Un transformateur modifie la tension alternative par induction électromagnétique. Si un transformateur élève la tension, il réduira le courant pour une puissance apparente transmise approximativement identique, hors pertes. Les couplages des enroulements triphasés et les groupes de couplage déterminent également la disponibilité du neutre, le comportement en séquence zéro et le déphasage. Ce guide explique le fonctionnement élévateur/abaisseur, le courant alternatif par rapport au courant continu, les couplages en étoile et en triangle, la notation vectorielle, le fonctionnement en parallèle et la régulation de tension.
Tension, courant et rapport de transformation
Pour un transformateur idéal :
V₂ ÷ V₁ = N₂ ÷ N₁
Le rapport de tension suit les spires des enroulements. Le courant varie inversement :
I₂ ÷ I₁ = N₁ ÷ N₂
Un transformateur qui élève 400 V à 10 kV augmente la tension de 25 fois et réduit idéalement le courant à un vingt-cinquième. La puissance de sortie réelle est légèrement inférieure parce que les pertes dans les enroulements, le noyau et les pertes par fuite produisent de la chaleur.
Transformateurs élévateurs ou abaisseurs de tension
Un transformateur élévateur a une tension de sortie supérieure à la tension d'entrée dans le sens indiqué du flux de puissance. Il est utilisé dans les générateurs et les centrales d'énergie renouvelable pour réduire le courant de transmission. Un transformateur abaisseur alimente des charges de distribution et d'utilisation à plus basse tension.
De nombreux transformateurs peuvent transférer de l'énergie dans les deux sens si la construction, les prises, la protection et la mise à la terre du réseau le permettent. “ Primaire ” et “ secondaire ” décrivent souvent les côtés source et charge prévus, tandis que HT/BT identifie plus clairement les enroulements de tension.
Tableau de comparaison rapide et de sélection
Utilisez ce tableau comme un récapitulatif rapide des principales décisions d'ingénierie et d'approvisionnement expliquées dans l'article.
| Zone de décision | Sens pratique | Que vérifier |
|---|---|---|
| Tension, courant et rapport de transformation | Pour un transformateur idéal : V₂ ÷ V₁ = N₂ ÷ N₁ Le rapport de tension suit les spires des enroulements. | Le courant varie inversement : I₂ ÷ I₁ = N₁ ÷ N₂ Un transformateur qui élève 400 V à 10 kV augmente la tension de 25 fois et réduit idéalement le courant à un vingt-cinquième. |
| Transformateurs élévateurs ou abaisseurs de tension | Un transformateur élévateur a une tension de sortie supérieure à la tension d'entrée dans le sens de circulation de l'énergie indiqué. | Il est utilisé au niveau des générateurs et des centrales renouvelables pour réduire le courant de transmission. |
| Un transformateur fonctionne-t-il avec une tension continue ? | Un transformateur conventionnel nécessite un flux magnétique variable. | Un courant continu stable n'induit pas continuellement de tension secondaire. |
| Enroulements monophasés et triphasés | Un transformateur triphasé peut utiliser un noyau à trois colonnes ou un banc d'unités monophasées. | Chaque enroulement de phase possède deux extrémités qui peuvent être interconnectées en étoile, en triangle ou, dans des conceptions spécialisées, en zigzag. |
| Connexion en étoile | En étoile, une extrémité de chaque enroulement de phase se rejoint en un point neutre. | La tension de ligne est égale à √3 fois la tension de phase, tandis que le courant de ligne est égal au courant de phase. |
Un transformateur fonctionne-t-il avec une tension continue ?
Un transformateur conventionnel nécessite un flux magnétique variable. Un courant continu stable n'induit pas de tension secondaire en continu. L'application d'un courant continu à un transformateur normal peut produire un courant très élevé limité principalement par la résistance des enroulements, provoquant une surchauffe rapide et des dommages. Les systèmes de conversion de courant continu utilisent la commutation électronique pour créer des formes d'onde alternatives ou pulsées avant la transformation magnétique.
Enroulements monophasés et triphasés
Un transformateur triphasé peut utiliser un noyau à trois colonnes ou un banc d'unités monophasées. Chaque enroulement de phase possède deux extrémités qui peuvent être interconnectées en étoile, en triangle (delta) ou, dans des conceptions spécialisées, en zig-zag. La connexion modifie les relations ligne/phase et le comportement du système.
Connexion en étoile
En étoile, une extrémité de chaque enroulement de phase se rejoint en un point neutre. La tension de ligne est égale à √3 fois la tension de phase, tandis que le courant de ligne est égal au courant de phase. Le neutre peut être mis à la terre et rendu disponible pour des charges monophasées. L'isolation par phase peut être inférieure à la tension de ligne, ce qui est avantageux pour les enroulements à haute tension.
Delta Connection
En triangle, les enroulements de phase forment une boucle fermée. La tension de ligne est égale à la tension de phase, tandis que le courant de ligne est égal à √3 fois le courant de phase. Le montage en triangle offre un chemin pour les courants de circulation harmoniques de rang trois et de séquence zéro, et empêche le courant de séquence zéro de passer directement aux bornes de ligne.
Connexions triphasées courantes
- Yy étoile-étoile ; des neutres peuvent être disponibles, mais la séquence zéro et les harmoniques nécessitent un traitement minutieux.
- Dyn: delta HT, étoile BT avec neutre ; largement utilisé pour la distribution.
- Yd: couplage étoile côté HT et triangle côté BT ; utilisé lorsqu'un secondaire en triangle convient au système.
