Etude des systèmes techniques. Les transformateurs

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1 1. Les matériaux magnétiques 1.1 Définition Les transformateurs a) les matériaux diamagnétiques Ils s aimantent très faiblement dans le sens inverse du champ magnétique b) Les matériaux paramagnétiques Ils s aimantent très faiblement dans le sens du champ magnétique c) Les métaux ferromagnétiques Ils s aimantent très fortement en présence d un champ magnétique et dans le même sens que celuici 1.2 Courbe d aimantation B0 = µ0 H dans l air Lorsque l on augmente l excitation magnétique H dans une bobine munie d un noyau magnétique, le champ B mesuré varie suivant cette courbe. 1.3 Cycle d hystérésis La forme d un cycle d hystérésis constitue la photo d identité d un matériau magnétique. Elle est caractérisée par: L aimantation rémanante Br. C est la valeur de l induction B lorsque le champ H est nul Le champ coercitif Hc. C est la valeur du champ pour que l induction B soit nulle 1.4 Pertes par hystérésis Il y a une consommation d énergie pour magnétiser un matériau. Cette consommation est traduite par la surface du cycle d hystérésis, ce qui correspond aux pertes par hystérésis. Formule de Richter simplifiée pour les fortes valeurs de l induction B > 1T Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 1/17

2 Elles sont proportionnelles à la fréquence et au carré de l induction Ph = b V f B² b Constante dépendant du matériau V Volume du matériau f fréquence B Induction 1.5 Courant de Foucault a) Rappel Lorsqu un matériau métallique est soumis à un champ magnétique variable, ou s il se déplace dans un champ fixe, la variation de flux engendre des courants induits qui s oppose la cause qui leur a donné naissance ( loi de Lenz ). Ce qui entraîne un échauffement. b) Pertes dues aux courants de Foucault Ces pertes sont données par la relation: P= k v f² b² Le coefficient K est donné par la mesure sur un échantillon Elles sont proportionnelles au carré de la fréquence et au carré de l induction. 1.6 Constituants A partir du fer et selon les matériaux d addition on obtient des caractéristiques magnétiques différentes. a) Le silicium De 1à 4%, pour augmenter la résistivité b) Le carbone Jusqu à 4% pour augmenter l induction rémanente c) Aluminium nickel Réduit la largeur du cycle d) Autres éléments L augmentation de l induction rémanente est produite par le chrome, le cobalt, le molybdène, le tungstène. Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 2/17

3 1.7 Pertes globales On résume les pertes par hystérésis et les pertes par courant de Foucault en les exprimant en watts par Kg de matériau magnétique. Elles sont données pour une fréquence et une induction précise. ( 1T 50 Hz ). On peut les diminuer avec une orientation des grains. Exemples: Tôle au silicium à grain orienté laminé à froid dans le sens du laminage 0.89 W/kg. Tôles pour transformateur 1,1 W/kg. Tôles pour moteur 3,6 W/kg. 2. Classification des matériaux magnétiques 2.1 Les aimants permanents On distingue deux types d aimant permanant: - Les métalliques: Nikel, cobalt, aluminium, et fer - Les Ferrites: Cristaux d oxyde de fer et d éléments de Baryum Ils présentent un cycle d hystérésis très large induction rémanante très forte et un champ coercitif important. 2.2 Matériaux pour électro-aimant en courant alternatif Il faut obtenir un cycle d hystérésis étroit, qui supporte une forte induction et un faible champ coercitif. Exemple Fer pur ( ferholtzer S) 2.3 Matériau pour circuit magnétique en courant alternatif a) tôles laminées à froid à cristaux non orientées Elles sont utilisées dans les transformateurs et machines tournantes. b) Tôles magnétiques à grains orientés Ce sont des tôles d acier au silicium qui subissent un traitement lors du laminage permettant une Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 3/17

4 orientation de la structure du métal dans le sens du laminage. Les pertes sont plus faibles. La perméabilité est améliorée dans le sens du laminage. L assemblage des tôles à grains orientés nécessite certaines précautions dans le cas des changements de direction du circuit magnétique. Il faut prévoire un recouvrement lors de la découpe des tôles pour ce rapprocher de la figure 1. c) Isolation des tôles entre elles Elle est réalisée par : - Phosphatation, dépose par traitement thermochimique de phosphate (1 à 2 microns) - Par vernis synthétique 3. Constitution des transformateurs 3.1 Rappels a) Principe On place deux enroulements sur un circuit magnétique. Lorsque l enroulement primaire est traversé par un courant alternatif, il crée un flux alternatif. Ce flux variable crée aux bornes de l enroulement secondaire une F E M. Si on place un récepteur aux bornes du secondaire, un courant alternatif parcours le circuit. La puissance transite du primaire au secondaire par l intermédiaire de la variation de flux. b) Formules m = U2 U1 Rapport de transformation: Formule de Boucherot 3.2 Constitution (1) Circuit magnétique comprenant: des colonnes une culasse supérieure et une culasse inférieure. (2) Bobines : 2 par noyau. l une formant enroulement primaire, l autre enroulement secondaire. (3) Bornes haute tension. (4) Commutateur de réglage de tension à + 5 %. (5) Couvercle avec crochet de manutention. (6) Cuve formant protection et contenant l isolant Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 4/17

