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Circuits magnétiquement couplés

Des circuits magnétiquements couplés sont des circuits électriques bobinés autour d'un même circuit magnétique. Par exemple deux enroulements d'un transformateur ou d'une machine électrique. On abrège souvent l'expression en Circuits couplés

Paramètres d'un ensemble de deux circuits magnétiquement couplés
équations et schémas

On représente en général deux bobines magnétiquement couplées à l'aide du montage suivant :
avec L₁ et L₂ les inductances propres de chacune des bobines
et M : l'inductance mutuelle.

Cette modélisation occulte totalement les non-linéarités, mais elle permet de faire une étude analytique approchée et souvent suffisante de nombreux dispositifs de l'électrotechnique, tels que les machines électriques et les transformateurs. Les résistances des bobines ne sont pas non plus représentées, car elles ne modifient pas les démonstrations ci-dessous.

Pour des raisons pratiques et / ou historiques, c'est le montage ci-dessous qui est utilisé :

Ce deuxième montage ne fait plus apparaître l'inductance mutuelle et il comporte quatre paramètres au lieu de trois. L'un de ces paramètres est donc choisi arbitrairement et c'est ce qui fait l'originalité de chacun des modèles existants. Conventionnellement le circuit d'indice 1 est appelé circuit primaire et celui d'indice 2 circuit secondaire, en référence aux transformateurs.

Détail: l₁ et l₂ sont appelées inductances de fuite primaire et secondaire; l_µ est l'inductance de magnétisation ramenée au primaire; α est le rapport de transformation du transformateur idéal introduit dans cette modélisation

Une analyse mathématique des deux montages permet de montrer qu'ils sont totalement équivalents si les relations suivantes sont vérifiées :

Détail: L_µ = M / α; l₁ = L₁ - M / α; l₂ = L₂ - αM

Modèles usuels des circuits couplés

Modèle à fuites totalisées au primaire

Dans ce modèle on affirme que les fuites magnétiques n'existent pas pour l'enroulement secondaire. Le paramètre choisi est : l₂ = 0 = L₂ - αM

Ceci a pour conséquence que les paramètres de ce modèle sont liés avec les inductances par les relations :

Détail: K_p = α = L₂ / M; L_p = L_µ = M² / L₂; L_ƒp = L₁ - L_µ = L₁ - M² / L₂ = σL₁

avec : σ = 1 - M² / L₁L₂ : coefficient de fuite ou coefficient de Blondel.

Ce modèle est particulièrement intéressant lorsqu'on s'intéresse aux effets des inductances de fuite du circuit couplé sur l'alimentation du montage. Par exemple pour le dimensionnement du transformateur dans les alimentations à découpage de type fly-back.

Modèle à fuites totalisées au secondaire

Dans ce modèle on affirme que les fuites magnétiques n'existent pas pour l'enroulement primaire. Le paramètre choisi est : l₁ = 0 = L₁ - M / α

Ceci a pour conséquence que les paramètres de ce modèle sont liés avec les inductances par les relations :

Détail: K_s = α = M / L₁; L_µ = L₁; l_ƒs = L₂ - M² / L₁ = σL₂

Pour des raisons de commodité, il est fréquent de ramener l'impédance de fuite du côté primaire

Avec : N_s : impédance ramenée au primaire de l'inductance de fuite secondaire . Cette impédance ramenée ne doit pas être confondue avec l'impédance de fuite primaire du précédent modèle.

N_s = l_ƒs / K²_s = L₁ * (L₁L₂ / M² - 1) = L₁ * σ / 1 - σ

Ce modèle est très pratique pour calculer l'influence du circuit magnétique sur l'alimentation électrique quand celle-ci alimente le primaire. On l'utilise par exemple pour modéliser la machine asynchrone

Modèle à fuites séparées

Ce modèle est couramment utilisé pour les transformateurs.

On pose α = m = n₂ / n₁ égal au rapport du nombre de spires de la bobine 2 par le nombre de spires de la bobine 1.

On obtient :

Détail: L_µ = M / m; l₁ = L₁ - M /: m; l₂ = L₂ - mM

On peut également ramener l'inductance de magnétisation au secondaire et obtenir le modèle équivalent suivant :

avec : L_2µ = L_1µ / m²

Modèle en T
on pose α = 1 ce qui revient à faire disparaître le transformateur du modèle :

Attention : Ce modèle fonctionne parfaitement d'un point de vue mathématique mais il est parfois illusoire de vouloir trouver un sens physique aux trois dipôles qui le constituent.

Par exemple les valeurs de L₁ - M ou de L₂ - M peuvent être négatives, ce qui revient à dire, en régime sinusoïdal de courant, que l'inductance se comporte comme un condensateur.

Catégories :

Transformateur électrique - Composant électrique - électrotechnique - Composant passif - Distribution de l'énergie électrique - Dispositif électromagnétique - Traitement de l'énergie électrique

Un transformateur électrique est un convertisseur qui sert à modifier les valeurs de ... de l'énergie électrique par des lignes à haute tension...... (comme sur une montre) entre le primaire et le secondaire du transformateur (ex.... (source)

Un transformateur électrique est un convertisseur servant à modifier les valeurs de tension et d'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un dispositif de tension et de courant de valeurs différentes, mais de même fréquence et de même forme. Il effectue cette transformation avec un excellent rendement. Il est analogue à un engrenage en mécanique (le couple sur chacune des roues dentées étant l'analogue du courant et la vitesse de rotation étant l'analogue de la tension).

On peut distinguer les transformateurs statiques et les commutatrices. Dans un transformateur statique, l'énergie est transférée du primaire au secondaire par l'intermédiaire du circuit magnétique que forme la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alors magnétiquement couplés. Ceci sert à réaliser un isolement galvanique entre les deux circuits. Dans une commutatrice, l'énergie est transmise de manière mécanique entre une génératrice et un moteur électrique.

Vue en coupe d'un transformateur triphasé.

Invention

Les principes du transformateur ont été établis en 1831 par Michæl Faraday, mais ce dernier ne s'en servit que pour démontrer le principe de l'induction électromagnétique et n'en prévit les applications pratiques.

Lucien Gaulard, jeune électricien français, présente à la Entreprise française des électriciens, en 1884, un générateur secondaire, dénommé depuis transformateur.

En 1883, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs réussissent à transmettre pour la première fois, sur une distance de 40 km, du courant alternatif sous une tension de 2000 volts avec transformateurs avec un noyau en forme de barres.

En 1884, Lucien Gaulard met en service une liaison bouclée de démonstration 133 Hz) alimentée par du courant alternatif sous 2000 volts et allant de Turin à Lanzo et retour 80 km). On finit alors par admettre l'intérêt du transformateur qui permet d'élever la tension délivrée par un alternateur et favorise ainsi le transport de l'énergie électrique par des lignes à haute tension. La reconnaissance de Gaulard interviendra trop tardivement.

Entre-temps, des brevets ont été pris aussi par d'autres. Le premier brevet de Gaulard en 1882 n'a même pas été délivré en son temps, sous prétexte que l'inventeur prétendait pouvoir faire quelque chose de rien Gaulard attaque, perd ses procès, est ruiné et finit ses jours dans un asile d'aliénés. Le transformateur de Gaulard de 1886 n'a pas grand-chose à envier aux transformateurs actuels, son circuit magnétique fermé (le prototype de 1884 comportait un circuit magnétique ouvert, d'où un bien médiocre rendement) est constitué d'une grande variété de fils de fer annonçant le circuit feuilleté à tôles isolées.

