts parce que l'échauffement dépend de la tension et du courant, tandis que la charge connectée détermine le facteur de puissance. Un transformateur de 1 000 kVA ne fournit pas automatiquement 1 000 kW. À un facteur de puissance de 0,90, la charge en puissance active correspondante est d'environ 900 kW avant que d'autres marges de conception ne soient prises en compte.
Tension primaire et secondaire
La tension nominale du système et la classe de tension de l'équipement requis comptent toutes deux. Une demande telle que “ un transformateur de 35 kV ” est incomplète sans la tension de sortie basse tension, la fréquence du système, le niveau d'isolement, la méthode de mise à la terre et le schéma de raccordement.
Monophasé et triphasé
Les transformateurs monophasés sont courants pour les charges plus faibles et certaines applications de distribution de services publics. Un transformateur triphasé dessert les systèmes d'alimentation triphasés dans les usines, les sous-stations, les centres de données, les installations d'énergie renouvelable et l'infrastructure commerciale. Trois unités monophasées peuvent également former un groupe, mais un transformateur triphasé conçu à cet effet offre généralement une installation plus compacte.
Fréquence
Un transformateur doit être conçu pour la fréquence spécifiée, généralement 50 Hz ou 60 Hz. Faire fonctionner un appareil à une fréquence inférieure sans réduire la tension peut augmenter le flux du noyau et le risque de surchauffe.
Impédance
L'impédance de court-circuit en pourcentage influence la chute de tension, le courant de défaut et le fonctionnement en parallèle. Ce n'est pas simplement une valeur où le plus bas est le mieux. La bonne valeur dépend de l'étude de court-circuit du réseau, de la coordination des protections, du comportement de la charge et des équipements raccordés en aval.
Groupe de couplage
Le groupe de couplage décrit le raccordement des enroulements et le déphasage. Les choix courants incluent les configurations Dyn11, Yyn0 et YNd, mais la sélection correcte doit correspondre à la mise à la terre du système, au comportement harmonique, à la protection et à tout transformateur destiné à fonctionner en parallèle.
Principaux types de transformateurs de puissance
Transformateurs de puissance
Les transformateurs de puissance sont généralement utilisés aux niveaux de la production et du transport ou pour les grandes charges industrielles. Ils sont conçus en fonction de la haute tension, de la haute capacité, de la fiabilité du système, de l'rendement et du profil de charge attendu. LBAJI fournit des configurations telles que le transformateur de puissance immergé dans l'huile de 35 kV et le transformateur en charge SFZ11 35 kV pour les projets nécessitant une transformation et une régulation de la tension.
Transformateurs de distribution
Un transformateur de distribution alimente les utilisateurs finaux aux derniers stades du réseau électrique. Comme de nombreuses unités de distribution restent sous tension en permanence, les pertes à vide peuvent être aussi importantes que le rendement à pleine charge. La capacité, la courbe de charge journalière, les prévisions de surcharge, les harmoniques, la température ambiante, les limites de bruit et l'expansion future doivent être examinées conjointement.
Transformateurs immergés dans l'huile
Dans un transformateur immergé dans l'huile, le liquide isolant assure à la fois l'isolation électrique et le transfert thermique. Ces unités sont largement utilisées à l'extérieur et dans les sous-stations car elles offrent de performantes capacités de refroidissement et de nombreuses options de puissance. La cuve peut être hermétiquement scellée ou utiliser un système de conservateur, selon la conception et les exigences du projet.
Les équipements remplis d'huile nécessitent une planification du site pour la sécurité incendie, la rétention d'huile, la ventilation, l'accès et les conditions environnementales. Le LBAJI Série de transformateurs immergés dans l'huile S-M convient aux applications de distribution générale, tandis que les conceptions plus grandes de 35 kV conviennent aux sous-stations industrielles et de distribution.
Transformateurs de type sec
Les transformateurs de type sec utilisent une isolation solide et de l'air pour le refroidissement au lieu d'huile isolante. Ils sont fréquemment choisis pour les installations intérieures, les bâtiments commerciaux, les usines, les hôpitaux, les infrastructures de transport et d'autres sites où le comportement au feu et la planification de la maintenance privilégient des équipements sans huile. Pour une comparaison au niveau du projet, consultez notre guide sur transformateurs de type sec vs transformateurs immergés dans l'huile.
Le type sec ne signifie pas sans entretien ou adapté à chaque environnement. La protection de l'enveloppe, la ventilation, la poussière, l'humidité, la condensation, l'altitude, l'élévation de température et le niveau sonore restent importants. LBAJI propose le Série de transformateurs secs enrobés de résine SC(B) et le Transformateur de type sec écologique SG(B) pour les exigences de distribution intérieure.
Transformateurs élévateurs et abaisseurs
Un transformateur élévateur élève la tension, par exemple entre un générateur ou un système d'onduleur d'énergie renouvelable et un réseau à moyenne tension. Un transformateur abaisseur réduit la tension pour la distribution et l'utilisation. Le même transformateur peut se comporter comme un élévateur ou un abaisseur selon l'enroulement qui est alimenté, mais un fonctionnement inverse sûr n'est pas automatique. Les prises, la mise à la terre, la coordination de l'isolement, la protection, le courant d'appel et l'approbation du fabricant doivent être vérifiés.
