Dans le fonctionnement de la transformation et de la distribution de l'énergie électrique, les transformateurs sont indispensables, et il est très nécessaire de connaître et de maîtriser les notions de base sur les transformateurs.
1. Qu'est-ce qu'un transformateur ?
Dans un circuit alternatif, l'appareil qui augmente ou diminue la tension est appelé transformateur. Le transformateur peut convertir toute valeur de tension en la valeur de tension souhaitée à la même fréquence, afin de répondre aux exigences de transmission, de distribution et d'utilisation de l'énergie électrique. Par exemple, l'électricité produite par une centrale a un niveau de tension bas, et la tension doit être augmentée pour être transportée vers une zone de consommation éloignée. Dans la zone de consommation, la tension doit être réduite à un niveau approprié pour alimenter les équipements électriques et les appareils domestiques.
2. Comment le transformateur transforme-t-il la tension ?
Les transformateurs sont fabriqués sur la base de l'induction électromagnétique. Ils sont constitués d'un noyau en tôles d'acier au silicium (ou en feuilles de silicium) et de deux ensembles de bobines enroulées autour du noyau. Le noyau et les bobines sont isolés les uns des autres sans aucune connexion électrique. La bobine connectée au côté alimentation du transformateur est appelée bobine primaire (ou côté primaire), et la bobine connectée aux équipements électriques est appelée bobine secondaire (ou côté secondaire). Lorsque la bobine primaire d'un transformateur est connectée à une source d'alimentation alternative, des lignes de force magnétiques variables sont créées dans le noyau.
Puisque la bobine secondaire est enroulée sur le même noyau, la ligne de force magnétique coupe la bobine secondaire, et une force électromotrice induite est générée sur la bobine secondaire, provoquant l'apparition d'une tension aux deux extrémités de la bobine. Comme les lignes de champ magnétique sont alternatives, la tension de la bobine secondaire est également alternative. Et la fréquence est exactement la même que celle du réseau électrique.
Il a été confirmé par la théorie que le rapport de tension entre la bobine primaire et la bobine secondaire du transformateur est lié au rapport des spires de la bobine primaire et de la bobine secondaire, ce qui peut être exprimé par la formule suivante : tension de la bobine primaire / tension de la bobine secondaire = nombre de spires de la bobine primaire / nombre de spires de la bobine secondaire. Cela signifie que plus le nombre de spires est élevé, plus la tension est élevée. Par conséquent, on peut voir que si la bobine secondaire a moins de spires que la bobine primaire, il s'agit d'un transformateur abaisseur. À l'inverse, c'est un transformateur élévateur.
3. Quels types de conception de transformateurs existe-t-il ?
(1) Selon le nombre de phases, il y a des transformateurs monophasés et triphasés.
(2) Selon l'usage, il y a les transformateurs de puissance, les transformateurs de puissance spéciaux, les transformateurs de réglage de tension, les transformateurs de mesure (transformateurs de tension, transformateurs de courant), les petits transformateurs de puissance (pour équipements de faible puissance) et les transformateurs de sécurité.
(3) Selon la structure, il y a deux types : à noyau et à enveloppe. Les bobines peuvent être à double enroulement, à multi-enroulements ou autotransformateurs.
(4) Selon le mode de refroidissement, il y a les transformateurs immergés dans l'huile et refroidis par air.
4. Quels sont les composants du transformateur ?
Les composants du transformateur sont principalement constitués du noyau et des bobines, en plus du réservoir d'huile, du vase d'expansion, des manchons isolants et des prises de réglage.
5. À quoi sert l'huile du transformateur ?
Le rôle de l'huile du transformateur est :
(1) Effet d'isolation
(2) Dissipation thermique
(3) Élimination de l'effet d'arc
6. Qu'est-ce qu'un autotransformateur ?
L'autotransformateur ne possède qu'un seul jeu de bobines, et la bobine secondaire est prise en dérivation sur la bobine primaire. Outre la transmission par induction électromagnétique, la bobine secondaire transmet également directement l'électricité. Ce type de transformateur utilise moins de tôles de silicium et de fils de cuivre qu'un transformateur ordinaire. Il est souvent utilisé pour réguler la tension.
