Construction d'un transformateur
Construction du transformateur et composants clés
Un transformateur comprend principalement un circuit magnétique, un circuit électrique, un circuit diélectrique, une cuve et des composants auxiliaires. Ses éléments essentiels sont les enroulements primaire/secondaire et un noyau d'acier, avec le noyau construit à partir d'acier silicium pour former un chemin magnétique continu. Les noyaux de transformateurs sont généralement stratifiés pour minimiser les pertes par courants de Foucault.
Circuit Magnétique
Le circuit magnétique est constitué du noyau et de la traverse, fournissant un chemin pour le flux magnétique. Il présente un noyau en acier stratifié avec deux bobines isolées (primaire et secondaire), toutes deux isolées l'une de l'autre et du noyau.
Matériau du Noyau: Feuilles d'acier laminé ou d'acier silicium, choisies pour leurs faibles pertes hystérétiques aux densités de flux standard.
Termes structurels:
Jambages: Sections verticales où sont enroulées les bobines.
Traverse: Sections horizontales reliant les jambages pour compléter le chemin magnétique.
Circuit Électrique
Le circuit électrique comprend les enroulements primaire et secondaire, généralement en cuivre:
Types de Conducteurs:
Conducteurs de section rectangulaire: Utilisés pour les enroulements basse tension et haute tension dans les grands transformateurs.
Conducteurs de section circulaire: Employés dans les enroulements haute tension des petits transformateurs.
Les transformateurs sont classés par construction du noyau et placement des enroulements en:
Construction du Transformateur à Noyau
Dans la conception du transformateur à noyau, le noyau est formé en stratifiant des structures de cadre rectangulaires. Les stratifications sont généralement découpées en bandes en forme de L, comme illustré dans la figure ci-dessous. Pour minimiser la réticence magnétique aux joints de stratification, les couches alternées sont disposées en quinconce, éliminant les lignes de jointure continues et assurant un chemin magnétique fluide.
Les enroulements primaire et secondaire sont intercalés pour minimiser le flux de fuite, avec la moitié de chaque enroulement disposée soit côte à côte, soit concentriquement sur chaque jambage du noyau. Lors de la mise en place, une isolation en bakélite est insérée entre le noyau et l'enroulement basse tension (BT), entre BT et haute tension (HT), entre les bobines et la traverse, et entre le jambage HT et la traverse, comme illustré dans la figure ci-dessous. L'enroulement BT est positionné plus près du noyau pour réduire les exigences en matière d'isolation, optimisant ainsi l'efficacité des matériaux et la sécurité électrique.
Construction du Transformateur à Enveloppe
Dans un transformateur à enveloppe, les stratifications individuelles sont découpées en longues bandes en forme de E et I (comme illustré dans la figure ci-dessous), formant deux circuits magnétiques avec un noyau à trois jambages. Le jambage central, deux fois plus large que les jambages externes, transporte le flux magnétique total, tandis que chaque jambage externe conduit la moitié du flux, optimisant l'efficacité magnétique et minimisant les fuites.
Conception et Composants du Transformateur à Enveloppe
Enroulement et Structure du Noyau du Transformateur à Enveloppe
Le flux de fuite dans les transformateurs à enveloppe est minimisé en subdivisant les enroulements, réduisant la réactance. Les enroulements primaire et secondaire sont situés sur le jambage central: l'enroulement basse tension (BT) est placé à côté du noyau, avec l'enroulement haute tension (HT) enroulé autour de lui. Pour réduire les coûts de stratification, les enroulements sont préformés en forme cylindrique, avec les stratifications du noyau insérées ensuite.
Circuit Diélectrique
Le circuit diélectrique comprend les matériaux isolants séparant les parties conductrices. Les stratifications du noyau (de 0,35 à 0,5 mm d'épaisseur pour les systèmes 50 Hz) sont recouvertes de vernis ou d'une couche d'oxyde pour minimiser les pertes par courants de Foucault et assurer l'isolement électrique entre les couches.
Cuves et Accessoires
Réservoir de Compensation
Un réservoir cylindrique monté sur le toit de la cuve principale du transformateur, le réservoir de compensation agit comme un réservoir d'huile isolante. Il accueille l'expansion de l'huile lors de l'exploitation à pleine charge, évitant la formation de pression lorsque la température fluctue.
Respirateur
Fonctionnant comme le "cœur" du transformateur, le respirateur régule l'entrée d'air lors de l'expansion/contraction de l'huile. La gel de silice à l'intérieur absorbe l'humidité de l'air entrant, préservant la qualité de l'huile: le gel bleu frais devient rose lorsqu'il est saturé, avec le gel sec capable de baisser les points de rosée de l'air en dessous de -40°C.
Vent de Décompression
Un tuyau mince en aluminium installé aux deux extrémités du transformateur, le vent de décompression soulage la pression interne excessive causée par des surges de température soudains, protégeant le transformateur des dommages.
Radiateur
Des unités de radiateur détachables refroidissent l'huile du transformateur par convection naturelle: l'huile chauffée monte dans le radiateur, se refroidit et retourne dans la cuve via des vannes, maintenant un cycle de refroidissement continu.
Bouchons
Dispositifs isolants permettant aux conducteurs électriques de traverser la cuve, les bouchons résistent aux champs de haute tension. Les petits transformateurs utilisent des bouchons en porcelaine solide, tandis que les grandes unités emploient des bouchons condensateurs remplis d'huile. L'intrusion d'humidité est le mode de défaillance principal, détectable via des tests de facteur de puissance (par exemple, le test de facteur de puissance Doble) qui surveillent la dégradation de l'isolation.