Ainsi, en 1885, les Hongrois Károly Zipernowsky, Miksa Déry et Otto Titus Bláthy mettent au point un transformateur avec un noyau annulaire commercialisé dans le monde entier par la firme Ganz à Budapest . Aux états-Unis, W.Stanley développe des transformateurs.

Constitution

Photographie des enroulements d'un transformateur triphasé.

Il est constitué de deux parties principales, le circuit magnétique et les enroulements.

Le circuit magnétique

Le circuit magnétique d'un transformateur est soumis à un champ magnétique variable au cours du temps. Pour les transformateurs reliés au secteur de distribution, cette fréquence est de 50 ou 60 hertz. Le circuit magnétique est le plus souvent feuilleté pour diminuer les pertes par courants de Foucault, qui dépendent de l'amplitude du signal et de sa fréquence. Pour les transformateurs les plus courants, les tôles empilées ont la forme de E et de I, donnant la possibilité ainsi de glisser une bobine au sein des fenêtres du circuit magnétique ainsi constitué.

Schémas des tôles d'un transformateur monophasé. Schéma de la carcassed'un
transformateur monophasé bas de gamme.

Les circuits magnétiques des transformateurs haut de gamme ont la forme d'un tore. Le bobinage des tores étant plus délicat, le prix des transformateurs toroïdaux est nettement plus élevé.

Les enroulements

Les enroulements sont généralement concentriques pour minimiser les fuites de flux.

Le conducteur électrique utilisé dépend des applications, mais le cuivre est le matériau de choix pour l'ensemble des applications à fortes puissances. Les fils électriques de chaque tour doivent être isolés les uns des autres pour que le courant circule dans chaque tour. Pour des petites puissances, il suffit d'utiliser des conducteurs magnétiques émaillés pour assurer cette isolation dans les applications à plus fortes puissances on entoure les conducteurs de papier diélectrique imprégné d'huile minérale. Pour les plus fortes puissances on utilise des conducteurs multibrins pour limiter l'effet de peau mais aussi les pertes par courants de Foucault.

Les enroulements du primaire ou du secondaire peuvent avoir des connexions externes, nommées prise, à des points intermédiaires de l'enroulement pour permettre une sélection de rapport de tension. Les prises peuvent être connectées à un changeur automatique de prises en charge pour le contrôle de la tension du circuit de distribution. Les transformateurs à fréquences audio, utilisés pour la distribution de l'audio à des haut-parleurs, ont des prises pour permettre l'ajustement de l'impédance de chacun des haut-parleurs. Un transformateur à prise médiane est fréquemment utilisé dans les amplificateurs de puissance audio. Les transformateurs de modulation dans les transmetteurs à modulation d'amplitude sont particulièrement identiques.

Le dispositif de refroidissement

Dans le domaine de l'électricité en basse tension et dans le domaine de l'électronique, la dissipation thermique des transformateurs s'effectue par simple convection naturelle de l'air autour des enroulements primaires et secondaires.

Dans le cadre des circuits électriques à haute tension et de forte puissance, les transformateurs peuvent être équipés de divers systèmes de refroidissement :

Détail: ailettes métalliques fixées tout autour de la cuve du transformateur qui évacuent la chaleur par convection naturelle; ailettes fixes associées à un condenseur à circulation forcée de l'huile d'isolation galvanique du transformateur; pour les transformateurs les plus puissants, par exemple ceux des grandes lignes THT de la RTE de 400 à 150 kV, on utilise des dispositifs de ventilation forcée d'un important flux d'air associé ou non à un échange thermique avec l'huile de la cuve. Le système de refroidissement est toujours couplé à un dispositif de capteurs de température jouant le rôle de thermostat (commande automatique de la mise en route de la ventilation).

L'huile contenue dans la cuve joue un double rôle : caloporteur et diélectrique. Les PCB ont été longtemps utilisés, mais depuis leur interdiction en 1987 (décret 87-59 du 2 février 1987, référence NOR ENVP8700002D), on utilise principalement de l'huile minérale.

Enfin signalons que dans le domaine de la radiodiffusion de forte puissance, les transformateurs d'impédance et les transformateurs d'accord sont quelquefois constitués d'une immense self rigide en cuivre creux dans lequel circule de l'eau pure (l'eau pure est un isolant électrique). Des blocs émetteurs de TDF à Allouis dans le Cher ainsi qu'à St-Aoustrille près d'Issoudun dans l'Indre ont utilisé cette technologie de dissipation thermique.

Fonctionnement du transformateur monophasé

Transformateur parfait

Transformateur monophasé parfait

C'est un transformateur virtuel sans aucune perte. Il est utilisé pour modéliser les transformateurs réels. Ces derniers sont reconnus comme une association d'un transformateur parfait et de diverses impédances.

Dans le cas où l'ensemble des pertes et les fuites de flux sont négligées, le rapport du nombre de spires primaires sur le nombre de spires secondaires détermine complètement le rapport de transformation du transformateur.

Exemple : Un transformateur dont le primaire comporte 230 spires alimenté par une tension sinusoïdale de 230V de tension efficace, le secondaire qui comporte 12 spires présentera à ses limites une tension sinusoïdale dont la valeur efficace sera égale à 12V. U2 / U1 = N2 / N1

Comme on néglige les pertes, la puissance est transmise totalement, c'est pourquoi l'intensité du courant dans le secondaire sera dans le rapport inverse soit près de 19 fois plus importante que celle circulant dans le primaire.

De l'égalité des puissances apparentes :
S1 = S2- U1I1 = U2I2- U2 / U1 = I2 / I1

Les pertes de puissance d'un transformateur

Les pertes par effet Joule

Les pertes par effet Joule dans les enroulements sont nommées aussi pertes cuivre, elles dépendent de la résistance de ces enroulements et de l'intensité du courant qui les traverse : avec une bonne approximation elles sont proportionnelles au carré de l'intensité.

P_j = Σ_i.R_i.i²_i avec R_ila résistance de l'enroulement i et I_il'intensité du courant qui le traverse.

Les pertes magnétiques

Ces pertes dans le circuit magnétique, aussi nommées pertes fer, dépendent de la fréquence et de la tension d'alimentation. A fréquence constante on peut les considérer comme proportionnelles au carré de la tension d'alimentation. Ces pertes ont deux origines physiques:

Les pertes par courants de Foucault. Elles sont minimisées par l'utilisation de tôles magnétiques vernies, par conséquent isolées électriquement les unes des autres pour former le circuit magnétique, ce en opposition à un circuit massif.les pertes hystérésis, minimisées par l'utilisation d'un matériau ferromagnétique doux.

Mesure des pertes

La méthode des pertes scindées consiste à placer le transformateur dans deux états :

Détail: Un état pour lequel les pertes Joule sont élevées (fort courant) et les pertes magnétiques particulièrement faibles (faible tension). La mise en court-circuit du transformateur (essai en court-circuit) avec une alimentation en tension réduite sert à réaliser ces deux conditions. Les pertes du transformateur sont alors presque identiques aux pertes Joule.; Un état pour lequel les pertes magnétiques sont élevées (forte tension) et ou les pertes Joule sont particulièrement faibles (faible courant). Le fonctionnement à vide (essai à vide), c'est-à-dire sans récepteur relié au secondaire, correspond à ce cas. La puissance consommée au primaire du transformateur est alors presque égale aux pertes magnétiques.