7. Comment le régulateur de tension est-il ajusté ?
La structure du régulateur de tension est identique à celle d'un autotransformateur, mais le noyau magnétique est réalisé en forme de tore et la bobine est enroulée autour de ce noyau torique.
La prise de la bobine secondaire utilise un contact à balai coulissant, permettant à ce contact de glisser de manière annulaire le long de la surface de la bobine pour obtenir une régulation de tension continue.
8. Quelle est la relation de courant entre la bobine primaire et la bobine secondaire d'un transformateur ?
Lorsque le transformateur fonctionne en charge, la variation du courant dans la bobine secondaire entraîne une variation correspondante du courant dans la bobine primaire. Selon le principe d'équilibre des forces magnétomotrices, les courants des bobines primaire et secondaire sont inversement proportionnels au nombre de spires de la bobine : le côté avec plus de spires a un courant plus faible, et le côté avec moins de spires a un courant plus fort. Cela peut être exprimé par la formule suivante : courant primaire / courant secondaire = nombre de spires secondaire / nombre de spires primaire.
9. Qu'est-ce que le taux de variation de tension d'un transformateur ?
Le taux de variation de tension est l'un des principaux indicateurs de performance d'un transformateur. Lorsque le transformateur alimente une charge, la tension aux bornes de la charge diminue inévitablement. En comparant cette valeur de tension réduite à la valeur de tension nominale, le pourcentage obtenu est le taux de variation de tension, qui peut être exprimé par la formule : Taux de variation de tension = [(Tension secondaire nominale - Tension en charge) / Tension secondaire nominale] × 100%. Pour un transformateur de puissance normal connecté à une charge nominale, le taux de variation de tension est de 4 à 6%.
10. Comment garantir qu'un transformateur délivre une tension nominale ?
Une tension trop élevée ou trop basse affecte le fonctionnement normal et la durée de vie du transformateur, il est donc nécessaire de réguler la tension.
La méthode de réglage de tension consiste à prévoir plusieurs prises (taps) dans la bobine primaire et à les connecter à un commutateur de prises. Ce commutateur modifie le nombre de spires de la bobine en faisant tourner des contacts. En tournant simplement la position du commutateur, on peut obtenir la valeur de tension nominale souhaitée. Il est important de noter que le réglage de tension doit généralement être effectué après avoir coupé la charge connectée au transformateur.
11. Qu'est-ce qu'un petit transformateur couramment utilisé ? Où est-il appliqué ?
Les petits transformateurs désignent généralement des transformateurs monophasés d'une capacité inférieure à 1 kVA. Ils sont principalement utilisés comme transformateurs de commande pour équipements électriques, transformateurs d'alimentation pour équipements électroniques et transformateurs d'éclairage de sécurité.
12. Quelles sont les pertes d'un transformateur en fonctionnement ? Comment les réduire ?
Les pertes lors du fonctionnement d'un transformateur comprennent deux parties :
(1) Les pertes dues au noyau magnétique. Lorsque la bobine est sous tension, le champ magnétique alternatif crée des courants de Foucault et des pertes par hystérésis dans le noyau de fer. Ces pertes sont collectivement appelées pertes fer.
(2) Les pertes dues à la résistance propre des bobines. Lorsqu'un courant traverse les bobines primaire et secondaire du transformateur, une perte de puissance se produit. Cette perte est appelée perte cuivre.
La somme des pertes fer et des pertes cuivre constitue la perte du transformateur, et ces pertes sont liées à la capacité du transformateur, à la tension et au taux d'utilisation de l'équipement. Par conséquent, lors du choix d'un transformateur, la capacité de l'équipement doit correspondre autant que possible à l'utilisation réelle pour améliorer le taux d'utilisation de l'équipement, et il faut veiller à ne pas faire fonctionner le transformateur en charge légère.
13. Qu'est-ce que la plaque signalétique d'un transformateur ? Quelles sont les principales données techniques indiquées sur la plaque signalétique ?
La plaque signalétique du transformateur indique ses performances, ses spécifications techniques et ses domaines d'application, et sert à guider le choix de l'utilisateur. Généralement, les principales données techniques à prendre en compte sont :
(1) La capacité nominale en kVA. C'est-à-dire la capacité de sortie du transformateur dans des conditions nominales. Par exemple, pour un transformateur monophasé : capacité nominale = U ligne × I ligne ; pour un transformateur triphasé : capacité = U ligne × I ligne.
