Transformateurs
monophasé et triphasé
Electricité
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Les transformateurs permettent de transformer le voltage et le courant. Pour la distribution de l'électricité on utilise de très hautes tensions (moins de pertes), tandis que l'utilisateur préfère une tension plus basse moins dangereuse.



Montage zig-zag avec primaire triangle ou étoile.


Changeur de prises en charge


Changeur de prises et indication externe


Régulateur de tension à induction

Les transformateurs ne fonctionnent qu'avec du courant alternatif, c'est une des raisons du passage au courant alternatif au lieu du continu il y a une centaine d'années. Actuellement on peut également transformer du continu avec des modules électroniques, mais ils n'existaient pas à cette époque.

Un tranformateur transforme une basse tension en haute tension ou l'inverse. Comme la puissance reste constante, la basse tension a un courant plus important que la haute tension. Un courant plus important produit plus de pertes au transport, c'est ainsi que la distribution de l'électricité se fait sous haute tension.

Il existe différents types de transformateurs: les transformateurs à circuit accordé utilisés pour l'amplification de signaux haute fréquence (radio, télévision, etc), les transformateurs d'impédance utilisés dans certains montages électroniques,... Nous nous limitons ici aux transformateurs industriels utilisés dans la distribution de l'électricité.

La distribution d'électricité se faisant en triphasé, la plupart des transformateurs sont également triphasés qui permettent d'éliminer une partie du fer et du cuivre (et donc de réduire les pertes). Ce n'est que quand il faut transformer une puissance extrèmement élevée qu'il ne serait plus possible de transporter le transformateur ainsi fabriqué qu'on utilise trois transformateurs monophasés (transformateurs de sortie d'une centrale électrique).

La plupart des transformateurs ont trois colonnes bobinées: ce type de transformateur est dit à flux liés. Ce type de transformateur est moins recommandé en cas de charge qui peut être asymmétrique. On utilise alors deux colonnes supplémentaires non bobinées permettant aux flux parasite de fermer le circuit (transformateur à flux libre).

On utilise les deux types de branchement standards comme pour les moteurs et les générateurs: le montage en étoile et celui en triangle.

Montage étoile

Le montage étoile est plus économique pour les tensions élevées, il permet de placer les changeurs de prises dans l'extrémité basse tension de chaque bobinage (pour légèrement modifier le rapport de transformation)

Il dispose d'une sortie neutre (c'est donc le montage utilisé pour alimenter les utilisateurs résidentiels en Europe). Il est également utilisé en sortie de centrale électrique pour produire la très haute tension. Le neutre est mis localement à la terre et n'est pas transmis via les cables, puisqu'il n'y a pas de courant qui y circule en cas de charge balancée, ce qui est pratiquement toujours le cas dans la distribution d'électricité.

Montage triangle

Ce montage est plus économique pour les basses tensions (et courants élevés). Il n'y a pas de neutre et la tension par rapport au neutre peut varier.

Ce montage est utilisé en Amérique pour alimenter les utilisateurs résidentiels en split phase avec high leg. Le neutre est connecté à la prise médiane d'un des bobinages.

Pour mieux répartir la charge, on s'arrange souvent pour avoir un montage différent au primaire et secondaire. Même si le nombre de spires est identique (rapport de transformation = 1), le passage d'un montage à l'autre produit une tension 1.7× plus basse ou plus élevée.

Montage zig-zag

Le montage zig-zag est une forme spéciale du montage étoile. Contrairement aux deux autres systèmes où on peut (en théorie) brancher un bobinage en étoile ou en triangle, le montage zig-zag nécessite un bobinage spécial double.

Il permet d'équilibrer la charge sur les trois conducteurs primaires quand la charge secondaire est asymmétrique. Ce type de montage permet également de réduire les harmoniques causées par les charges non-linéaires: alimentations à commutation, variateurs électroniques de vitesse, etc. Ce type de montage dispose également d'une sortie neutre.

Il est souvent utilisé à la place d'un transformateur à sortie étoile pour alimenter les utilisateurs résidentiels (charge très peu équilibrée). Sa construction plus complexe limite son utilisation aux basses puissances et tensions.

Le transformateur zigzag avec un triangle au primaire ne produit pas de déphasage ou un déphasage de 180° (tout comme un transfo triangle-triangle ou étoile-étoile), mais avec l'avantage d'un montage triangle-étoile (réduction des harmoniques et répartition d'une charge asymmétrique sur les phases). L'absence de déphasage est important dans l'interconnection de réseaux.