5 liquide. Etude des systèmes techniques Le transformateur est une machine d induction qui comporte principalement : - Un circuit magnétique. - Un circuit électrique. - Des organes mécaniques assurant les fonctions telles que: support, protection, manutention, refroidissement. 4. CIRCUIT MAGNETIQUE Son rôle essentiel est de canaliser le flux et de présenter le minimum de pertes par hystérésis et courant de Foucault. Ils peuvent être soit à deux ou trois colonnes soit cuirassé, c est à dire que les enroulements sont placés sur 1 ou 3 colonnes centrales, et le flux se referme par chacun des cotés qui forment la cuirasse. 4.1 Section des colonnes On utilise des sections circulaires pour les bobines,. Pour avoir une meilleure utilisation du fer on se rapproche de cette section avec des architectures en gradins. 4.2 Assemblage colonne cuirasse Il faut réaliser des assemblages avec le moins de pertes possibles. Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 5/17

6 a) joints enchevêtrés b) joints à coupe oblique On décale le joint pour obtenir un faible recouvrement et favoriser la tenue mécanique. 4.3 Matériaux employés - Tôles d acier au silicium, pertes 1 à 1.6 W/kg - Tôles à cristaux orientés, pertes 0.55 W/Kg Ces tôles ont une épaisseur de 0.35 mm et sont isolées sur une face par oxydation superficielle. 5. Circuit électrique Il est constitué par les enroulements primaire et secondaire et leur isolement. On distingue deux enroulements: L enroulement H.T. et l enroulement B.T. qu il s agisse d un transformateur élévateur ou abaisser. 5.1 Bobinage des enroulements a) Bobinage concentrique Ce type de bobinage est très utilisé dans les petits transformateurs, il est appelé en tonneau. b) bobinage mixte c) Bobinage en galette Utilisé en H.T. et T H T Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 6/17

7 5 Isolation 5.1 Ecran Un écran isolant est placé entre la masse et les bobinages ou entre les bobinage H.T. et B.T. De plus on place une spire ouverte reliée à la masse entre la H.T. et la B.T. pour éviter la propagation des parasites. 5.2 Traversées isolantes Elles assurent la liaison entre les enroulements et la ligne extérieure. 5.3 Les diélectriques. Selon les tensions appliquées aux enroulements, l isolation peut être assuré par: - De l air pour les petits transformateur B.T. - De l huile Très employée dans tous les transformateurs de puissance, mais elle présente des risques d incendie et d explosion. - Du pyralène ou diélectrique Chloré qui est incombustible ( interdit en France car porté au-delà de 3000 degrés il se transforme en Dioxine, poison très dangereux). - Du quartz C est un sable qui étouffe les flammes mais rend le refroidissement plus difficile. Le diélectrique assure à la fois l isolement et le refroidissement du transformateur. 6. Organes mécaniques 6.1 Cuve et couvercle Ils assurent les fonctions de: - Protection mécanique - Contenant du diélectrique et son refroidissement - Support du circuit magnétique - Fixation des traversées - Manutention 6.2 Le refroidissement Les pertes dans le circuit magnétique ( fer et Foucault) et dans le cuivre ( effet joule) provoquent des échauffements. Pour éviter la détérioration des isolants, on est obligé de refroidir les transformateurs. a) Refroidissement dans l air Le transformateur est mis dans une enceinte grillagé, la ventila Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 7/17

8 tion est effectuée de manière naturelle ou forcée. b) refroidissement naturel dans l huile La cuve est munie d ailettes, et l huile se refroidit au contact des parois c) Refroidissement par radiateur d huile L huile circule dans le radiateur de manière naturelle ou forcée, ce radiateur peut être ventilé par un ventilateur extérieur. d) Utilisation d hydroréfrigérant La circulation de l huile s effectue dans une cuve contenant des tubes, à l intérieure desquels circule de l eau froide 7. Accessoire de protection 7.1 Préservation de l huile Un circuit permet de compenser les dilatations du circuit de refroidissement et d éviter l oxydation de l huile au contact avec l air. Un réservoir d expansion assure cette fonction. Il est mis en contact avec l air au travers d un assécheur d air à joint d huile. Un thermomètre à contact et un contrôleur de niveau complète cet équipement. 7.2 Relais Buchholz En cas de défaut du diélectrique à l intérieur du transformateur il y à dégagement de gaz. Le relais Buchholz permet de détecter ces défauts. - Constitution - Fonctionnement Deux contacts permettent de détecter : - Les dégagements lents ( vieillissement de l isolant entre quelques spires), grâces au flotteur - Les dégagements violents ( court-circuit au secondaire ) grâces à la palette 7.3 Cheminée d explosion Un diaphragme de verre permet en cas d incident grave d évacuer les surpressions dangereuses pour la cuve. 7.4 Transformateur étanche Pour les transformateurs de distribution on utilise des transformateurs étanche ou la cuve se dilate avec le diélectrique: - Pas d entretien - Pas de contact entre le diélectrique et l air ambiant Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 8/17