(2) La tension nominale en volts. Sont indiquées respectivement la tension aux bornes du primaire et la tension aux bornes du secondaire (à vide). Notez que pour un transformateur triphasé, la tension aux bornes fait référence à la valeur de la tension ligne U ligne.
(3) Le courant nominal en ampères. Il s'agit de la valeur du courant ligne I ligne que les enroulements primaire et secondaire peuvent supporter en continu dans des conditions de capacité nominale et d'élévation de température admissible.
(4) Le rapport de transformation. Il s'agit du rapport entre la tension nominale du primaire et la tension nominale du secondaire.
(5) Le mode de couplage. Les transformateurs monophasés n'ont qu'un seul jeu de bobines haute et basse tension, utilisable uniquement en monophasé, tandis que les transformateurs triphasés peuvent être couplés en Y/△. Outre les données techniques ci-dessus, on trouve également la fréquence nominale du transformateur, le nombre de phases, l'élévation de température, le pourcentage d'impédance du transformateur, etc.
14. Comment choisir un transformateur ? Comment déterminer la capacité raisonnable d'un transformateur ?
Il faut d'abord étudier la tension d'alimentation du lieu de consommation, la charge électrique réelle de l'utilisateur et les conditions du site, puis faire son choix en fonction des données techniques indiquées sur la plaque signalétique du transformateur. Généralement, il convient de prendre en compte de manière globale la capacité, la tension, le courant et les conditions environnementales du transformateur. Parmi celles-ci, le choix de la capacité est crucial. La capacité du transformateur doit être sélectionnée en fonction de la puissance, de la nature et du temps d'utilisation des équipements électriques de l'utilisateur pour déterminer la charge requise. En fonctionnement normal, la charge électrique du transformateur devrait représenter environ 75 à 90 % de sa capacité nominale. Si, en fonctionnement, on mesure que la charge réelle du transformateur est inférieure à 50 %, il faut le remplacer par un transformateur de plus petite capacité. Si la charge nominale du transformateur dépasse sa capacité nominale, il faut immédiatement le remplacer par un transformateur plus puissant.
Parallèlement, lors du choix du transformateur, la tension du primaire est déterminée en fonction de l'alimentation du réseau, et la tension du secondaire est choisie en fonction des équipements électriques. Il est préférable d'opter pour une alimentation triphasée quatre fils basse tension. Cela permet d'alimenter simultanément des charges de puissance et d'éclairage.
Pour le choix du courant, il faut veiller à ce que la charge puisse répondre aux exigences des moteurs au démarrage (car le courant de démarrage d'un moteur est 4 à 7 fois supérieur à son courant en régime établi).
15. Pourquoi un transformateur ne doit-il pas être en surcharge ?
Le fonctionnement en surcharge désigne l'exploitation du transformateur au-delà de la valeur de courant spécifiée sur la plaque signalétique.
La surcharge se divise en surcharge normale et surcharge accidentelle. La première fait référence à l'augmentation de la consommation électrique de l'utilisateur dans des conditions d'alimentation normales. Elle entraîne souvent une élévation de la température du transformateur, accélère le vieillissement de son isolation et réduit sa durée de vie. Par conséquent, le fonctionnement en surcharge d'un transformateur n'est pas autorisé.
Dans des circonstances particulières, la surcharge du transformateur sur une courte durée ne doit pas dépasser 30 % de la charge nominale en hiver, et 15 % en été.
16. Quels types de tests le transformateur doit-il subir en fonctionnement ?
Pour garantir le fonctionnement normal du transformateur, les tests suivants doivent être réalisés fréquemment :
(1) Test de température. L'état de fonctionnement du transformateur dépend largement de sa température. Les règlements stipulent que la température supérieure de l'huile ne doit pas dépasser 85 °C (soit une élévation de température de 55 °C). Généralement, les transformateurs sont équipés de dispositifs de mesure de température spécifiques.
