CAHIER TECHNIQUE. N 13 - Février 2002

Transcription

1 N 13 - Février 2002 I L Les transformateurs BT/BT La première application du transformateur trouve son origine dans la nécessité de changement de tension dans les réseaux alternatifs. Sa fonction d isolement des circuits s est imposée par la suite, pour des raisons évidentes de protection des biens et des personnes. Aujourd hui, les milieux industriels et tertiaires, voire domestiques, offrent un immense champ d applications qui a nécessité le développement de transformateurs de tous types, dans des gammes de puissances extrêmement étendues. e transformateur est devenu un produit très technique, pour répondre avec pertinence à l ensemble des applications actuelles. Parfaite maîtrise industrielle, rigueur absolue dans le choix des composants, techniques de fabrication avancées, sont les exigences qui conditionnent les performances escomptées du transformateur. Quant à l installateur, il attend plus de qualités techniques et économiques, plus de sécurité, plus de fiabilité et plus de facilité de mise en œuvre. Le produit fini, lui, présente toujours un aspect apparemment simple, presque anodin. Raison de plus pour insister sur l importance du choix, face à des produits qui se ressemblent trompeusement. Ce choix peut d ailleurs s appuyer sur au moins un critère : la conformité aux normes. Nous avons pris le parti de nous intéresser essentiellement aux transformateurs d équipement montés dans des tableaux électriques de commande. Quelques rappels sur les grandes fonctions attribuées au transformateur. Un minimum de repères en matière de technologie. Les principaux critères de choix, et les éléments normatifs concernant les transformateurs.

2 II Deux grandes fonctions Changement de tension. Isolement. Le transformateur remplit obligatoirement une de ces deux fonctions. Ou les deux à la fois. Changement de tension R appelons le mode de fonctionnement du transformateur. Il est composé d un enroulement dit primaire et d un enroulement dit secondaire. Un générateur variable connecté à l enroulement primaire provoque un courant circulant dans les spires de cet enroulement, ce qui crée un champ magnétique variable dans le temps. Ce champ magnétique, canalisé par un noyau ferromagnétique, traverse l enroulement secondaire. Résultat : chaque spire de l enroulement secondaire crée à son tour une nouvelle force contre-électromotrice, ou «tension induite». Elle alimente tout récepteur connecté à cet enroulement secondaire. Le transfert de l énergie électrique d un circuit primaire à un circuit secondaire est ainsi réalisé grâce à l énergie magnétique. La relation V2/V1 = N2/N1 définit le changement de tension obtenu. (V1 et V2 sont les tensions primaires et secondaires, N1 et N2 représentent le nombre de spires au primaire et au secondaire). Les applications les plus courantes pour le changement de tension concernent : l alimentation de machines dans des pays disposant de tensions différentes de la tension de fonctionnement de ces machines, le fonctionnement de machines nouvelles en 400 V sur des réseaux en 230 V, ou l inverse, la recherche d une tension simple 230 V entre phase et neutre, à partir d un réseau triphasé 400 V, l abaissement de tension au dessous du seuil critique pour la sécurité des personnes, soit 50 V, l adaptation en tension pour optimiser les performances de certains appareils, lampes halogène TBT 12 V par exemple.

3 III Isolement I l exige une séparation physique entre circuit primaire et circuit secondaire. Deux types d isolement déterminent deux catégories de transformateurs : à isolement principal et à isolement double. Le transformateur à isolement principal Il assure, selon la norme, «une isolation des parties actives dangereuses, destinée à assurer la protection principale contre les chocs électriques». 1. Il permet l alimentation des composants d automatismes dans les armoires. La protection contre les contacts indirects et d équipotentialité est assurée par une mise à la terre de l un des pôles du circuit de commande, effectuée par le conducteur de protection de l installation. L alimentation des détecteurs, capteurs, relais, contacteurs, unités centrales d automates constituent des applications classiques pour l alimentation des composants d automatismes. exemple recommandé de créer un régime TNS secondaire pour l alimentation des installations de traitement de l information, notamment dans les applications où l antiparasitage est important (informatique). A contrario, le régime IT permet d éviter des coupures inopportunes dans des conditions d exploitation exigeantes (surveillance permanente). Il est recommandé dans ce cas de ne pas distribuer le conducteur neutre. 3. Il filtre les perturbations électromagnétiques. Son efficacité est dépendante de la capacité primaire / secondaire, elle-même dépendante de la topologie de construction du transformateur. Plus la capacité est réduite, plus le transformateur affaiblira efficacement la propagation des perturbations entre primaire et secondaire. Le filtrage des perturbations trouve des applications dans les Grandes Surfaces commerciales par exemple, afin de supprimer les harmoniques de rang 3 émises par l éclairage fluorescent. Dans le secteur hospitalier, pour isoler le bâtiment principal des parasites générés dans d autres secteurs : balnéothérapie, rayonnements ionisants dans l industrie, lorsqu il faut isoler des sites sensibles, tels que locaux informatiques, laboratoires de mesures, machines pilotées par informatique, etc. (suite page suivante) 2. Il permet de créer des îlots ou des installations complètes dont le régime de neutre (TNS ou IT) est le mieux adapté à l application. Autrement dit, le changement de régime de neutre. Il est par Enregistrement d essais laboratoire d atténuation en mode commun sur transfo 100 VA