Transformateurs d'isolement
Un transformateur d'isolement a généralement un rapport de tension de 1:1 et sépare le circuit source de la charge. Il peut contribuer à des objectifs de sécurité, de contrôle du bruit et de mise à la terre. Il n'élimine pas tous les risques d'électrocution, et son agencement de mise à la terre secondaire doit être conçu pour l'application.
Autotransformateurs et transformateurs abaisseurs-survolteurs
Un autotransformateur utilise un enroulement partagé, ce qui peut réduire la taille, les matériaux et le coût lorsque le rapport de tension est relativement faible. Le compromis est qu'il ne fournit pas la même isolation galvanique qu'un transformateur à deux enroulements. Les transformateurs abaisseur-survolteur effectuent de modestes corrections de tension et sont utiles lorsque la tension de l'équipement diffère légèrement de l'alimentation disponible.
Transformateurs sur socle et sur poteau
Un transformateur sur socle est installé au niveau du sol dans un boîtier verrouillé et inviolable, et est couramment utilisé avec les réseaux de distribution souterrains. Un transformateur sur poteau est installé en hauteur sur un poteau électrique, généralement pour la distribution locale. Le choix dépend de la conception du réseau, de la puissance nominale, de l'accès, de la sécurité publique, de la disposition des câbles, de l'environnement et des pratiques du fournisseur d'électricité.
Transformateurs de mesure
Les transformateurs de courant (CT) et de tension ou potentiels (VT/PT) réduisent le courant ou la tension du système à des valeurs mesurables pour les compteurs et les relais de protection. Ce ne sont pas des transformateurs d'alimentation de charge. Les circuits secondaires des CT ne doivent jamais être laissés ouverts lorsque le primaire est parcouru par un courant, car des tensions dangereuses peuvent se développer.
Transformateurs à circuit magnétique bobiné tridimensionnel
Un concept de noyau bobiné tridimensionnel utilise un circuit magnétique symétrique destiné à réduire les différences de trajet magnétique et à favoriser des performances à faibles pertes et à faible bruit. Le transformateur delta tridimensionnel S-M-L LBAJI est une option pour les acheteurs comparant les performances énergétiques du cycle de vie et les exigences acoustiques avec les conceptions conventionnelles à noyau empilé.
Méthodes de refroidissement des transformateurs
La conception du refroidissement détermine la manière dont la chaleur se déplace des enroulements et du noyau vers l'environnement. Les désignations courantes pour les transformateurs immergés dans l'huile comprennent ONAN, où l'huile et l'air circulent naturellement, et ONAF, où des ventilateurs augmentent l'évacuation de la chaleur. Les unités plus grandes peuvent utiliser une circulation d'huile forcée et des échangeurs de chaleur dédiés.
Les transformateurs de type sec utilisent généralement le refroidissement par air naturel ou des ventilateurs à air forcé. Les ventilateurs peuvent offrir une capacité supplémentaire dans les conceptions prévues pour ce mode de fonctionnement, mais ils ajoutent également des éléments de maintenance et ne corrigent pas une ventilation inadéquate de la pièce.
Pertes et rendement des transformateurs
Les pertes à vide se produisent dans le noyau chaque fois que le transformateur est sous tension. Les pertes en charge sont principalement produites par la résistance des enroulements et les effets de fuite, et augmentent avec le courant. Le prix d'achat le plus bas peut ne pas engendrer le coût de cycle de vie le plus bas, en particulier pour les transformateurs de distribution alimentés en permanence.
Les acheteurs doivent comparer les pertes garanties dans les conditions de référence spécifiées, et pas seulement un pourcentage d'efficacité affiché. L'évaluation doit prendre en compte le profil de charge prévu, le prix de l'énergie, la durée de vie, la température, la norme d'efficacité applicable et la méthode de capitalisation.
Protection et sécurité d'utilisation
La protection des transformateurs est un système et non un simple accessoire. Selon la puissance nominale et l'application, elle peut comprendre des fusibles, des disjoncteurs, des relais de surintensité et de défaut à la terre, une protection différentielle, des dispositifs de température, un dispositif de surpression, une protection par relais gaz, un indicateur de niveau de liquide, des parafoudres et des mesures de détection d'incendie.
La mise à la terre et l'équipotentialité doivent suivre la conception du système et les réglementations locales. La protection primaire et secondaire doit être coordonnée avec le courant d'appel du transformateur et les défauts en aval. L'installation, les essais, la mise sous tension et la maintenance doivent être effectués par du personnel électricien qualifié selon des procédures approuvées.
Comment sélectionner un transformateur pour un projet
- Définir le système électrique : tension primaire, tension secondaire, phases, fréquence, mise à la terre, niveau de court-circuit et groupe de couplage.
- Calculer la charge : kVA connectés, facteur de demande, facteur de puissance, démarrage des moteurs, charges non linéaires, cycle de charge, redondance et extension prévue. Utilisez un document calcul du dimensionnement des kVA du transformateur plutôt que de déterminer la puissance uniquement en fonction de la charge raccordée.