(2) Détermination de la charge. Pour améliorer le taux d'utilisation du transformateur et réduire les pertes d'énergie électrique, il est nécessaire de déterminer la capacité d'alimentation que le transformateur peut réellement supporter. Cette mesure est généralement effectuée pendant les périodes de pointe de consommation de chaque saison, à l'aide d'une pince ampèremétrique pour une mesure directe. La valeur du courant doit être comprise entre 70 % et 80 % du courant nominal du transformateur. Au-delà, cela indique une surcharge et un ajustement immédiat est requis.
(3) Mesure de tension. Les règlements exigent que la variation de tension reste dans une plage de ±5 % de la tension nominale. Si cette plage est dépassée, des prises doivent être utilisées pour ajuster la tension dans les limites spécifiées. Généralement, un voltmètre est utilisé pour mesurer la tension aux bornes du bobinage secondaire et la tension aux bornes de l'utilisateur final.
(4) Détermination de la résistance d'isolement. Pour maintenir le transformateur dans un état de fonctionnement normal, la mesure de la résistance d'isolement est essentielle pour prévenir le vieillissement de l'isolation et les accidents. Lors de la mesure, il est préférable d'arrêter le fonctionnement du transformateur et d'utiliser un mégohmmètre pour mesurer la valeur de la résistance d'isolement. La résistance mesurée ne doit pas être inférieure à 70 % de la valeur précédemment mesurée. Pour le choix du mégohmmètre, le bobinage basse tension peut utiliser un niveau de tension de 500 volts.
17. Qu'est-ce que la polarité d'un transformateur ? Quel est son rôle dans l'utilisation pratique ?
La polarité du transformateur sert à indiquer la relation relative entre les potentiels des extrémités du bobinage primaire et ceux du bobinage secondaire à un même instant. Étant donné que l'amplitude et la direction de la force électromotrice varient constamment, à un moment donné, les bobinages primaire et secondaire doivent avoir deux bornes à haut potentiel simultanément et deux bornes à bas potentiel simultanément. Les bornes correspondantes à haut potentiel sont appelées bornes de même polarité du transformateur. Ainsi, la polarité du transformateur détermine le sens d'enroulement des bobinages, et lorsque ce sens change, la polarité change également. En pratique, la polarité du transformateur est la base pour la mise en parallèle des transformateurs. Selon la polarité, différentes formes de tension peuvent être obtenues. Si la polarité est inversée, un fort courant de court-circuit peut se produire, endommageant le transformateur. Par conséquent, lors de l'utilisation du transformateur, il faut prêter attention aux marquages sur la plaque signalétique.
18. Comment déterminer la polarité d'un transformateur ?
Lorsque la plaque signalétique du transformateur n'est pas claire ou s'il s'agit d'un ancien transformateur, la polarité peut être déterminée par des tests. Il existe deux méthodes :
(1) Méthode en courant continu.
Pour tester un transformateur monophasé, connectez une pile sèche de 1,5 volt au primaire, puis un millivoltmètre continu au secondaire. Lorsque l'interrupteur K est fermé, si l'aiguille dévie dans le sens positif (ou dévie dans le sens négatif à l'ouverture), cela indique que la borne positive de la pile et la borne du secondaire sont de même polarité, ou de même nom. Pour tester la polarité et le niveau des transformateurs triphasés, la méthode en courant continu est principalement utilisée.
(2) Méthode en courant alternatif.
Reliez une paire de bornes de même nom du primaire et du secondaire avec des fils. Ensuite, appliquez une basse tension alternative entre les bornes AX du primaire pour faciliter la mesure. Utilisez un voltmètre pour mesurer la valeur de tension V1 entre AX, la valeur V2 entre XX et la valeur V3 entre ax. Si la valeur de V2 est la différence entre les tensions V1 et V3, alors Aa est la borne de même polarité ; si la valeur de V2 est la somme des tensions V1 et V3, alors AX est la borne de même polarité. Contenu de l'inspection de tournée du transformateur : si le bruit du transformateur est normal ; s'il y a des suintements ou des fuites d'huile ; si la jauge et le niveau d'huile sont normaux ; s'il y a du gaz dans le relais à gaz ; si le respirateur est intact ; si l'agent anti-humidité est épuisé ou décoloré ; si le bruit interne du transformateur est normal ; si les câbles et les barres omnibus de connexion sont surchauffés, déplacés, déformés, etc.
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