4 IV Deux grandes fonctions (suite) Le transformateur à isolement double Il garantit, selon la norme, «une isolation comprenant à la fois une isolation principale, et une isolation supplémentaire». Il certifie une sécurité au plus haut niveau. 1. Il protège les personnes contre les contacts indirects, en séparant circuit d utilisation et circuit d alimentation. En cas de défaut sur l un des circuits, aucune tension dangereuse ne peut ainsi apparaître. La continuité de service est maintenue par ailleurs, en évitant toute coupure d énergie. Cette protection est appliquée pour les prises de rasoirs, les alimentations des équipements de salles de bains, toute alimentation à risque de défauts et dans les installations non surveillées, dans le but d éviter l arrêt intempestif de certains équipements. 2. Il protège contre les contacts directs et indirects (la TBTS) Il s agit d une tension qui n excède pas 50 V en courant alternatif entre conducteurs, dans un circuit dont la séparation du réseau d alimentation est assurée par un transformateur de sécurité. La TBTS trouve ses applications dans les circuits de commande et d éclairage de piscines, les volumes 1 et 2 de salles de bains, les chantiers de construction, les établissements agricoles et horticoles, ou les baladeuses. Transformateur d isolement résistant aux courts circuits Transformateur de séparation de circuits (isolation primaire/secondaire renforcée) Un symbole pour chaque transformateur Contrôle des transformateurs triphasés de sécurité (isolation primaire/secondaire renforcée, tension à vide < 50V) Transformateur de séparation de circuits Transformateur de sécurité

5 V Technologie du transformateur Sous des apparences anodines, voire rustiques, se cache un appareil très technique. Objet de multiples phénomènes physiques extrêmement complexes. Un transformateur chauffe, vibre, présente des chutes de tension. Normal. L échauffement d un transformateur est dû à deux phénomènes physiques : 1. Les pertes Joule. C est la dissipation d énergie sous forme de chaleur provoquée par le passage du courant dans l enroulement primaire et l enroulement secondaire. L effet Joule est proportionnel au carré de la charge de l appareil. 2. Les pertes fer. La magnétisation des tôles s accompagne de pertes d énergie sous forme de chaleur. Elles sont de deux sortes. Les pertes par hystérésis sont dues au fait que la magnétisation du matériau n est pas totalement réversible. Elle dépend à la fois du courant magnétisant et de la mémoire du matériau : c est elle qui génère les pertes par hystérésis. Les pertes par courant de Foucault sont provoquées par des courants induits, perpendiculaires à la tôle électriquement conductrice, qui tentent d annuler un champ magnétique qui la traverse. Ces courants induits sont d autant plus importants que la surface traversée par le champ magnétique est grande. Les pertes par courant de Foucault dépendent du carré de l épaisseur de la tôle. C est pourquoi le circuit magnétique des transformateurs n est pas taillé dans un bloc d acier, mais réalisé par un feuilletage de tôles isolées les unes des autres. La vibration d un transformateur est simplement due au passage du champ magnétique dans les tôles. On peut limiter ce phénomène, pas le supprimer. Les chutes de tension s observent sur le secondaire d un transformateur, pour deux raisons : l inductance de fuites, car le champ magnétique généré n est pas transformé en énergie électrique dans sa totalité la résistance des enroulements traversés par les courants. Mais les seuils de chutes de tension sont régis par des normes en fonction des applications. (suite page suivante)

6 VI Technologie du transformateur (suite) Un transformateur est fabriqué en cinq phases 1. Le Bobinage qui réalise les enroulements primaires et secondaires, isolés. Sa mise en œuvre est contrôlée à tous les niveaux : caractéristiques des fils conducteurs, leurs tensions, nombre de spires, placement du fil dans la bobine. 2. La pose du circuit magnétique, qui empile les tôles magnétiques autour et à l intérieur des enroulements. Le circuit est ensuite fermé par collage, soudure ou imbrication, pour garantir une parfaite circulation du champ magnétique. 3. Le raccordement aux borniers des conducteurs. Il fait appel à trois technologies possibles : le sertissage, le brasage par soudure à l étain, ou le brasage par soudure électrique. Un assemblage très automatisé Contrôle de tension des fils lors du bobinage 4. L assemblage des éléments de fixation : socle ou dispositif de fixation, bornier de raccordement, plaque signalétique identifiant le produit de manière inaltérable. 5. Les contrôles des performances électriques. Ils sont systématiques et visent à garantir la conformité du produit. Citons les trois principaux tests : les tests de rigidité diélectrique, qui vérifient l isolation entre circuits primaire, secondaire et circuit magnétique ; les tests basse tension, qui alimentent le transformateur à vide pour mesurer courant primaire, pertes à vide, tensions au secondaire et au primaire ; les tests de continuité de masse qui contrôlent l équipotentialité entre toutes les parties métalliques de l appareil.

