les transformateurs présentation générale

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Les transformateurs de puissance Les transformateurs de puissance Noureddine KHELIFA SONELGAZ GRTE juin juin 2009 2009 Principe de fonctionnement, technologie, exploitation et maintenance

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Électrotechnique Industrielle

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Microsoft PowerPoint - les transformateurs_présentation générale [Mode de compatibilité]Noureddine KHELIFA
SONELGAZ GRTE
INTRODUCTION AU INTRODUCTION AU TRANSFORMATEURTRANSFORMATEUR
•• QU’ EST CE QU’ UN TRANSFORMATEUR QU’ EST CE QU’ UN TRANSFORMATEUR ET A QUOI SERTET A QUOI SERT--IL ?IL ?
•• PARAMETRES DEFINISSANT LE PARAMETRES DEFINISSANT LE TRANSFORMATEURTRANSFORMATEUR
•• COMPOSANTS D’ UN TRANSFORMATEURCOMPOSANTS D’ UN TRANSFORMATEUR
INTRODUCTION AU TRANSFORMATEURINTRODUCTION AU TRANSFORMATEUR
QU’ EST CE QU’ UN TRANSFORMATEUR QU’ EST CE QU’ UN TRANSFORMATEUR ET A QUOI SERTET A QUOI SERT--IL ?IL ?
–– ENERGIE ELECTRIQUEENERGIE ELECTRIQUE –– PARAMETRES DEFINISSANT L’ENERGIE PARAMETRES DEFINISSANT L’ENERGIE
ELECTRIQUEELECTRIQUE –– TRANSFORMATEURTRANSFORMATEUR
L’ “énergie” électrique est en général produite par un L’ “énergie” électrique est en général produite par un alternateur (tension alternative) à partir d’ une autre source d’ alternateur (tension alternative) à partir d’ une autre source d’ énergie :énergie :
•• énergie du charbon, du fuel, du gaz naturel ou de la fission énergie du charbon, du fuel, du gaz naturel ou de la fission nucléairenucléaire –– centrale thermique classique ou nucléairecentrale thermique classique ou nucléaire –– vapeur, turbine, alternateur vapeur, turbine, alternateur
•• énergie d’une chute d’eau énergie d’une chute d’eau –– ccentrale hydrauliqueentrale hydraulique –– turbine, alternateurturbine, alternateur
•• énergie du vent énergie du vent –– centrale éolienne centrale éolienne –– turbine, alternateurturbine, alternateur
•• énergie solaire énergie solaire –– centrale photovoltaïque centrale photovoltaïque –– phénomène physique phénomène physique →→ énergie électrique (tension énergie électrique (tension
continue)continue)
QU’ EST CE QU’ UN TRANSFORMATEUR QU’ EST CE QU’ UN TRANSFORMATEUR ET A QUOI SERTET A QUOI SERT--IL ?IL ?
•• Alternateur (ex : Alternateur (ex : 1500 1500 MVA, MVA, 20 20 kV, kV, 43 43 kA)kA) Transport de l’électricitéTransport de l’électricité •• Elever la tension pour diminuer le courantElever la tension pour diminuer le courant •• Transformateur élévateurTransformateur élévateur •• Transport de l’énergie à Transport de l’énergie à 400400, , 220220, , 150150, , 70 70 et et 36 36 kVkV Distribution de lDistribution de l’électricité ’électricité •• Transformateur abaisseurTransformateur abaisseur •• AutotransformateurAutotransformateur •• RRéduire éduire la tension pour les besoins dla tension pour les besoins d’usage de ’usage de
l’énergie électriquel’énergie électrique
R•LE D’UN TRANSFORMATEURR•LE D’UN TRANSFORMATEUR
SCHEMA D’ UNE CENTRALE THERMIQUE CLASSIQUESCHEMA D’ UNE CENTRALE THERMIQUE CLASSIQUE
SCHEMA DE DISTRIBUTION DE L’ ENERGIESCHEMA DE DISTRIBUTION DE L’ ENERGIE
But du transformateur
Afin de transporter l ’énergie électrique avec le moins de pertes possible.
GS 3 ∼
Modifier, changer les tensions alternatives, les élever ou les Abaisser.