- Dd: delta-delta ; pas de neutre et pas de déphasage inhérent de 30 degrés.
- Zigzag utile pour la mise à la terre, la formation neutre et le contrôle harmonique.
Comment fonctionne la notation vectorielle
Les lettres identifient les couplages : D/d pour triangle, Y/y pour étoile et Z/z pour zig-zag. Les majuscules désignent normalement l'enroulement haute tension et les minuscules l'enroulement basse tension. “ N ” ou “ n ” indique un neutre accessible.
Le numéro d'horloge indique le déphasage BT par rapport à HT en multiples de 30 degrés. Le Dyn11 décrit donc un couplage HT triangle, BT étoile avec neutre et un déphasage à 11 heures. La convention de référence exacte suit la norme applicable.
Pourquoi les groupes de vecteurs comptent
Le groupe de couplage affecte l'angle de phase du système, la mise à la terre, le courant de défaut à la terre, le comportement des harmoniques et la compatibilité en parallèle. Un transformateur de remplacement inadéquat peut déphaser les tensions secondaires, rendant le couplage en parallèle dangereux et perturbant la compensation de la protection différentielle.
Exigences relatives aux transformateurs en parallèle
Avant de coupler, vérifiez :
- même rapport de tension et position de prise compatible ;
- même polarité et même séquence de phases;
- même groupe de vecteurs ou déphasage identique;
- pourcentage d'impédance et rapport X/R similaires ;
- puissances nominales en kVA compatibles pour le partage proportionnel de la charge;
- courant de court-circuit assigné combiné adéquat de l'appareillage et des barres omnibus.
De faibles différences de rapport provoquent un courant de circulation même sans charge. Les différences d'impédance entraînent une charge en pourcentage inégale, de sorte qu'une unité peut être surchargée avant que la capacité nominale combinée ne soit atteinte.
Régulation de tension du transformateur
La régulation de tension décrit la variation de la tension au secondaire entre la marche à vide et la charge pour un facteur de puissance donné. La résistance des enroulements et la réactance de fuite provoquent une chute interne. Le facteur de puissance de la charge affecte à la fois l'amplitude et la direction de cette variation.
Un changeur de prises hors circuit ajuste le rapport uniquement lorsqu'il est hors tension. Un changeur de prises en charge (OLTC) change de prise sous tension et fonctionne avec un régulateur de tension automatique. Le régulateur utilise la tension mesurée, la consigne, la bande morte, le temporisateur et la compensation de chute de ligne pour éviter les fonctionnements excessifs.
Effets de protection et de connexion
La protection différentielle doit compenser le rapport de transformation et le déphasage du couplage. Les connexions des TC ou les réglages du relais numérique empêchent également le courant de séquence zéro de provoquer un déclenchement intempestif. La mise à la terre du neutre et la protection contre les défauts à la terre dépendent du neutre accessible et de son mode de mise à la terre.
Spécification du produit
Pour un transformateur de puissance immergé dans l'huile de 35 kV, spécifier la tension HT/BT, le groupe de couplage, l'impédance, les prises et la mise à la terre. L'équipement préassemblé tel que le poste compact d'énergie renouvelable de 35 kV ou Sous-station préfabriquée YBM-12 Il faut coordonner le raccordement du transformateur avec la protection de l'appareillage et les exigences relatives au neutre BT.
Liste de contrôle de vérification
- Confirmer les tensions et la fréquence du système.
- Spécifier les exigences de raccordement et de neutre.
- Choisir le groupe de couplage en fonction du système et des besoins en parallèle.
- Impédance, prises (taps) et régulation.
- Vérifier le comportement de séquence zéro et de mise à la terre.
- Coordonner la protection différentielle et la protection contre les défauts à la terre.
- Tester le rapport de transformation, la polarité, le déphasage et le couplage avant la mise sous tension.
Lecture de la notation des indices couplages des transformateurs
La première lettre majuscule désigne l'enroulement haute tension, la lettre minuscule désigne l'enroulement basse tension, et N ou n identifie un neutre accessible. Le chiffre horaire exprime le déphasage de la basse tension par rapport à la haute tension par pas de 30 degrés. Par exemple, Dyn11 correspond à un couplage triangle en haute tension, étoile en basse tension avec neutre, à la position horaire 11.
Polarité, déphasage et couplage en parallèle
La polarité établit une relation instantanée entre les bornes ; la séquence de phases établit l'ordre des phases ; le couplage établit la connexion des enroulements et le déphasage. Les transformateurs destinés au fonctionnement en parallèle doivent fournir une tension secondaire et un angle de phase compatibles, et doivent présenter une impédance et des positions de prises adéquatement appariées pour éviter les courants de circulation et le partage inégal de la charge.
Références techniques et lectures complémentaires
Les sources indépendantes suivantes étayent les normes, la terminologie, les calculs et le contexte de sécurité abordés dans ce guide :
- norme de transformateur de puissance CEI 60076-1 — Domaine d'application, terminologie, caractéristiques assignées, symboles de raccordement, essais, sécurité et exigences générales pour les transformateurs de puissance.
- Département de l'Énergie des États-Unis : Transformateurs de distribution — Définitions officielles, exigences d'efficacité, procédures d'essai et ressources réglementaires pour les transformateurs de distribution.
- Exigences de l'OSHA relatives au transport et à la distribution d'énergie électrique — Exigences de sécurité applicables aux travaux de construction et aux interventions à proximité des équipements de transport et de distribution d'électricité.