On dit qu'on a deux états qui permettent une séparation des pertes d'où l'expression méthode des pertes scindées. Elles ont aussi l'avantage de permettre la mesure du rendement avec une consommation de puissance réduite, sans faire l'essai en fonctionnement réel. Ceci est intéressant quand on réalise les tests d'un transformateur de forte puissance et qu'on ne dispose pas dans l'atelier de la puissance indispensable pour l'alimenter à son régime nominal. Mis à part pour les plates-formes d'essai chez les constructeurs, cette méthode n'a par conséquent pas grand intérêt pour seulement connaître le rendement car, dans ce contexte, une mesure directe à puissance nominale (normale) est fréquemment suffisante.

En revanche, dans le cadre de l'électrotechnique théorique, elle est importante car elle sert à déterminer les éléments servant à modéliser le transformateur.

Les différents types de transformateurs

Ces distinctions sont fréquemment liées aux particulièrement nombreuses applications envisageables des transformateurs.

Autotransformateur

Symbole d'un autotransformateur. 1 indique le primaire et 2 le secondaire.

Il s'agit d'un transformateur sans isolement entre le primaire et le secondaire.

Dans cette structure, le secondaire est une partie de l'enroulement primaire. Le courant alimentant le transformateur parcourt le primaire en totalité et une dérivation à un point donné de ce dernier détermine la sortie du secondaire. Le rapport entre la tension d'entrée et la tension de sortie est semblable à celui du type isolé.

A rendement égal, un autotransformateur occupe moins de place qu'un transformateur cela est dû au fait qu'il n'y a qu'un seul bobinage et que la partie commune du bobinage unique est parcourue par la somme des courants primaire et secondaire. L'autotransformateur n'est intéressant que quand les tensions d'entrée et de sortie sont du même ordre de grandeur : par exemple, 230V/115V. Une de ses principales applications est pour utiliser dans un pays un matériel électronique prévu pour un pays où la tension du secteur est différente (états-Unis, Japon... ). Il présente cependant l'inconvénient de ne pas présenter d'isolation galvanique entre le primaire et le secondaire (c'est-à-dire que le primaire et le secondaire sont directement connectés), ce qui peut présenter des risques du point de vue de la sécurité des personnes.

En France, l'autotransformateur est toujours utilisé pour le raccordement entre le réseau 225kV et 400kV.

Transformateur variable - variac - alternostat

Il s'agit d'une variété d'autotransformateur, dans la mesure où il ne comporte qu'un seul bobinage. La dérivation de sortie du secondaire peut se déplacer grâce à un contact glissant sur les spires du primaire.

Transformateur d'isolement

Le transformateur d'isolement est seulement conçu pour créer un isolement électrique entre plusieurs circuits pour des raisons fréquemment de sécurité ou de résolution de problèmes techniques. L'ensemble des transformateurs à enroulement primaire isolé du (des) secondaire (s) devraient être reconnus comme des transformateurs d'isolement, cependant, en pratique, ce nom sert à désigner des transformateurs dont la tension de sortie a la même valeur efficace que celle de l'entrée.

Le transformateur d'isolement comporte deux enroulements presque semblables au primaire et au secondaire :

Détail: le nombre de spires du secondaire est fréquemment particulièrement un peu supérieur au nombre de spires du primaire pour compenser la faible chute de tension en fonctionnement; les sections de fil au primaire et au secondaire sont semblables car l'intensité des courants est la même.

Ils sont , par exemple, beaucoup utilisés dans les blocs opératoires : chaque salle du bloc est équipée de son propre transformateur d'isolement, pour éviter qu'un défaut qui y apparaîtrait n'engendre des dysfonctionnements dans une autre salle.

Un autre intérêt est de pouvoir changer de régime de neutre (cas d'utilisation de matériel informatique et / ou d'équipements électroniques sensibles dans une installation IT).

Transformateur d'impédance

Le transformateur est toujours un transformateur d'impédance, mais les électroniciens donnent ce nom aux transformateurs qui ne sont pas utilisés dans des circuits d'alimentation.

Le transformateur d'impédance est essentiellement conçu pour adapter l'impédance de sortie d'un amplificateur à sa charge.

Détail: Ce genre de transformateur était surtout employé dans la restitution sonore, pour adapter la sortie d'un amplificateur audio à lampes (haute impédance), avec les haut-parleurs conçus pour la restitution du son et caractérisés par une impédance basse.; En électronique audio professionnelle, on utilise toujours des transformateurs pour les entrées et sorties d'appareils haut de gamme, ou bien dans la fabrication de Di-box ou boîte de direct. Le transformateur est alors utilisé, non seulement pour adapter l'impédance et le niveau de sortie des appareils (synthétiseurs, basse électrique etc. ) aux entrées micro de la console de mixage mais en outre pour symétriser la sortie des appareils connectés.; En technique des hautes fréquences, on utilise aussi des transformateurs dont le circuit magnétique est en ferrite ou sans circuit magnétique (aussi nommé transformateur sans noyau) pour adapter les impédances de sortie d'un amplificateur, d'une ligne de transmission et d'une antenne. En effet, pour un transfert optimal de puissance de l'amplificateur vers l'antenne, il faut que le taux d'ondes stationnaires soit égal à 1.

De tels montages présentent en outre l'avantage de rendre les appareils connectés bien plus résistants aux perturbations électromagnétiques par une augmentation significative du CMRR (Common Mode Rejection Ratio) ou taux de réjection du mode commun.

Transformateur de mesure

Les transformateurs de mesure font l'interface entre le réseau électrique et un appareil de mesure. La puissance disponible au secondaire est définie suivant les besoins de l'appareil de mesure.

Transformateur d'intensité

Ce type de transformateur, nommé aussi transformateur de courant, est dédié à l'adaptation des courants mis en jeu dans des circuits différents mais fonctionnellement interdépendants.

Un tel transformateur autorise la mesure des courants alternatifs élevés. Il possède une spire au primaire et plusieurs spires secondaires : le rapport de transformation permet l'usage d'un ampèremètre classique pour mesurer l'intensité au secondaire, image de l'intensité au primaire pouvant atteindre plusieurs kiloampères (kA).

Transformateur de tension

Ce transformateur fait partie des moyens pour mesurer des tensions alternatives élevées. C'est un transformateur qui a la particularité d'avoir un rapport de transformation étalonné avec précision, mais prévu pour ne délivrer qu'une particulièrement faible charge au secondaire, correspondant à un voltmètre. Le rapport de transformation sert à mesurer des tensions primaires s'exprimant en kilovolts (kV). On le rencontre en HTA et HTB. D'autres technologies existent, comme celle du diviseur capacitif.

Transformateur haute fréquence

Circuit magnétique des transformateurs HF

Les pertes par courants de Foucault au sein du circuit magnétique sont directement proportionnelles au carré de la fréquence mais inversement proportionnelles à la résistivité du matériau qui le forme. Pour limiter ces pertes, le circuit magnétique des transformateurs HF est réalisé avec matériaux ferromagnétiques isolants :

les ferrites douces : oxydes mixtes de fer et de cuivre ou de zinc et les matériaux nanocristallins.

Transformateur d'impulsions

Ce type de transformateur est utilisé pour la commande des thyristors, triacs et des transistors. Il présente, comparé à l'opto-coupleur, les avantages suivants : fonctionnement envisageable à fréquence élevée, simplification du montage, possibilité d'apporter un courant important, bonne tenue en tension.