- Définir l'installation : emplacement intérieur ou extérieur, température ambiante, altitude, humidité, pollution, conditions sismiques, indice de protection, air de refroidissement, bruit et encombrement.
- Choisissez l'isolation et le refroidissement : de type à immersion dans l'huile ou à sec, classe d'isolation, élévation de température, mode de refroidissement et exigences en matière d'incendie ou d'environnement.
- Spécifier les performances : impédance, pertes garanties, norme de rendement, niveau sonore, régulation de tension, service de surcharge et plage de prise. Examen impédance du transformateur et exigences de court-circuit avec l'étude de protection du système.
- Spécifier les interfaces : connexions par câbles ou barres omnibus, orientation des bornes, disposition du neutre, accessoires, tension de commande, communication et surveillance.
- Définition de la vérification : normes CEI, IEEE ou locales applicables ; essais de série, de type et spéciaux ; plans ; certificats ; inspection ; et exigences de réception en usine.
Pour les projets de distribution préemballés, un transformateur peut également être intégré à des équipements moyenne tension et basse tension. Celui de LBAJI poste électrique modulaire préfabriqué YB27-12 et sous-station préfabriquée YBM-12 combiner les fonctions de transformation et de distribution dans une enceinte coordonnée.
Informations à inclure dans une demande de prix pour un transformateur
Une demande de devis pertinente doit comporter au moins les éléments suivants :
- Puissance nominale en kVA ou MVA
- Tensions primaires et secondaires et classe de tension
- Phase et fréquence
- Groupe de couplage et exigences de mise à la terre
- Type de changeur de prises, plage de réglage et valeur de l'échelon
- Impédance et niveau de défaut du système
- Méthode de refroidissement et limites d'échauffement
- Exigences relatives à l'installation et à l'enceinte (à l'intérieur ou à l'extérieur)
- Température ambiante, altitude, humidité et niveau de pollution
- Normes applicables et exigences d'efficacité
- Exigences en matière de perte, de son, d'accessoire, de protection, de surveillance et d'essai
- Aménagement du terminal, limites dimensionnelles, contraintes d'expédition et documents requis
Fournir ces informations en amont réduit les révisions de conception et aide le fabricant à comparer les options sur la même base technique.
Pour une vérification des marchés document par document, utilisez le liste de contrôle RFQ pour transformateur de puissance. Après la livraison, un système structuré calendrier de maintenance préventive aide à préserver l'état de l'isolation et la fiabilité à long terme.
Foire aux questions
Un transformateur produit-il de l'électricité ?
Non. Il transfère l'énergie électrique entre des circuits et modifie les relations tension-courant. L'énergie de sortie est inférieure à l'énergie d'entrée du montant des pertes du transformateur.
Un transformateur peut-il transformer le courant alternatif en courant continu ?
Non. Un transformateur modifie la tension alternative. Un redresseur est nécessaire pour convertir le courant alternatif en courant continu, bien que les deux composants puissent être intégrés dans une seule alimentation.
Pourquoi les transformateurs sont-ils notés en kVA ?
La charge thermique d'un transformateur est principalement liée à la tension et au courant. La charge connectée détermine le facteur de puissance, c'est pourquoi l'équipement est évalué en puissance apparente.
Qu'est-ce qu'un transformateur vert ?
Cette expression désigne généralement des conceptions qui réduisent l'impact environnemental sur le cycle de vie grâce à des pertes moindres, des matériaux responsables, des liquides isolants biodégradables, un bruit réduit ou une recyclabilité améliorée. Il ne s'agit pas d'une classe technique universelle, c'est pourquoi les acheteurs doivent demander des valeurs de performance mesurables.
Combien de temps dure un transformateur ?
La durée de vie dépend du vieillissement thermique, de la charge, de l'état de l'isolation, de l'humidité, de la maintenance, des incidents sur le réseau, de la qualité de fabrication et de l'environnement. Une spécification correcte et une température de fonctionnement contrôlée sont essentielles pour la fiabilité à long terme.
Conclusion
Les principes fondamentaux des transformateurs sont simples, mais leur application est très spécifique dans la pratique. La relation entre les transformateurs et la distribution d'électricité doit être évaluée à l'échelle du système complet, et non sur la seule base de la capacité nominale. Le bon appareil doit correspondre au système électrique, à la charge, à l'environnement, à la philosophie de protection, à l'objectif d'efficacité et aux contraintes d'installation. Une spécification complète est le meilleur point de départ pour un fonctionnement sûr et un devis fiable.
LBAJI fabrique des transformateurs de puissance immergés dans l'huile, des transformateurs de type sec isolés à la résine et respectueux de l'environnement, des transformateurs à noyau bobiné tridimensionnel et des sous-stations intégrées. Partagez votre schéma unifilaire, vos données de charge, vos exigences de tension, les conditions de votre site et la norme applicable avec l'équipe d'ingénierie de LBAJI pour développer une configuration de transformateur spécifique à votre projet.
