Dimensionnement des transformateurs va bien au-delà de la simple division de la charge totale par un pourcentage. Une sélection fiable convertit la charge réelle en kVA, applique la demande et la diversité, vérifie les moteurs et les harmoniques, tient compte de l'environnement et de la croissance future, puis coordonne les protections primaire et secondaire. Ce guide fournit les formules essentielles, un flux de travail de dimensionnement pratique et des considérations relatives aux disjoncteurs et fusibles pour les transformateurs monophasés et triphasés.
Formules de dimensionnement des transformateurs
Pour une charge exprimée en puissance active :
kVA requis = Charge kW ÷ facteur de puissance
Pour la tension et le courant mesurés :
- Monophasé : kVA = V × A ÷ 1 000
- Triphasé kVA = √3 × V × A ÷ 1 000
Pour une charge triphasée de 240 kW avec un facteur de puissance de 0,8, la puissance apparente est de 300 kVA. Il s'agit d'une valeur de départ, et non de la puissance nominale finale du transformateur.
Établir un programme de charge diversifiée
Listez la puissance en kW ou kVA de chaque charge, sa tension, son nombre de phases, son facteur de puissance, son rendement, son régime et sa méthode de démarrage. Séparez les charges continues, intermittentes, de secours, cycliques et futures. Appliquez des facteurs de foisonnement et de diversité justifiés par des données d'exploitation ou des critères de projet. N'appliquez pas un facteur arbitraire unique à chaque charge.
Évaluez séparément les états normaux et les états de secours. Une charge de réserve peut être hors service en fonctionnement normal mais importante lors d'une coupure. Deux lignes de traitement ne peuvent jamais fonctionner ensemble, tandis que la ventilation et l'éclairage peuvent être continus.
Exemple de dimensionnement de transformateur triphasé
Considérez 180 kW de charge de processus diversifiée à un facteur de puissance de 0,85, 40 kW de charge auxiliaire continue à un facteur de puissance de 0,9 et 50 kVA réservés pour la croissance :
- Calcul : 180 ÷ 0,85 = 211,8 kVA
- Auxiliaire : 40 ÷ 0,9 = 44,4 kVA
- Réserve future : 50 kVA
- Total : 306,2 kVA
La taille standard suivante pourrait être de 315 ou 400 kVA selon les calibres régionaux, les conditions ambiantes, le régime de démarrage et la fiabilité. L'ingénieur doit vérifier la chute de tension, les pertes et la charge réelle plutôt que d'ajouter automatiquement une grande marge.
Tableau de dimensionnement des transformateurs : Courant à pleine charge
| kVA triphasé | courant de 400 V | Courant de 480 V | courant de 11 kV |
|---|---|---|---|
| 100 | 144 A | 120 A | 5,25 A |
| 250 | 361 A | 301 A | 13.1 A |
| 500 | 722 A | 601 A | 26.2 A |
| 1,000 | 1 443 A | 1,203 A | 52,5 A |
| 2,000 | 2 887 A | 2 406 A | 105 A |
Ce sont des courants calculés à pleine charge. Il ne s'agit pas de calibres de disjoncteurs ou de câbles, et cela n'inclut pas les facteurs du code ni les déclassements.
Démarrage du moteur et chute de tension
Un moteur peut absorber plusieurs fois son courant nominal au démarrage. Le transformateur doit maintenir la tension aux bornes dans des limites acceptables tandis que les autres charges restent stables. Vérifiez la taille du moteur, le courant de démarrage, le temps de démarrage, la chute de tension admissible et l'impédance de la source. Les démarreurs progressifs ou les variateurs de fréquence peuvent réduire le courant de démarrage mais peuvent introduire des harmoniques.
Charges harmoniques
Les variateurs de vitesse, les systèmes ASI, les redresseurs et les grandes charges de LED consomment un courant non sinusoïdal. Les harmoniques augmentent les pertes dans les enroulements et les pertes par courants vagabonds, et peuvent surcharger lourdement un neutre. Utilisez une étude harmonique ou un spectre de charge pour déterminer si un déclassement, une conception à facteur K, un blindage électrostatique ou une autre construction est nécessaire.
Ambiant, altitude et refroidissement
La puissance nominale du transformateur suppose une température ambiante et une altitude spécifiées. Une température élevée et un air raréfié réduisent les performances de refroidissement et d'isolement. Les unités sèches d'intérieur nécessitent une ventilation de la pièce ; les transformateurs à liquide nécessitent un flux d'air pour les radiateurs, un bac de rétention d'huile et des dispositifs de protection contre l'incendie. Les enveloppes peuvent restreindre le refroidissement et doivent être incluses dans la conception thermique.