9 8. Normalisation Etude des systèmes techniques - Plus de conservateur ni d assécheur d huile On définit les transformateurs par un groupe de quatre lettres - 1 ère lettre: Nature du diélectrique O L G A S Huile minérale Diélectrique chloré Gaz Air Isolant solide - 2 ème Lettre: Mode de circulation du diélectrique N Naturel F Forcée D Forcée et dirigée dans les enroulements - 3 ème lettre Agent extérieur de refroidissement - 4 ème lettre Mode de circulation de l agent de refroidissement Exemple: O N A N Transformateur immergé dans l huile, à circulation naturelle, refroidi par air à circulation naturelle. 9. Installation des transformateurs 9.1 Puissance à installer Un transformateur doit être adapté à l utilisation: - Trop faible, il subit un échauffement important. - Trop fort, les pertes excessives à vide sont inutiles. 9.2 Estimation des puissances Elle peut s effectuer en relevant toutes les puissances des récepteurs ou par une estimation globale à l aide du tableau suivant. Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 9/17

10 9.21 Facteur de minoration a) coefficient d utilisation Certain récepteur n appelle pas en permanence leur puissance max. b) facteur de simultanéité Tous les récepteurs ne sont pas en activité en même temps. Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 10/17

11 9.22 Facteur de majoration a) Le cos f Lorsque le cos f est trop faible (< ) l EDF pénalise les abonnés b) Autres facteurs - La température. - L installation à une altitude > à 1000m. - Surcharge prévisible. 9.3 Prédétermination des puissances On établit un bilan des puissances avec correction des différents coefficients. 9.4 Puissances et tensions normalisées Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 11/17

12 10. Couplage des transformateurs Pour des raisons de continuité ou de variation de consommation d énergie on est amené à coupler des transformateurs en parallèle Condition de couplage. a) Puissance La puissance totale disponible est la somme des puissances de tous les transformateurs. La puissance du plus gros ne doit pas dépasser 2 fois la puissance du plus petit. b) Réseau Les transformateurs doivent être alimenté par le même réseau. c) Connexions Même longueur de connexion, sur tout les cotés B.T. d) Indice horaire Même indice horaire de couplage des enroulements e) Tension de court circuit Elles doivent être égales à 10% près. Elles doivent être très peu différentes en charge ( 0.4% maximum) 10.2 Couplage des enroulements a) Couplage étoile Il permet la sortie du point neutre très utile en B.T. b) Couplage triangle c) Couplage ZIGZAG Chaque enroulement comprend une demie bobine sur des noyaux différents. Les fem sont déphasée de 120 électrique. Avec ce type de couplage on obtient une meilleure répartition des tensions en cas de réseau déséquilibré coté B.T. Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 12/17

13 10.3 Représentation des enroulements a) Représentation schématique Coté H.T. A, B, C Coté B.T. a, b, c La représentation schématique des enroulements se fait de part et d autre du couvercle. H.T. vers le bas B.T. vers le haut b) la désignation des couplages Elle s effectue par un groupe de deux lettres et un chiffre. 1 ère lettre ( majuscule): Couplage côté H.T. 2 ème lettre ( minuscule): Couplage côté B.T. Y,y: Etoile D,d: Triangle Z,z: Zigzag Le chiffre indique l indice du couplage, c est à dire l angle de déphasage entre la tension primaire et la tension secondaire. Cet angle horaire correspond, pour 360, aux 12 heures du cadran repérées de 0 à 11, chaque angle horaire est un multiple de 30 Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 13/17

14 Exemple Dy11 Couplage H.T. en triangle, B.T. en étoile, déphasage de 11*30=330 entre le primaire et le secondaire c) Schéma et déphasage des couplages voir page précédente Les couplages les plus utilisés sont Yy0, Dy11, et Yz Ajustement de la tension En général, les transformateurs sont munis d un commutateur d ajustement pour la tension primaire ( +5, 0,-5 %) 12. Installation 13. Protections - Choix du diélectrique - Implantation du transformateur - Bruit - Raccordement 13.1 Fonctionnement sans protection amont Le transformateur n est protégé que du coté utilisation contre les surcharges et les courts-circuits( transformateur sur poteaux) Protection contre les défauts internes Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 14/17

15 13.3 Protection contre les contraintes externes 13.4 Surintensité due à la mise sous tension d un transformateur à vide Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 15/17

16 13.5 Protection par fusibles haute tension Utilisation de fusible H P C (haut pouvoir de coupure) 14. Détermination du courant de court circuit Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 16/17

17 15. Choix d un transformateur. Lycée polyvalent Jean Monnet EST STI-GE Page 17/17