Symbole du transformateur :
Le transformateur inventé par Le transformateur inventé par Lucien Gaulard (Lucien Gaulard (modèles de modèles de 1884 1884 et et 18861886))
RAPPEL THEORIQUE SUR LE RAPPEL THEORIQUE SUR LE TRANSFORMATEURTRANSFORMATEUR
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (11)) •• Fonction du transformateurFonction du transformateur ou de l’ autotransformateurou de l’ autotransformateur
–– élever la tension délivrée par l’alternateur pour pouvoir élever la tension délivrée par l’alternateur pour pouvoir transporter l’énergie à distance (transformateur)transporter l’énergie à distance (transformateur)
–– abaisser la tension délivrée par une ligne de transport pour l’ abaisser la tension délivrée par une ligne de transport pour l’ adapter aux besoins du consommateur (auto)transformateur)adapter aux besoins du consommateur (auto)transformateur)
•• Constitution du transformateur ou de l' autotransformateurConstitution du transformateur ou de l' autotransformateur –– circuit magnétique qui va véhiculer le flux d’un enroulement circuit magnétique qui va véhiculer le flux d’un enroulement
à l’autre à l’autre –– enroulements (enroulements (2 2 ou ou 33) par lesquels l’énergie va transiter) par lesquels l’énergie va transiter
•• dans un transformateur, tous les enroulements d’ une dans un transformateur, tous les enroulements d’ une même phase sont électriquement séparésmême phase sont électriquement séparés
•• dans un autotransformateur, les enroulements primaire et dans un autotransformateur, les enroulements primaire et secondaire ont en commun un certain nombre de spires secondaire ont en commun un certain nombre de spires et sont toujours couplés en étoile et sont toujours couplés en étoile
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (22))
•• Principes de base :Principes de base :
–– Loi de Faraday :Loi de Faraday : •• Une variation de flux au travers d’une spire crée une force Une variation de flux au travers d’une spire crée une force
électromotrice. Inversement, une fém variable dans une électromotrice. Inversement, une fém variable dans une spire crée une variation de flux au travers de cellespire crée une variation de flux au travers de celle--cici
•• e = e = -- ddφφ/dt et si N spires : e = /dt et si N spires : e = -- N x dN x dφφ/dt/dt
–– Loi de Lenz :Loi de Lenz : •• La fém induite par la variation de flux est d’un sens tel La fém induite par la variation de flux est d’un sens tel
qu’elle fera circuler un courant qui produira un flux qu’elle fera circuler un courant qui produira un flux magnétique s’opposant au flux qui lui a donné naissancemagnétique s’opposant au flux qui lui a donné naissance ou, ou, plus simplement, la direction de la fém induite est telle plus simplement, la direction de la fém induite est telle qu’elle s’oppose à la cause qui lui a donné naissance qu’elle s’oppose à la cause qui lui a donné naissance
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (33)) •• Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
–– Le primaire Le primaire 1 1 reçoit l’énergie d’une source sous une tension Ureçoit l’énergie d’une source sous une tension U11 alternative sinusoidalealternative sinusoidale
–– Le secondaire Le secondaire 2 2 fournit l’énergie au récepteur sous une tension Ufournit l’énergie au récepteur sous une tension U22
–– Si le transformateur est idéal (sans pertes) : Si le transformateur est idéal (sans pertes) : •• UU22 = U= U11 x nx n22/n/n11
•• l’énergie “reçue” est égale à l’énergie “fournie”. l’énergie “reçue” est égale à l’énergie “fournie”. •• la puissance secondaire est donc égale à la puissance primaire la puissance secondaire est donc égale à la puissance primaire
et Uet U11II11 = U= U22II2 2
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (44))
•• Comment s’effectue cette transformationComment s’effectue cette transformation –– Lorsqu’une tension alternative ULorsqu’une tension alternative U11 est appliquée aux bornes est appliquée aux bornes
AA11AA00 du primaire, un courant alternatif circule dans celuidu primaire, un courant alternatif circule dans celui--cici –– Ce courant crée un flux variable alternatif qui va parcourir Ce courant crée un flux variable alternatif qui va parcourir
le circuit magnétique (loi de Faraday) le circuit magnétique (loi de Faraday) –– Ce flux variable induit une fém dans l’enroulement Ce flux variable induit une fém dans l’enroulement
primaire et une fém dans l’enroulement secondaireprimaire et une fém dans l’enroulement secondaire –– Si le secondaire est raccordé sur une charge, un courant Si le secondaire est raccordé sur une charge, un courant