Transformateur triphasé

Justification

Dans les réseaux électriques triphasés, on pourrait idéalement envisager d'utiliser 3 transformateurs, un par phase. Dans la pratique, l'utilisation de transformateurs triphasés (un seul appareil regroupe les 3 phases) est généralisée : cette solution permet la conception de transformateurs bien moins coûteux, avec surtout des économies au niveau du circuit magnétique. Les transformateurs monophasés ne sont en fait guère utilisés, sauf pour de très grosses puissances apparentes (typiquement supérieures à 500 MVA), où le transport d'un gros transformateur triphasé est problématique et incite à l'utilisation de 3 unités physiquement indépendantes.

Couplages existants

Pour un transformateur triphasé, il existe 3 types de couplage d'enroulement :

Détail: Le couplage étoile, défini par la lettre Y.; Le couplage triangle, défini par la lettre D ou Δ.; Le couplage zig-zag, défini par la lettre Z.

Liste des couplages envisageables : Yy0, Dd0, Dz0, Yd1, Dy1, Yz1, Yd5, Dy5, Yz5, Yd6, Dd6, dz6 La majuscule est toujours pour la tension la plus forte.

Indice de couplage

C'est la caractéristique d'un transformateur triphasé indiquant le type de couplage réalisé au primaire et au secondaire mais aussi le déphasage entre le dispositif de tensions primaires et le dispositif de tensions secondaires. Les dispositifs triphasés de tension sont : triangle (D ou d) et étoile (Y ou y). La première lettre de l'indice de couplage est toujours en majuscule et indique le dispositif triphasé à tension la plus élevée , la seconde lettre est en minuscule et indique le dispositif à tension la plus basse. Dans le dispositif étoile, le neutre (point central de l'étoile) peut être sorti au bornier du transformateur : ceci est indiqué par la présence de la lettre N (ou n) dans l'indice de couplage. Il existe aussi le couplage zig-zag (z), utilisé surtout au secondaire, il possède un neutre. Ce couplage permet, lors de la perte d'une phase au primaire, d'avoir au secondaire une tension quasiment semblable sur les trois phases. Enfin, l'indice de couplage est complété par un indice horaire qui donne, par pas de 30°, le déphasage horaire en 12^es de tour (comme sur une montre) entre le primaire et le secondaire du transformateur (ex : 11 = 11×30° = 330° en sens horaire ou 30° en sens anti-horaire).

Détail: le dispositif triphasé de tension élevé est en triangle; le dispositif triphasé de tension basse est en étoile avec neutre sorti (indiqué par le n); le décalage entre les deux dispositifs est de 330° ( = -30° ou bien 11×30°).

Les couplages les plus utilisés sont : Yyn0, Yyn6, Yzn5, Yzn11, Dyn5, Dyn11.

Choix de couplage

Un couplage triangle est utilisé pour connecter le bobinage d'un moteur car il ne nécessite pas de neutre. Il permet la connexion d'une charge monophasée à un dispositif triphasé. Il est particulièrement utilisé dans la distribution de l'électricité.

Un couplage étoile permet d'avoir accès à deux tensions différentes : la tension ligne à ligne et la tension ligne à neutre. Il est particulièrement utilisé dans le transport de l'électricité.

Un transformateur avec un couplage zig-zag est parfois utilisé pour les mises à la terre.

Transformateur diphasé-triphasé

Transformateurs de Scott

Diagramme des transformateurs de Scott

Le montage de Scott sert à transformer des tensions triphasées en diphasées et inversement. Il trouve son application en électronique mais également en production, distribution et transmission d'électricité où le diphasé peut être toujours utilisé. Le montage de Scott se réalise grâce à deux transformateurs. Le premier transformateur a les limites de son primaire connectées à deux phases du triphasé. Le second transformateur est connecté entre la prise centrale du premier transformateur et la phase restante du triphasé. Le rapport de bobinage du premier transformateur sera égal à 1 tandis que pour le second il sera égal à √³ / 2ce qui équivaut à 0, 866 à peu près. Le secondaire des deux transformateurs sera de tension égale en norme et avec un déphasage de 90 degrés.

alimentation a découpage

Une alimentation à découpage (schéma de principe çi dessous) est une alimentation électrique dont la régulation est assurée par un composant électrotechnique utilisé en commutation (généralement un transistor). Ce mode de fonctionnement s'oppose à celui des alimentations statique dans lesquelles le composant électrotechnique est utilisé en mode statique.Les alimentations à découpage se sont fortement développées depuis les années 1980 pour pallier les inconvénients des alimentations statique : poids élevé et faible rendement. Elles sont utilisées désormais dans tous les appareils électroniques grand public .

Fonctionnement

L'alimentation fournit du courant électrique à l'ensemble des composants de l'ordinateur. Le bloc d'alimentation doit posséder une puissance suffisante pour alimenter les différents périphériques de ce dernier.

Elle convertit la tension alternative de 230V en diverses tensions continues utilisées par la carte mère et les périphériques (disque dur,lecteur CD, ).

Aux états-Unis les blocs d'alimentation reçoivent une tension à 110V et à 60Hz, tandis qu'en Europe la norme est de 230V à une fréquence de 50Hz; c'est la raison pour laquelle les blocs d'alimentation possèdent la plupart du temps un commutateur permettant de choisir le type de tension reçue.

En général, le bloc alimentation est un convertisseur de type alimentation à découpage, alliant légèreté, rendement important et compacité. Par contre ce type d'alimentation génère beaucoup de parasites haute fréquence, plus ou moins bien filtrés par les boitiers métalliques ou métallisés formant une cage de Faraday et les filtres d'entrée et de sortie.

Tensions et connectique

Il est composé de deux types de brochages principaux: AT et ATX d'un interrupteur à l'arrière afin d'éviter un court-circuit inattendu en cas de problèmes, voire même tout simplement afin de pouvoir aisément mettre l'ordinateur sur tension ou hors tension.

Connexion des périphériques

Les deux types d'alimentation comportent des sorties pour alimenter les périphériques. Trois types de connecteurs sont utilisés:

schema connecteur molex connecteur sata et molex connecteur atx , sata , molex

Alimentation AT

C'est un format d'alimentation à découpage utilisé dans les ordinateurs PC de type Pentium et antérieur. Ce type d'alimentation fournit des tensions de sorties continues de +5V, +12V et -12V. Dans ces alimentations, l'interrupteur de mise en service est directement branché sur le réseau électrique.

Son brochage est le suivant:

Schéma de connexion alimentation AT

Pin P8 Description Pin P9 Description 1 alimentation correcte 1 Masse 2 +5V 2 Masse 3 +12V 3 -5V 4 -12V 4 +5V 5 Masse 5 +5V 6 Masse 6 +5V

Alimentation ATX

C'est le format d'alimentation à découpage utilisé dans les ordinateurs PC de type Pentium II et postérieur. L'alimentation fournit les tensions de sorties suivantes :

Détail: +5V; -5V; +12V-12V; +33V

Dans ces alimentations, l'interrupteur de mise en service est connecté sur la carte mère, le réseau électrique est connecté en permanence, avec parfois un interrupteur de sécurité pour la maintenance.

Autres formats

Il existe d'autres formats moins courants:

Détail: BTX, développé par Intel et Sony pour remplacer l'ATX, standard depuis de nombreuses années; le principal objectif du BTX est une ventilation optimale du processeur. Quelques défauts importants ont néanmoins freiné son expansion et en 2007 il sera abandonné bien que décliné dans d'autres format : le microBTX (26,4 × 26,6cm) et le picoBTX (20,3 × 26,6cm);; Baby AT, boîtier similaire au format AT, mais moins encombrant;; NLX, format de boîtier et de carte mère; il présente la particularité de séparer la carte mère en deux éléments distincts, l'un d'eux recevant le processeur, la mémoire et les autres composants essentiels de la carte, l'autre accueillant les cartes d'extensions.

