Eléctricité2: Les transformateurs

Les transformateurs

Transformateur à huile minérale et transformateur sec.

Description générale d'un transformateur

Pertes d'un transformateur

Transformateurs secs

Transformateurs à huile minérale

Principe général de fonctionnement d'un transformateur

Transformateur monophasé

D'une manière simplifiée, un transformateur est composé d'un noyau magnétique (acier doux au silicium) sur lequel sont disposés deux enroulements en cuivre : l'enroulement branché sur la source d'énergie est le "primaire" et l'enroulement branché vers les récepteurs est le "secondaire".

Les deux enroulements ont un nombre de spires (tours) différents : le plus grand est l'enroulement "haute tension (HT)" et le plus petit, l'enroulement "basse tension (BT)".

Transformateur monophasé.

Le rapport de transformation de la tension est proportionnel au rapport entre le nombre de spires de chaque enroulement.

Transformateur triphasé

Un transformateur triphasé est composé d'un noyau à trois branches sur lesquelles sont combinés les enroulements primaires et secondaires, de façon concentrique ou alternée.

Pertes d'un transformateur

Les pertes d'un transformateur se composent des pertes à vide et des pertes en charge.

Les pertes à vide (ou pertes "fer") se produisent au sein du noyau ferromagnétique. Elles sont constantes quel que soit le régime de charge du transformateur, c'est-à-dire quelle que soit la consommation du bâtiment qui y est raccordé.

Les pertes en charge (ou pertes "en court-circuit" ou pertes "cuivre") sont, elles, dues à l'effet Joule (perte par échauffement des fils ou feuillards parcourus par un courant), augmentées des pertes additionnelles (pertes supplémentaires occasionnées par les courants parasites dans les enroulements et pièces de construction). Elles varient avec le carré du courant ou de la puissance débitée (si la tension reste constante).

Remarque : la dénomination "pertes cuivre" date de l'époque où tous les enroulements étaient réalisés en cuivre. C'est encore le cas pour les très petites puissances. Pour les autres transformateurs, les constructeurs se sont tournés vers l'aluminium. C'est pourquoi, on parle maintenant de "pertes en court-circuit".

On exprime donc les pertes totales d'un transformateur par :

W = W_fe+ W_cux (S/S_n)²

où :

· W = pertes totales du transformateur en charge réelle [W]

· W_fe= pertes fer (constantes) [W]

· W_cu= pertes en court-circuit à la charge nominale [W]

· S_n= puissance nominale du transformateur [VA]

· S = charge appliquée aux bornes [VA]

Exemple.

Soit un transformateur de 500 kVA, ayant des pertes fer de 730 W et des pertes en court-circuit à pleine charge de 4 550 W.

Sous un cos φ de 0,9, et une charge du transformateur de 300 kW, les pertes totales sont :

W = 730 [W] + 4 550 [W] x ((300 [kW] / 0,9) / 500 [kVA])² = 2 752 [W]

Transformateurs secs

Transformateur sec enrobé : les enroulements BT et les enroulements sont concentriques et enrobés dans une résine époxy.

Les transformateurs secs sont constitués de bobinages enveloppés d'une résine époxy.

Ils peuvent alors être disposés dans une enveloppe de protection (IP 315 ou IP 235) qui permet d'isoler le transformateur du monde extérieur et d'assurer l'évacuation de la chaleur au travers de ses parois.

Les transformateurs secs présentent les meilleures garanties de sécurité contre l'incendie et contre la pollution (pas de fuite de liquide, pas de vapeurs nocives en cas d'incendie).

Les transformateurs secs peuvent être installés dans une enveloppe de protection (IP 315 ou IP 235) ou sans protection.
Dans ce cas, ils doivent être protégés contre les contacts directs.

Transformateurs à huile minérale

Dans ce type d'équipement, appelé aussi transformateurs immergés, le transformateur est disposé dans un bain d'huile qui assure l'isolation et le refroidissement.

Ces transformateurs sont moins onéreux et ont des pertes moindres. Ils présentent cependant des risques d'incendie et de pollution :

· Un défaut interne peut provoquer une surpression et une déformation de la cuve telles que des fuites d'huile peuvent apparaître. Suivant les circonstances, cela peut entraîner l'inflammation de l'huile ou encore une explosion.

· Les fuites d'huile peuvent aussi provenir d'un joint défectueux ou de la rupture d'une canalisation. Les huiles qui se répandent peuvent polluer la nappe phréatique. Il faut donc prévoir sous le transformateur une fosse d'évacuation ou un bac de rétention d'huile.

· La combustion des huiles dégage des produits toxiques et génère des fumées opaques gênant l'intervention des secours.

Il y a encore quelques années, on commercialisait des transformateurs dits "à l'askarel". L'huile de ces transformateurs contenait des PCB. Ces substances dégagent des émanations nocives lors d'incendies et présentent à grande concentration des dangers pour la santé humaine. C'est pourquoi la directive européenne 96/59/CE se prononce pour l'élimination des appareils contaminés ou contenant des PCB.

En 1985, l'explosion d'un transformateur à l'askarel dans un immeuble à appartement français produit des molécules toxiques (furanes et dioxines). Depuis, l'acquisition, la vente et la mise en service de transformateurs neufs au PCB ont été interdites en France.

En application de cette directive, la Région wallonne a réglementé l'élimination des transformateurs à l'askarel existants, pour au plus tard, fin 2005.