circule également dans l’enroulement secondairecircule également dans l’enroulement secondaire –– Le courant secondaire sera opposé au Le courant secondaire sera opposé au
courant primaire (loi de Lenz)courant primaire (loi de Lenz)
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (55)) •• Fonctionnement du transformateur à vide (Fonctionnement du transformateur à vide (11))
–– A vide, l’ enroulement primaire est parcouru par un A vide, l’ enroulement primaire est parcouru par un courant Icourant I00 qui est constitué de deux composantes :qui est constitué de deux composantes :
•• composante magnétisante Icomposante magnétisante Iµµ en phase avec le flux de en phase avec le flux de magnétisation magnétisation φ φ et décalée de et décalée de ππ//2 2 en arrière sur la tensionen arrière sur la tension
•• composante wattée Icomposante wattée Iww en phase avec la tension appliquée en phase avec la tension appliquée et due à la somme des pertes Joule RIet due à la somme des pertes Joule RI00
22 dans dans l’enroulement primaire (négligeables) et des pertes par l’enroulement primaire (négligeables) et des pertes par hystérésis et par courants de Foucault dans le circuit hystérésis et par courants de Foucault dans le circuit magnétiquemagnétique
•• exemple : exemple : 50 50 MVA MVA 7070//1616,,4 4 kVkV –– PP00 = = 1919,,3 3 kW kW → → IIww==00,,039039%I%Inn
–– II00 = = 00,,1111%I%Inn → → 00 = = 6969,,22°° →→ IIµµ = = 00,,103103%In%In
•• Fonctionnement du transformateur à vide (Fonctionnement du transformateur à vide (22)) –– le primaire est le siège d’une fém Ele primaire est le siège d’une fém E11. La valeur . La valeur -- EE11 s’ s’
appelle fcém et est égale à la tension appliquée Uappelle fcém et est égale à la tension appliquée U11
–– le secondaire est le siège d’une fémle secondaire est le siège d’une fém EE22 égale à négale à n22/n/n11 x Ex E11
–– la tension secondaire Ula tension secondaire U22 est égale à est égale à la fém secondaire Ela fém secondaire E22
–– les deux fém Eles deux fém E11 et Eet E22 sont en phase et sont en phase et décalées de décalées de ππ//2 2 en arrière sur le flux en arrière sur le flux φφ
–– le rapport de transformation est égal le rapport de transformation est égal au rapport des fém au rapport des fém
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (66))
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (77)) •• Fonctionnement du transformateur en charge (Fonctionnement du transformateur en charge (11))
–– dû à la charge, le secondaire est parcouru par un dû à la charge, le secondaire est parcouru par un courant Icourant I22 opposé au courant primaire Iopposé au courant primaire I11 (loi de Lenz)(loi de Lenz)
–– les courants Iles courants I11 et Iet I22 créent un flux de fuite fcréent un flux de fuite f11 et fet f22 –– la fcém dans le primaire la fcém dans le primaire -- EE11 est inférieure à Uest inférieure à U1 1 à cause à cause
de la chute ohmique et de la chute inductive dans le de la chute ohmique et de la chute inductive dans le primaire primaire
–– la tension secondaire Ula tension secondaire U22 estest inférieure à la fém Einférieure à la fém E22 à cause à cause de la chute ohmique et de lade la chute ohmique et de la chute inductive dans le chute inductive dans le secondaire secondaire
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (88))
•• Fonctionnement du transformateur en charge Fonctionnement du transformateur en charge ((22))
diagramme de Kappdiagramme de Kapp
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (99))
•• Fonctionnement du transformateur en Fonctionnement du transformateur en charge (charge (33))
diagramme de Kapp où le primaire a tourné de diagramme de Kapp où le primaire a tourné de 180180°° et et a été ramené à l’échelle du secondairea été ramené à l’échelle du secondaire
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (1010))
•• Fonctionnement du transformateur en charge Fonctionnement du transformateur en charge ((44)) -- diagramme de Kapp où le primaire a tourné de diagramme de Kapp où le primaire a tourné de 180180°° et a été et a été ramené à l’échelle du secondaire et où on a négligé la valeur de Iramené à l’échelle du secondaire et où on a négligé la valeur de I00
-- triangle de Kapp triangle de Kapp -- chute de tension au secondairechute de tension au secondaire
er<< ex → ucc• ex