Fonction des connecteurs d'alimentation ATX 20 broches

Fonction des connecteurs d'alimentation ATX 24 broches

Contraintes techniques

Le rendement

Le rendement d'une alimentation est très important. Il s'agit du rapport entre la puissance délivrée aux composants et la puissance tirée de la prise électrique. Elle doit transformer le courant électrique alternatif du secteur en courant électrique continu que les composants du PC peuvent utiliser. Lors de cette transformation il y a une déperdition d'énergie sous forme de chaleur (c'est bien pour cela qu'il faut refroidir l'alimentation). Il est par conséquent important de choisir une alimentation à fort rendement, pour avoir une consommation électrique, un dégagement de chaleur moindre impactant un besoin de ventilation plus faible et moins bruyant.

En prenant pour comparaison des alimentations avec un rendement de 72% (rendement préconisé par Intel et sa norme ATX) et de 80% (rendement préconisé par le groupement américain 80 plus), "ramené à la France pour 2006, année lors de laquelle se sont vendus 7850000 PC, le gain économique équivaut à plus de 53 millions d'euros en facture d'électricité pour un gain de 667250000kWh

Type Puissance Watt Rendement typique Coût moyen Tension d'entrée Volts Isolation Stockage d'énergie Niveau de sortie Caractéristiques Buck 0-1000 75% 1.0 5-1000* N Simple inductance Vout Vin Boost 0-150 78% 1.0 5-600* N Simple inductance Vout Vin Buck-boost 0-150 78% 1.0 5-600* N Simple inductance Up ou down Tension de sortie inversée Flyback 0-150 78% 1.0 5-600 O Transformateur Up ou down Sorties multiples Half-Forward 0-250 75% 1.2 5-500 O Transformateur + inductance Forward 78% O Transformateur + inductance Sorties multiples Push-Pull 100-1000 72% 1.75 50-1000 O Half Bridge 0-500 72% 1.9 50-1000 O Full-Bridge 400-2000 69% >2.0 50-1000 O Resonant, zero voltage switched 1000 2.0 Cuk N Condensateur + 2 inductances Up ou down Tension négative pour une entrée positive Inverting charge-pump (Cuk modifié) N Simple inductance Tension de sortie négative et d'une amplitude supérieure à la tension d'entrée SEPIC N 2 inductances Up ou down pompe de charge N Condensateurs uniquement Utilisés pour générer de très hautes tensions voltage multipliers), ou sur des circuits intégrés faible puissance (par exemple pour polariser des mémoires)

Enroulement de transformateur

Bobine

Disposition classique des enroulements autour du noyau magnétique

Les trois enroulements ( primaire, secondaire, tertiaire ) d'un transformateur découpés pour mieux en voir la constitution

Un enroulement de transformateur est l'ensemble des spires formant un circuit associé à l'une des tensions pour lesquelles le transformateur a été établi. En d'autre terme il s'agit d'une bobine électriqueplacée autour du noyau magnétiqued'un transformateur.

Leur niveau de tension détermine leur nom et leur disposition. Les contraintes mécaniques, thermiques et les surtensions qu'ils doivent être capables de supporter influencent fortement leur conception. Les enroulements sont par définition un ensemble de spires, elles-mêmes constituées de conducteurs. Les spires doivent être isolées diélectriquement entre elles. Les conducteurs, quant à eux, doivent avoir une bonne conductivité électrique et être suffisamment rigides pour répondre aux contraintes mécaniques. La configuration des conducteurs influence le comportement de l'enroulement en cas de surtension. Une mauvaise conception des enroulements sur le plan mécanique peut entraîner leur déformation au cours du temps.

Les enroulements de réglages, combinés aux changeurs de prise, permettent de faire varier le rapport de transformation des transformateurs. Leur conception est différente de celle des autres enroulements.

Les enroulements sont connectés entre eux de différentes façons, on parle de couplage. Chacun a des avantages et des inconvénients qui déterminent leur usage.

Traditionnellement, l'enroulement qui reçoit la puissance active de la source d'alimentation en service est appelé enroulement primaire et celui qui délivre la puissance active à la charge enroulement secondaire. Ces termes ne permettent pas de savoir quel enroulement a la tension assignée la plus élevée et il est donc préférable de ne pas les utiliser sauf dans le contexte de la direction du flux de puissance active. Un autre enroulement du transformateur, ayant habituellement une puissance assignée inférieure à celle de l'enroulement secondaire, est alors souvent appelé enroulement tertiaire. Pour plus de clarté il convient d'employer les termes enroulements haute tension ( HT en français, HV en anglais ), moyenne tension ( MT ) et basse tension ( BT, LV ) qui ne prêtent pas à confusion, étant classés en fonction de leur niveau de tension. Un enroulement supplémentaire est placé dans les transformateurs munis d'un changeur de prises, il est appelé enroulement de réglage.

Principe

Le rapport du nombre de spires entre primaire, secondaire et tertiaire détermine le rapport de conversion des tensions et des courants.

Disposition

Les bobines ( primaire, secondaire, tertiaire ) sont enroulées de manière coaxiale autour des colonnes bobinées du noyau magnétique.

La principale contrainte à prendre en compte lors de la conception d'un enroulement est sa résistance au courant de court-circuit, il faut qu'il puisse évacuer la chaleur et ne casse pas sous l'effet de la contrainte mécanique. Les contraintes mécaniques croissant avec le nombre de spires, et décroissant avec le diamètre de celles-ci, on place le secondaire proche du noyau et le primaire à son extérieur afin de garder ces contraintes dans un domaine acceptable. Cette disposition limite également la demande d'isolation entre bobine et noyau magnétique, le secondaire ayant une tension inférieure au primaire. De plus, dans le cas où le transformateur possède un enroulement de réglage, celui-ci est connecté en général au primaire, cela présente de nombreux avantages : connexion plus facile, courant plus faible et pilotage à flux constant possible.

Contraintes s’appliquant aux enroulements

Contraintes mécaniques

Contraintes mécaniques sur les enroulements du transformateur

Le courant circulant dans les bobines, combiné aux champs magnétiques de fuite qu'elles génèrent induisent des forces de Laplacesur les enroulements. Ces forces sont proportionnelles au carré de l'intensité parcourant les enroulements. Elles sont à la fois radiales, elles écartent les enroulements les uns des autres, et axiales, elles compressent les enroulements.

Lors d'un événement de type court-circuit, le courant devient particulièrement élevé, de 8 à 10 fois le courant nominal pour les gros transformateurs, plus pour les petits. Le courant à prendre en compte dans ce cas pour les calculs mécaniques est la valeur maximale du courant de court-circuit, sa valeur crête, correspondant au courant asymétrique. Il induit une grande contrainte mécanique sur les enroulements. Cela doit être pris en considération lors de leurs dimensionnements. Les courants d'enclenchementqui apparaissent lors de la connexion d'un transformateur au réseau ont des effets similaires dans des proportions moindres, cependant leur répétition les rend non négligeables.

Contraintes thermiques

Lors des courts-circuits en particulier, les contraintes sur les enroulements ne sont pas seulement mécaniques mais également thermiques. La valeur importante du courant circulant dans ce cas dans les enroulements conduit à un fort échauffement par effet Joule. La constante de temps thermique d'un enroulement étant largement supérieure aux quelques secondes que durent un court-circuit, on peut considérer que les enroulements n'ont pas le temps de se refroidir, d'évacuer la chaleur apportée. Si la chaleur induite par le court-circuit conduit à un échauffement trop important de l'enroulement celui-ci peut fondre.