Prenons un transfo avec au primaire un bobinage de n spires alimenté en v volts et au secondaire deux bobinages de n/2 spires. A cause du déphasage entre les deux bobinages secondaires, la tension au secondaire ne sera pas v, mais 0.85 × v. Il faut donc plus de spires pour obtenir une tension donnée, les pertes au cuivre sont donc plus importantes qu'avec un secondaire bobiné en étoile. C'est une raison supplémentaire pour limiter l'utilisation de tels transfos aux puissances moins importantes.

Modification de la tension

Il est souvent nécessaire de légèrement modifier la tension d'un transformateur pour adapter sa tension au réseau. Quand la consommation du réseau augmente, les pertes dans les cables et les transformateurs augmentent également. Pour éviter que les clients ne reçoivent une tension trop basse, le transformateur est automatiquement commuté à une tension de sortie plus élevée. Le système ne mesure pas la tension chez les utilisateurs, mais le courant total et extrapole la chute de tension et donc la correction à effectuer.

Tous les transformateurs ne sont évidemment pas équipés d'un tel système complexe: les cabines de transformation locales n'en ont pas, ce sont les gros transformateurs moyenne tension qui alimentent des dixaines de cabines locales qui en sont équipés.

Changeurs de prises

Avec les puissances élevées en jeu, on n'utilise pas de transformateurs variables avec charbon qui fait contact sur des spires consécutives (variac ou alternostat). Par contre on utilise des changeurs de prises (commandés par un moteur externe). Ce changeur de prise permet de mettre une spire de plus en fonction à chaque pas, et donc de modifier la tension en sortie.

La commutation s'effectue en charge (pas possible de couper le courant pour changer le rapport de transformation) et la commutation ne peut pas produire d'interruption du courant. Le changeur de prise est baigné dans de l'huile spéciale qui réduit les étincelles à la commutation. Il s'agit d'un bain séparé au bain du transfo pour permetttre un changement plus fréquent de l'huile. C'est le système le plus utilisé.

Le changeur de prise des grands transformateurs se compose de deux parties:

  • Un sélecteur double qui va sélectionner la prise par laquelle le courant va passer. La sélection s'effectue sur la branche qui est mise hors courant par le commutateur. Il y a une sélection active sur chaque branche.
  • Le commutateur sélectionne l'une ou l'autre branche. Il dispose de deux résistances pour limiter le courant de commutation. Pendant la commutation (qui dure de 50 à 100ms selon les modèles), il y a un moment où les deux prises sont connectées ensemble. En situation normale, les résistances ne sont évidemment pas utilisées.

Pour assurer une commutation rapide, le moteur qui effectue la commutation va d'abord tendre un ressort (pendant une demi-seconde à une seconde), puis libérer le ressort qui effectue la commutation en 50 à 100ms. C'est le même principe que les sectionneurs.

Le changeur de prise représenté à droite est celui d'un transformateur de 250kVA (considéré comme très basse puissance par les industriels). Il permet une modification de la tension de + ou - 16% par pas de 1%.

Régulateur à induction

Pour obtenir une variation avec des pas plus petits, on utilise un transformateur rotatif qui ressemble fort à un moteur à induction (moteur asynchrone) à cage bobinée, mais ici le rotor ne peut pas tournet librement. Le primaire est le stator, qui produit un champ magnétique. En modifiant la position du rotor, on peut modifier la tension induite dans le rotor. La tension du rotor est ajoutée à la tension du secteur et permet ainsi de faire varier la tension en sortie.

Les contacts au bobinages du rotor ne se font plus par des anneaux comme dans les moteurs asynchrones à cage bobinée, mais par des connections permanentes réalisées en cables souples, le rotor ne tournant jamais plus de 180°.

La variation de la tension en sortie est généralement limitée à un pourcentage de la tension nominale, par exemple ±15%, le transformateur rotatif ne doit être construit que pour une puissance de 15% de la puissance nominale du réseau.

Dans une installation pratique, on va brancher le rotor sur l'extrémité basse tension d'un transformateur en montage étoile. Le transformateur rotatif remplace les changeurs de prises.

Le régulateur à induction permet de modifier en permanence la tension. Il n'y a pas de contacts qui se font et le régulateur est donc très fiable.

Contrairement à un transformateur classique, le régulateur à induction a un entrefer, nécessaire pour permettre au rotor de tourner. L'avantage est que le courant au primaire est limité en cas de cours-circuit au secondaire (c'est également le cas des alternateurs qui ont aussi un entrefer et dont le courant en cours-circuit est limité à 3× à 5× le courant maximal).

Le triphasé ne peut pas être transformé aisément en monophasé. Quand une forte puissance monophasée est nécessaire, on utilise souvent un transformateur open delta.

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