Rappel théorique sur le transformateur (Rappel théorique sur le transformateur (1111)) •• Fonctionnement du transformateur en charge (Fonctionnement du transformateur en charge (55))
–– Chute de tension au secondaire pour tfo à Chute de tension au secondaire pour tfo à 2 2 enroulementsenroulements
oùoù U = chute de tension secondaire en % sur base SU = chute de tension secondaire en % sur base Sn n (kVA)(kVA) eerr = = 100 100 x pertes Cu (kW) sur base Sx pertes Cu (kW) sur base Snn (kVA) /S(kVA) /Sn n (kVA)(kVA) eexx = tension de crt= tension de crt--crt (%) sur base Scrt (%) sur base Sn n (kVA)(kVA) cos • = cos • = facteur de puissance defacteur de puissance de la chargela charge secondairesecondaire
–– Chute de tension pour tfo à Chute de tension pour tfo à 3 3 enroulements : voir CEI enroulements : voir CEI 6007660076--8 8
( )2rxxr sinecose200 1sinecoseU Φ−Φ+Φ+Φ=
Plaque signalétique TR SONELGAZ N_Plaque signalétique TR SONELGAZ N_11
Plaque signalétique TR SONELGAZ Plaque signalétique TR SONELGAZ 22
•• Partie activePartie active –– Circuit magnétiqueCircuit magnétique –– Enroulements Enroulements –– IsolantsIsolants
•• CuveCuve •• HuileHuile •• TraverséesTraversées •• Equipement :Equipement :
–– Changeur de prises en Changeur de prises en charge ou hors tensioncharge ou hors tension
–– RefroidissementRefroidissement –– ConservateurConservateur –– Coffret des auxiliairesCoffret des auxiliaires –– Coffret de commande Coffret de commande
du CPCdu CPC –– Appareils de mesure et Appareils de mesure et
de protectionde protection
COMPOSANTS D’ UN TRANSFORMATEURCOMPOSANTS D’ UN TRANSFORMATEUR
Partie active core vue côté BTPartie active core vue côté BT
Partie active core vue côté HTPartie active core vue côté HT
Partie active shell (cuirassé)Partie active shell (cuirassé)
Canaliser vers l’enroulement secondaire (et Canaliser vers l’enroulement secondaire (et tertiaire) le flux magnétique produit par tertiaire) le flux magnétique produit par l’excitation de l’enroulement primairel’excitation de l’enroulement primaire
•• Assemblage de tôles magnétiques à Assemblage de tôles magnétiques à haute perméabilité de sectionhaute perméabilité de section –– circulaire : tfo core (concentrique)circulaire : tfo core (concentrique) –– rectangulaire : tfo shell (cuirassérectangulaire : tfo shell (cuirassé--imbriqué)imbriqué)
CIRCUIT MAGNETIQUECIRCUIT MAGNETIQUE
Circuit magnétique type core (Circuit magnétique type core (3 3 noyaux)noyaux)
Circuit magnétique type core (Circuit magnétique type core (5 5 noyaux)noyaux)
Circuit magnétique shell Circuit magnétique shell 3 3 noyauxnoyaux
ENROULEMENTSENROULEMENTS
•• Permettre le transfert de la puissance du primaire vers Permettre le transfert de la puissance du primaire vers le secondaire (tertiaire) tout en modifiant la tensionle secondaire (tertiaire) tout en modifiant la tension
•• Bobine constituée d’un nombre de spires réparties Bobine constituée d’un nombre de spires réparties dans plusieurs galettes en sériedans plusieurs galettes en série
•• Section de la spire constituée de plusieurs fils. Leur Section de la spire constituée de plusieurs fils. Leur nombre et leurs dimensions dépendent de la valeur du nombre et leurs dimensions dépendent de la valeur du courantcourant
•• Forme des galettes :Forme des galettes : –– circulaire : tfo corecirculaire : tfo core –– rectangulaire : tfo shellrectangulaire : tfo shell
Enroulement transformateur type coreEnroulement transformateur type core
Enroulement transformateur type shellEnroulement transformateur type shell
ISOLANTSISOLANTS
•• Isolants solides à base de celluloseIsolants solides à base de cellulose –– Isolation entre spires et isolation des Isolation entre spires et isolation des
connexionsconnexions –– Isolation entre enroulementsIsolation entre enroulements –– Isolation entre enroulements et masseIsolation entre enroulements et masse
•• Isolant liquideIsolant liquide –– HuileHuile
•• Deux rôles :Deux rôles :
–– Isolant en remplaçant tous les espaces d’air Isolant en remplaçant tous les espaces d’air par de l’huilepar de l’huile
–– Agent de refroidissement en véhiculant vers Agent de refroidissement en véhiculant vers les réfrigérants les calories dégagées par la les réfrigérants les calories dégagées par la partie activepartie active
CUVECUVE
•• Plusieurs rôles:Plusieurs rôles:
–– Réservoir d’huileRéservoir d’huile –– Assurer la résistance au courtAssurer la résistance au court--circuit (pour circuit (pour
tfo shell uniquement)tfo shell uniquement) –– Maintenir à l’ intérieur de la cuve la majorité Maintenir à l’ intérieur de la cuve la majorité