Pour ces raisons, les normes prévoient le calcul du courant thermique maximum que peut tolérer un transformateur. Il correspond au courant symétrique. La valeur importante dans le calcul de cette tolérance thermique est le produit I²_scc * t, avec t la durée estimée du court-circuit. La norme CEI prévoit une durée standardisée de 2 secondes. Cette chaleur ne doit pas provoquer le dépassement de la température maximale autorisée pour les conducteurs qui est supérieure pour le cuivre à celle de l'aluminium, dans le cas où l'enroulement est immergé dans l'huile, ces températures sont respectivement de 250° et 200° C.

Schéma équivalent d'un transformateur en état transitoire et répartition de la tension dans les enroulements

La foudre tombant sur les lignes ou d'autres événements comme l'ouverture ou la fermeture de disjoncteurs dans le réseau peuvent causer des surtensions aux bornes des enroulements du transformateur. Dans ce cas une modélisation du transformateur uniquement inductive, dans laquelle la tension est également répartie dans l'ensemble de l'enroulement, n'est plus possible, il est nécessaire de prendre en compte les capacités parasites qui existent entre les enroulements avec, d'une part, la terre C_E et de l'autre le conducteur C_L. Si ces capacités sont du même ordre de grandeur on obtient une répartition de tension non régulière au moment de la surtension : la tension aux bornes des éléments proches de la ligne est beaucoup plus élevée que celle des éléments proches de la terre. Cela contraint fortement les enroulements proches du conducteur.

Pour limiter l'impact de ces surtensions, des parafoudressont systématiquement placés sur les lignes menant aux transformateurs, ils permettent d'abaisser la valeur maximale de la tension apparaissant aux bornes des bobines.

La technique de bobinage a également une importance déterminante dans le comportement capacitif de ceux-ci. Diverses méthodes existent pour faire augmenter la capacité en série.

Construction

Les enroulements sont constitués de spires, elles-mêmes constituées de conducteurs. Ils sont quasiment toujours réalisés en cuivre, bien qu'on trouve également de l'aluminium pour des raisons de coût dans les transformateurs de faible puissance. Ces matériaux sont en effet d'excellents conducteurs électriques ce qui limite les pertes cuivres. Par ailleurs, afin d'améliorer la résistance mécanique des enroulements, un alliage cuivre-argent peut être utilisé pour les réaliser. Sa conductivité est très proche de celle du cuivre pur. Cependant, sa plus grande rigidité rend le pliage des conducteurs, par exemple lors des transpositions, et donc la fabrication de l'enroulement plus difficile.

La section de la bobine dépend du courant la traversant et détermine sa forme : jusqu'à 5 mm² la section est ronde, au-delà rectangulaire avec un rapport 2 : 1. Lorsque le courant devient conséquent il devient nécessaire d'utiliser plusieurs conducteurs branchés en parallèle pour former le câble. Il est alors nécessaire de s'assurer que les branches parallèles aient bien le même comportement électrique en les transposant régulièrement. Une solution technique est par exemple le câblage Röbel. On parle également de continously transposed cable (CTC), soit câble continuellement transposé. Cette technologie permet également une meilleure utilisation de l'espace et une réduction des courants de Foucault dans les enroulements. Il pourrait être tentant d'augmenter le diamètre des conducteurs pour réduire les pertes cuivres, cependant l'augmentation des pertes par courants de Foucault excèdent généralement le gain ainsi réalisé.

Les conducteurs sont isolés diélectriquement les uns des autres par un vernis. Les tours sont quant à eux enroulés dans un isolant qui dépend de la tension entre les tours. Si celle-ci est faible, l'isolation est faible, par exemple du papier perforé, bande de polyester et l'évacuation de la chaleur est privilégiée. On parle d'isolation sans papier. Au contraire quand elle est élevée, les tours sont embobinés dans un complément de papier. Cette isolation contient au départ une grande quantité d'humidité, ce qui est nuisible à ses propriétés diélectriques et à celle du transformateur en général. Afin de l'évacuer, les enroulements sont mis au four pendant une longue durée. De l'huile vient combler l'espace laissé par l'eau, afin d'éviter que les bobines ne redeviennent humides dès la sortie du four. On parle d'imprégnation. Si l'imprégnation n'est pas de qualité, des bulles peuvent apparaître en surface de l'enroulement quand il est mis sous tension, ce qui peut entraîner un défaut électrique.

Toujours afin d'améliorer la résistance mécanique des enroulements, les conducteurs peuvent être couverts d'époxy. Celui-ci est relativement malléable lors de la fabrication, mais durcit lors du passage au four, ce qui donne sa résistance définitive à l'enroulement.

Entretoises
Canaux de refroidissement axiaux

Canaux de refroidissement radiaux

Les spires doivent être isolées diélectriquement entre elles. Elles doivent également être refroidies. Des entretoises, réalisées en matériau isolant, sont donc placées entre elles pour assurer la distance nécessaire et afin de créer un espace pour le passage de l'huile. Elles doivent être bien alignées pour garantir une bonne résistance mécanique axiale de l'enroulement.

Méthodes pour augmenter la résistance mécanique

Pour réduire la force de court-circuit on peut diviser les enroulements primaires et secondaires en parts égales et les alterner : au lieu d'avoir Noyau-Secondaire-Primaire, on a Noyau-Secondaire 1-Primaire 1-Secondaire 2-Primaire 2. Cette solution est mise en pratique dans les transformateurs cuirassés. Toutefois la solution à une bobine par enroulement reste moins chère et a un meilleur rendement.

Une bonne symétrie du transformateur est également déterminante dans le calcul des contraintes mécaniques, un décalage même faible entre les enroulements cause une forte augmentation des contraintes mécaniques.

Afin d'améliorer la résistance mécanique des enroulements, ceux-ci sont compressés après leur montage sur le circuit magnétique. Cela augmente leur fréquence naturelle.

Refroidissement

Les pertes des enroulements, principalement par effet Joule, mais également par courant de Foucault, oblige à les refroidir. L'évacuation de la chaleur par conduction, convection et radiation. Idéalement l'huile doit être en mouvement par rapport à tous les conducteurs afin que la chaleur soit transmise par convection depuis ces derniers vers les premiers.

Le refroidissement peut être à circulation naturelle, forcée ou dirigée. Dans le premier cas seul l'effet thermosiphon est utilisé : l'huile est chauffée par les conducteurs, elle monte donc naturellement créant un cycle. Dans le second cas, des pompes mettent l'huile en mouvement. Dans ce cas toutefois, les canaux radiaux sont peu utilisés par rapport à ceux axiaux. Les conducteurs ne sont pas uniformément refroidis. Dans le dernier cas, des chicanes sont installées, afin de forcer l'huile à emprunter les canaux radiaux.

Refroidissement forcé ( OF ), les conducteurs sont peu refroidis en leur centre

Refroidissement dirigé ( OD ), les chicanes dirigent l'huile dans les canaux radiaux ce qui refroidit de manière plus uniforme les conducteurs

Méthodes d'enroulement

Pour les transformateurs de distribution

Pour les transformateurs de distribution dans lesquels à la fois la tension par tour et le courant sont relativement bas, notamment au secondaire, un enroulement feuilleté ( foil winding ) peut être utilisé. Une feuille de cuivre ou d'aluminium est alors enroulée autour du noyau en alternance avec une feuille d'isolant. Cette méthode d'enroulement a l'avantage d'être économique, et de permettre la réalisation d'un transformateur disposant d'un bon équilibre électromagnétique. La répartition du courant dans la feuille rend les forces induites par un court-circuit relativement faibles. Au niveau des défauts, la longueur axiale des feuilles a tendance à emprisonner l'humidité et à ne pas permettre une évacuation optimale de la chaleur.