Dimensionnement des disjoncteurs de transformateur
Calculez les courants de pleine charge primaire et secondaire, puis appliquez le code électrique en vigueur et les recommandations du fabricant. L'appareil doit supporter la charge autorisée, résister au courant d'appel de magnétisation et se coordonner avec les limites thermiques et de défaut traversant du transformateur. Son pouvoir de coupure doit dépasser le courant de défaut présumé.
Le dimensionnement du disjoncteur secondaire protège également les conducteurs de sortie et les barres bus. Une impédance de transformateur élevée réduit le courant de défaut secondaire ; une faible impédance l'augmente. Une étude de court-circuit est nécessaire avant de sélectionner le calibre du tableau électrique.
Dimensionnement des fusibles de transformateur
Les fusibles primaires peuvent offrir une protection économique contre les courts-circuits, mais le type et le calibre du fusible doivent tolérer le courant d'appel à la mise sous tension et se coordonner avec la protection secondaire. Vérifiez la tension, le courant continu, les courbes d'élimination minimale et maximale, le pouvoir de coupure et la courbe de dommage du transformateur. N'utilisez pas de tableau de calibres de fusibles générique sans le code applicable et la caractéristique réelle du fusible.
Surdimensionnement et sous-dimensionnement
Un transformateur sous-dimensionné surchauffe, présente une chute de tension excessive et vieillit rapidement. Un transformateur surdimensionné coûte plus cher, peut fonctionner de manière inefficace en cas de charge faible chronique, augmente le courant d'appel à la mise sous tension et peut accroître le courant de défaut disponible. L'objectif est d'atteindre une capacité adéquate dans des scénarios réalistes avec une marge de croissance justifiée.
Choisissez Construction et Emballage
Après avoir sélectionné le kVA, définissez la tension, le groupe de couplage, l'impédance, les prises, le refroidissement, l'échauffement, le rendement, le niveau sonore, l'enveloppe et les accessoires. LBAJI transformateur immergé dans l'huile de 35 kV prend en charge les évaluations spécifiques au projet. Les systèmes emballés peuvent utiliser un Sous-station préfabriquée YBM-12 ou poste compact d'énergie renouvelable de 35 kV.
Vérification et test
Vérifiez les pertes garanties, l'impédance, l'élévation de température et le niveau sonore par rapport à la conception. Les essais en usine comprennent généralement la résistance des enroulements, le rapport/groupe de couplage, l'impédance et les pertes en charge, les pertes et le courant à vide, les essais d'isolement et la vérification du fonctionnement des accessoires. Les essais spéciaux doivent être spécifiés avant la commande.
Liste de contrôle finale pour le dimensionnement
- Vérifier le plan de charge et les scénarios d'exploitation.
- Convertir des kW en kVA avec des facteurs de puissance réalistes.
- Appliquer la demande et la diversité documentées.
- Vérifier les moteurs, les charges cycliques et les harmoniques.
- Appliquer les corrections de température ambiante, d'altitude et de confinement.
- Sélectionnez une note standard avec une croissance justifiée.
- Vérifier la chute de tension, les pertes et le courant de défaut.
- Coordonner les disjoncteurs ou les fusibles avec les limites d'appel de courant et d'endommagement.
Séquence de dimensionnement pas à pas d'un transformateur
Calculez la charge connectée, appliquez une demande et une diversité réalistes, convertissez les kW en kVA, ajoutez les effets de démarrage des moteurs et de charge non linéaire, évaluez la charge en régime normal et en contingence, puis sélectionnez le calibre standard adéquat suivant. Vérifiez la régulation de tension et la température après avoir sélectionné les kVA ; ne supposez pas qu'un pourcentage de réserve résout chaque service.
Lorsque la taille calculée n'est pas la taille finale
Un transformateur plus grand peut être requis en raison d'une chute de tension au démarrage, des harmoniques, d'une charge cyclique, d'une température ambiante élevée ou d'une croissance future. Une taille standard plus petite peut toujours convenir lorsque les charges sont manifestement non coïncidentes. Enregistrez les scénarios d'exploitation et les hypothèses afin que la décision puisse être réexaminée ultérieurement.
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.