7 VII Le choix d un transformateur Choisir un transformateur, c est déterminer son dimensionnement, donc sa puissance. Il faut donc toujours partir de l application. Intéressons-nous d abord aux transformateurs d équipement, qui sont différents des transformateurs de distribution basse tension. Déterminer la puissance Dans le cas d un équipement incluant des automatismes, la puissance d un transformateur dépend de la puissance maximale nécessaire à un instant donné (dite puissance d appel) de la puissance permanente, de la chute de tension et du facteur de puissance. Pour déterminer la puissance d appel, il est impératif, dans tous les cas, de tenir compte du fait que : 2 appels ne peuvent se produire en même temps le facteur de puissance cos ϕ est égal à 0,5 80% des appareils, au maximum, sont alimentés en même temps. Pour simplifier, cette puissance d appel se calcule selon la formule : P appel =0,8 ( Pm + Pv + Pa) Pm étant la somme de toutes les puissances de maintien des contacteurs. Pv étant la somme de toutes les puissances des voyants. Pa étant la puissance d appel du plus gros contacteur. Déterminer le dimensionnement Autres transformateurs (TDCE, TFCE, CNOMO...), on peut se référer aux courbes de dimensionnement par la chute de tension, calculées dans le tableau ci-contre. Pour une puissance de 460 VA cos ϕ 0,5, on lit par exemple sur la courbe, à Unominal -5%, une valeur de 160 VA. Vérifier la pertinence du choix en calculant la puissance permanente C hacun des équipements doit être soumis aux contrôles suivants : 1. calcul de la somme totale des puissances permanentes nécessaires au maintien des bobines et des voyants sous tension 2. application d un coefficient : soit celui de l hypothèse 80% des appareils maintenus sous tension, soit celui issu du calcul réel de l équipement. Choisir un transformateur de distribution basse tension On détermine son dimensionnement en additionnant les différentes puissances absorbées par les appareils qu il alimente. Si les puissances sont exprimées en W, il faut les convertir en VA. Sans oublier de prendre en compte le facteur de puissance indiqué sur la plaque de chaque appareil alimenté. de commande : il suffit de partir de la puissance d appel à cos ϕ 0,5 et de lire le dimensionnement dans le tableau ci-contre. On constate par exemple qu une puissance d appel de 460 VA à cos ϕ 0,5 demande un transformateur dimensionné à 160 VA.

8 VIII Les normes Le transformateur n échappe pas à la standardisation, donc aux normes. Aujourd hui, un seul document, l IEC , remet tout à plat et prend en compte la majorité des cas d application. Les évolutions récentes en matière de normes L es publications sont désormais regroupées en un seul document : l IEC Il comprend deux sections, ce qui le rend plus facile à exploiter. La section 1 pour les règles générales. La section 2 qui fournit à l utilisateur les indications lui permettant de respecter les contraintes réglementaires ou les exigences normatives. La section 2 est elle-même divisée en plusieurs parties, dont trois au moins concernent notre sujet : Partie 2.2 : transformateurs de commande. Partie 2.4 : transformateurs de séparation de circuits pour usage général. Partie 2.6 : transformateurs de sécurité pour usage général. Les normes de transformateurs sont repérées par des symboles, eux-mêmes normalisés. d isolement (isolation fonctionnelle entre primaire et secondaire) Autotransformateurs (pas d isolation entre primaire et secondaire) de commande (isolation fonctionnelle entre primaire et secondaire) de sécurité (isolation renforcée entre primaire et secondaire, tension à vide <50V) de séparation de circuits (isolation renforcée entre primaire et secondaire) d isolement résistant aux courts circuits Les autres normes qui régissent les transformateurs NF C : pour les transformateurs de puissance. NF C : pour les transformateurs de puissance de type sec. UL 506 : pour les transformateurs à usage général, incluant les transformateurs de commande. CSA C 22.2 n 66 : idem précédente. CAN CSA - E : pour les transformateurs de séparation de circuits et les transformateurs de sécurité. UL 1012 : pour les alimentations de tensions inférieures à 600 V. IEC 60950/EN : elle précise les règles de sécurité de traitement des matériels de l information. IEC 1204/EN : elle expose les caractéristiques de fonctionnement et les prescriptions de sécurité visant les dispositifs d alimentation à basse tension avec sortie à courant continu. NF EN : elle régit les automates programmables, les spécifications d essais des équipements et en particulier les valeurs d alimentation, en alternatif et en continu, des unités centrales.