Toujours pour les transformateurs de distribution, mais pour une tension plus élevée, typiquement pour son primaire, il faut utiliser des câbles ronds de faibles sections arrangés par couche ( layer winding ).

L'enroulement feuilleté est très utilisé pour les secondaires des transformateurs de distribution

L'enroulement par couche

Pour les transformateurs de puissance

Pour des transformateurs de puissance ayant un fort courant traversant mais une tension relativement faible, en moyenne tension typiquement, un enroulement par couche ( layer winding ) peut être envisagé. Au niveau des avantages, il possède un bon comportement capacitif. Pour les transformateurs de plus haut voltage cette option n'est pas optimale, la tension entre les spires aux extrémités de l'enroulement étant particulièrement élevée (entre 1 et 12 sur le schéma). De ce fait, ce type d'enroulement demande une grande quantité d'isolant et est relativement cher.

Quand la tension devient très élevée, la solution la plus simple est celle appelée bobinage en disque ( disc winding ), qui consiste à enrouler depuis le centre vers l'extérieur un unique conducteur sur un même plan, une fois arrivé à l'extérieur de descendre d'un cran et d'enrouler sur le même plan de l'extérieur vers le centre puis de redescendre d'un cran et ainsi de suite. À cause de son comportement capacitif créant une forte surtension proche de la bobine en cas de choc de foudre, d'autres méthodes plus complexes ont été développées. Une des plus répandues est le bobinage alterné ( interleaved winding ), il consiste à ne plus enrouler plan par plan mais sur plusieurs plans simultanément en montant et descendant successivement. Son comportement capacitif est meilleur. Le défaut de ce type de bobinage est que tous les conducteurs adjacents ne sont pas à la même tension : sur le schéma, le 1^er tour touche le 11^e, cela contraint fortement l'isolation inter-spires qui doit donc être soignée. Une solution alternative pour améliorer le comportement capacitif consiste à introduire un conducteur, appelé de protection ( shield winding ), non traversé par le courant, reliant diverses parties de l'enroulement entre elles. Cela permet de combiner les avantages des 2 précédents montages.

Vue en coupe d'un bobinage en disque, l'axe de révolution est à gauche

Bobinage alterné

Bobinage avec conducteur de protection

Déformations engendrées par les contraintes mécaniques

Si les enroulements ne sont pas assez résistants mécaniquement, ils se déforment lors de court-circuit ou de courant d'enclenchement. Selon qu'elles soient dues aux forces axiales ou radicales ces déformations peuvent être de plusieurs types. Soit les conducteurs deviennent inclinés. Pour l'inclinaison, les conducteurs ne sont plus verticaux, mais penchés alternativement vers l'intérieur ou vers l'extérieur de l'enroulement. Dans le cas du pliage, les conducteurs semblent tomber entre les entretoises, semble vouloir devenir plus large. Il faut noter qu'un défaut mécanique n'entraîne pas automatiquement un défaut électrique.

Inclinaison des conducteurs en cas de forte force axiale

Déformation des conducteurs en cas de forte force axiale

Déformation des conducteurs en cas de forte force radiale

Enroulement de réglage

Physiquement, un changeur de prises permet de modifier l'inductance de l'enroulement primaire ou secondaire d'un transformateur de puissance. Pour ce faire un enroulement supplémentaire appelé enroulement de réglage ( tapping winding en ) est intégré au transformateur, il est connecté en série à l'un de ces enroulements. Il est subdivisé en petites sections d'un nombre de spires régulier qu'on peut brancher séparément, on dit que l'on branche telle ou telle prise.

Disposition

Enroulement de réglage avec isolation non-uniforme et enroulement à disque

Enroulements de réglage en hélice, ici avec 4 prises

Pour économiser de l'isolant, et ainsi réduire la taille et les coûts du transformateur, l'enroulement de réglage est intégré directement à l'un des deux autres enroulements quand cela est possible. Il est nettement séparé dans les transformateurs de grande puissance.

La majorité des transformateurs ont leur enroulement de réglage connecté au primaire. En effet la puissance provient en général du primaire et est transportée vers le secondaire (à l'exception notable des transformateurs accolés à des générateurs), la tension appliquée se trouve au primaire. En faisant varier l'inductance de l'enroulement primaire on peut maintenir constante la tension par spires dans l'enroulement et ce faisant la densité de flux magnétique également constante. Sachant qu'un transformateur de puissance cherche à travailler avec une densité de flux maximale sans monter en saturation, l'utilisation de l'enroulement primaire permet d'exploiter le transformateur au plus proche de sa limite sans prendre le risque de la saturation. Par ailleurs, le courant traversant l'enroulement primaire est plus faible que celui traversant le secondaire, cela permet de diminuer le diamètre de la bobine utilisée.

Quand l'isolation est non-uniforme et que l'enroulement de réglage est réalisé en disques celui-ci est divisé en deux parties. Selon que l'enroulement principal est connecté au centre ou à l'extrémité des enroulement de réglage, le sens du courant diffère, l'inductance est ajoutée ou soustraite. Cela explique que ces bornes soient notées ( + ) et ( - ). Pour des questions d'équilibre des forces en cas de court-circuit, il est important que l'enroulement de réglage soit disposé symétriquement par rapport au plan de symétrie horizontal. Les parties hautes et basses de l'enroulement de réglage sont donc connectées ensemble et reliées à la terre au travers du sélecteur. Celui-ci va déterminer la prise utilisée.

Représentation d'un enroulement de réglage dans le cas d'une isolation uniforme avec schéma équivalent

Représentation d'un enroulement de réglage dans le cas d'une isolation non-uniforme avec schéma équivalent

Des enroulements en hélice peuvent être également utilisés. Un de leurs avantages est que la symétrie de la bobine est assurée, ils sont également faciles à fabriquer. Par contre, ils sont mécaniquement peu résistants.

Couplage

Couplage de transformateurs triphasés.

Pour un transformateur triphasé, les enroulements peuvent être connectés de trois manières différentes: En étoile, représenté par la lettre Y; En triangle, représenté par la lettre D ou Δ; En zigzag, représenté par la lettre Z.

Le couplage en étoile au primaire et au secondaire ( Yy ) est utilisé surtout pour les transformateurs de très haute tension, car il permet de réduire la tension aux bornes des enroulements d'un facteur √₃ et donc de réduire d'autant l'isolant.

Le couplage en étoile au primaire et en triangle au secondaire ( Yd ) est utilisé pour connecter des générateurs de centrales électriques et des machines industrielles. Le courant traversant les bobines est réduit d'un facteur √₃, ce qui est intéressant dans ces applications où le courant est particulièrement fort. Côté réseau, pour les mêmes raisons que précédemment, il est préférable de privilégier l'économie d'isolant.

Dans les réseaux de distribution électrique, un couplage étoile au primaire et zigzag au secondaire (Yz) est courant, car le couplage zigzag permet de réduire le déséquilibre de tension entre phases. Les particuliers étant connectés en monophasé, la charge n'est pas toujours bien répartie entre les phases et il est utile de lutter contre le phénomène.