du flux de fuite produit par le courant dans du flux de fuite produit par le courant dans les enroulementsles enroulements
Transformateur (vue extérieure)Transformateur (vue extérieure)
TRAVERSEESTRAVERSEES
•• Permettre de connecter le tfo au réseau d’une part et à Permettre de connecter le tfo au réseau d’une part et à l’utilisateur d’autre part l’utilisateur d’autre part
•• Raccordées aux extrémités des enroulementsRaccordées aux extrémités des enroulements –– Traversées huileTraversées huile--airair –– Traversées huileTraversées huile--huile dans une boîte à câble(s)huile dans une boîte à câble(s) –– TraverséesTraversées huilehuile--SFSF6 6 pour liaison avec bus duct SFpour liaison avec bus duct SF6 6 –– Traversées embrochablesTraversées embrochables
Traversées huileTraversées huile--airair
Traversée huileTraversée huile--huile dans une boîte à câble huile dans une boîte à câble
Traversée huileTraversée huile--SFSF6 6 et bus duct SFet bus duct SF66
Traversées embrochablesTraversées embrochables
CHANGEUR DE PRISESCHANGEUR DE PRISES
•• Changeur de prises en chargeChangeur de prises en charge –– Permet de modifier le rapport de transformation Permet de modifier le rapport de transformation
lorsque le transformateur est lorsque le transformateur est en fonctionnementen fonctionnement –– Commande électriqueCommande électrique
•• Changeur de prises hors tensionChangeur de prises hors tension –– Permet de modifier le rapport de transformation Permet de modifier le rapport de transformation
uniquementuniquement lorsque le transformateur est lorsque le transformateur est hors tensionhors tension –– Commande manuelleCommande manuelle
Changeur de prises en chargeChangeur de prises en charge
Coupe dans un changeur de prises en Coupe dans un changeur de prises en charge et dans un sélecteur de prises en charge et dans un sélecteur de prises en chargecharge
Direct / Inversion / Présélection et Direct / Inversion / Présélection et réglage finréglage fin
a : réglage en direct
b : réglage par inversion
c : réglage avec présélection et réglage fin
Types d’ enroulements de réglage les Types d’ enroulements de réglage les plus utilisésplus utilisés
a : réglage par inversion
b : réglage avec présélection et réglage fin
Réglage avec présélection et réglage fin Réglage avec présélection et réglage fin (+(+--1515%)%)
a : pos max b : pos moy avec présélecteur en service
c : pos moy avec réglage fin en service d : pos min
Réglage par inversion Réglage par inversion (+(+--1515%)%)
a : pos max b : pos moy avec inverseur en concordant
c : pos moy avec inverseur en discordant d : pos min
Détails de la commutation dans un Détails de la commutation dans un changeur de prises en chargechangeur de prises en charge
1 1
Sélecteur Inverseur
Changeur de prises hors tension (tfo core)Changeur de prises hors tension (tfo core)
Schémas d’ enroulement utilisés pour connexion Schémas d’ enroulement utilisés pour connexion avec un changeur de prises hors tensionavec un changeur de prises hors tension
Changeur de prises hors tensionChangeur de prises hors tension
CEDASPE type AT 72.5 kV et 420 A max
Changeur de prises hors tensionChangeur de prises hors tension
CEDASPE type M 170 kV et 600 A max
Changeur de prises hors tensionChangeur de prises hors tension
CEDASPE type K 245 kV et 500 A max
Changeur de prises hors tensionChangeur de prises hors tension ← MR type DU 245 kV et
2000 A max
MR type XX →
•• Aéroréfrigérant(s)Aéroréfrigérant(s) –– OFAF ou ODAF : avec ventilateur(s) et pompe(s)OFAF ou ODAF : avec ventilateur(s) et pompe(s)
•• Réfrigérant(s) à eauRéfrigérant(s) à eau –– OFWF ou ODWF : avec pompe(s) à huile et OFWF ou ODWF : avec pompe(s) à huile et
pompe(s) à eaupompe(s) à eau
Radiateur et ventilateurRadiateur et ventilateur
AéroréfrigérantAéroréfrigérant
CONSERVATEURCONSERVATEUR
•• Absorber les modifications du volume d’huile Absorber les modifications du volume d’huile dues aux variations de températuredues aux variations de température
•• Sécheur d’air pour empêcher l’humidité de l’air Sécheur d’air pour empêcher l’humidité de l’air de pénétrer dans l’huilede pénétrer dans l’huile
•• Ballon en nitrile pour empêcher le contact de Ballon en nitrile pour empêcher le contact de l’air avec l’huilel’air avec l’huile
•• Niveau d’huile pour indiquer le niveau en Niveau d’huile pour indiquer le niveau en fonction de la température et donner une fonction de la température et donner une alarme en cas de niveau trop basalarme en cas de niveau trop bas
•• Deux compartiments si changeur de prises en Deux compartiments…