Le couplage a également un rôle déterminant dans la détermination de l'impédance homopolaire du transformateur.

Schéma de la connexion étoile
Schéma de la connexion triangle
Schéma de la connexion zigzag

Relais Buchholz

Dans le domaine de la distribution et de la transmission l'électricité, un relais Buchholz est un dispositif de sécurité monté sur les transformateurs et inductances de puissance à bain d'huile. Le relais Buchholz est utilisé sur ce type de systèmes comme dispositif de protection sensible aux événements qui se produisent lors d'un défaut diélectrique, défaut d'isolement à l'intérieur de l'équipement.

Principe

Quand un arc électrique ou une surchauffe se développe à l'intérieur des enroulements, il y a dégagement de gaz par vaporisation de l'huile. Ce phénomène précède un changement dans les valeurs électriques, courant ou tension, de l'appareil. Un relais Buchholz réagit à ce dégagement de gaz et protège ainsi le transformateur de potentiels dégâts.

Position

Le relais Buchholz est placé dans le tube reliant la cuve principale du transformateur et son conservateur d'huile. Le transformateur doit être conçu de telle manière que tout gaz se formant dans la cuve principale doit remonter rapidement vers le conservateur en passant par le relais Buchholz. Autrement dit, le gaz ne doit pas être piégé dans la cuve. Des tubes supplémentaires doivent parfois être montés, par exemple entre les tourelles des traversées électriques et le conservateur, pour assurer une bonne collecte du gaz.

Fonctionnement

Schéma d'un relais Buchholz quand il y a absence de défaut

Schéma d'un relais Buchholz après accumulation de gaz provoquant l'ouverture du contact d'alarme

Les relais Buchholz sont munis en général de deux contacts: Un pour l'alarme et un pour le déclenchement; Sur une accumulation lente de gaz, due probablement à une surcharge, le gaz s'accumule dans la partie supérieure du relais tandis que le niveau d'huile diminue. Une détection par flotteur est utilisée dans ce cas pour générer un signal d'alarme. Ce système détecte aussi les fuites d'huile; Si un arc se forme, l'accumulation de gaz est rapide, et l'huile s'écoule rapidement dans le conservateur. Cet écoulement d'huile actionne un commutateur fixé à une palette située dans le chemin de circulation d'huile. Ce commutateur actionnera normalement un disjoncteur pour arrêter l'appareil avant que le défaut ne crée plus de dommages

Analyse des gaz dissous

Les relais Buchholz ont une vanne de test pour permettre au gaz accumulé d'être retiré pour l'essai. La présence de gaz inflammable dans le relais indique un certain défaut interne tel qu'une surchauffe ou un amorçage d'arc, tandis que l'air trouvé dans le relais indique uniquement que le niveau d'huile est bas ou qu'il y a une fuite.

Sensibilité

Il faut prendre garde, que le relais Buchholz ne déclenche pas au démarrage des pompes de refroidissement du transformateur.

Pour changeurs de prises

Photo d'un relais Buchholz où on voit distinctement les flotteurs

En plus du relais Buchholz placé entre la cuve principale et le conservateur, on installe en général un relais similaire entre la cuve du commutateur du changeur de prises et la partie du conservateur réservée à l'huile du commutateur. Son principe est semblable, mais ne possède qu'un contact de déclenchement. En effet, dans le commutateur du changeur de prises un dégagement de gaz est normal. Il n'y a donc pas d'alarme pour signaler cet état, de plus on ne pratique généralement pas à une analyse des gaz dissous dans l'huile du commutateur. L'apparition de changeur de prises à interrupteurs à vide, où il n'y a pas d'arc électrique dans l'huile durant l'opération du commutateur, rend toutefois cette analyse envisageable. Par ailleurs, des méthodes ont été développées pour détecter les défauts dans les changeurs de prises conventionnels à partir des données de l'analyse des gaz dissous.

Histoire

Symbole électrique d'un relais Buchholz

Cet appareil a été développé la première fois par Max Buchholz en 1921. Des relais Buchholz ont été utilisés sur les transformateurs de puissance au moins depuis les années 1940.

Alternative

En complément ou substitution du relais Buchholz, on peut équiper les transformateurs d'un relais de montée de pression soudaine, qui comme son nom l'indique détecte un changement dans la pression interne du transformateur afin de reconnaître l'apparition d'un arc électrique.

Un DGPT2 est un relais de protection de transformateur immergé

Son nom signifie Détection Gaz Pression Température 2 seuils. Il est équipé de divers détecteurs qui lui permettent de signaler un défaut de présence gaz, de pression ou de température anormales. Le détecteur de température a deux seuils de détections.

Les dégagements gazeux: La présence d'air ou de gaz dans le transformateur provoque une rupture de l'isolant pouvant entrainer sa destruction. La présence de gaz dans le transformateur est due principalement à; La pyrolyse du diélectrique généralement due à de petits amorçages causés par des ruptures d'isolants; La baisse importante du niveau de diélectrique généralement due à une fuite du transformateur

La pression: Le contrôle de la pression est le plus important pour la sécurité, risque d'explosion). La surpression de cuve peut être due à; Un excès de remplissage du transformateur; Une dilatation trop importante du diélectrique; Un court-circuit franc, dont l'arc électrique formé, provoque une onde de choc instantanée

La température: Le contrôle de la température est primordial pour éviter un vieillissement prématuré du transformateur. L'augmentation de la température peut être due à; Un défaut électrique provoquant un échauffement local; Une utilisation intensive du transformateur

Un DMCR est un dispositif de mesure et de contrôle de régime

Le DMCR contrôle simultanément les paramètres suivants du liquide diélectrique dans la cuve des transformateurs : la pression, la température et le niveau.

Contrôle et mesure: La protection magnétique intégrée du contact de niveau; L'aimant qui actionne le contact de niveau est de forme annulaire et entoure le contact de niveau. Il agit comme un bouclier, en protégeant le contact de toute influence magnétique externe jusqu'au-delà de 25mT. Cela empêche le déclenchement intempestif du relais et la coupure injustifiée du transformateur; La visibilité du niveau d'huile à 360°; Le corps du relais DMCR est transparent et conçu de telle manière à ce que le niveau d'huile soit visible dans toutes les directions. Cela permet d'optimiser le positionnement du relais, tout en conservant une visibilité constante du niveau de liquide diélectrique.

Le relais DMCR est muni d'un système de purge et de remplissage à son sommet, permettant le prélèvement de liquide diélectrique ou de gaz pour analyse ainsi que de compléter le remplissage du transformateur.

Description: Température; 2 thermostats réglables avec contact inverseur pour le contrôle de la température. Les seuils de température primaire et secondaire sont réglés en usine selon les spécifications du client dans une fourchette de 30°C à 120°C; Un thermomètre avec aiguille à maxima pour indication visuelle de la température; Pression; Un pressostat réglable à contact inverseur. Le seuil de déclenchement du pressostat est réglé en usine selon la spécification du client dans une fourchette de 100 à 500 mbar; Niveau d'huile; Un interrupteur magnétique à lame souple avec contact inverseur est actionné en cas de baisse du niveau de liquide diélectrique supérieure à 170cm³; Une protection magnétique intégrée protège l'ILS de l'influence des champs magnétiques externes et par conséquent de tout déclenchement intempestif et injustifié du contact; Dégagement gazeux; Un éventuel dégagement gazeux fait baisser du niveau de liquide diélectrique entraînant la baisse du petit flotteur de niveau; Cette baisse est suivie par la baisse du flotteur principal du relais visible à 360° qui actionne l'ILS

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