Transformateur redresseur : principe de fonctionnement et applications
1.Transformateur redresseur : principe et aperçu
Un transformateur redresseur est un transformateur spécialisé conçu pour alimenter les systèmes de redressement. Son principe de fonctionnement est le même que celui d'un transformateur conventionnel — il fonctionne sur la base de l'induction électromagnétique et est utilisé pour transformer la tension alternative. Un transformateur typique a deux enroulements électriquement isolés — primaire et secondaire — enroulés autour d'un noyau de fer commun.
Lorsque l'enroulement primaire est connecté à une source d'alimentation en courant alternatif, le courant alternatif circule à travers lui, générant une force magnétomotrice (FMM), qui produit un flux magnétique alternatif dans le noyau de fer fermé. Ce flux variable coupe à la fois l'enroulement primaire et secondaire, induisant une tension alternative de la même fréquence dans l'enroulement secondaire.
Le rapport du nombre de spires entre l'enroulement primaire et secondaire est égal au rapport de tension. Par exemple, si un transformateur a 440 spires sur le primaire et 220 spires sur le secondaire, avec une entrée de 220V sur le côté primaire, la tension de sortie sur le secondaire sera de 110V. Certains transformateurs peuvent avoir plusieurs enroulements secondaires ou des prises, permettant d'obtenir plusieurs tensions de sortie différentes.
2.Caractéristiques des transformateurs redresseurs
Les transformateurs redresseurs fonctionnent avec des redresseurs pour former des équipements de redressement, permettant la conversion de l'énergie électrique alternative en énergie continue. Ces systèmes de redressement sont les sources d'alimentation continue les plus couramment utilisées dans les entreprises industrielles modernes, largement appliquées dans la transmission en courant continu à haute tension, la traction électrique, les laminoirs, le galvanoplastie, l'électrolyse, et d'autres domaines.
Le côté primaire (aussi appelé côté réseau) d'un transformateur redresseur est connecté au réseau électrique en courant alternatif, tandis que le côté secondaire (aussi appelé côté valve) est connecté au redresseur. Bien que sa structure de base et son principe de fonctionnement soient similaires à ceux d'un transformateur conventionnel, la charge — un redresseur — diffère considérablement des charges normales, conduisant à des caractéristiques de conception et de fonctionnement uniques :
2.2 Formes d'onde de courant non sinusoïdales
Dans un circuit de redressement, chaque bras conduit uniquement pendant une partie du cycle, ce qui entraîne des formes d'onde de courant non sinusoïdales — généralement proches de pulsations rectangulaires discontinues. Par conséquent, les courants des enroulements primaire et secondaire sont non sinusoïdaux.
Par exemple, dans un redresseur pont à trois phases avec une connexion Y/Y, la forme d'onde du courant montre des motifs de pulsations distincts. Lorsque des thyristors sont utilisés pour le redressement, plus l'angle de déclenchement est grand, plus la montée/descente du courant est abrupte, augmentant le contenu harmonique. Cela conduit à des pertes de courants de Foucault plus élevées. Comme l'enroulement secondaire ne conduit le courant qu'une partie du temps, le taux d'utilisation du transformateur redresseur est inférieur à celui d'un transformateur conventionnel. Ainsi, pour la même puissance nominale, les transformateurs redresseurs tendent à être plus grands et plus lourds.
2.3 Puissance apparente équivalente (moyenne)
Dans un transformateur conventionnel, la puissance d'entrée et de sortie sont égales (en ignorant les pertes), donc la capacité nominale est simplement la puissance apparente de l'un des enroulements. Cependant, dans un transformateur redresseur, les courants primaire et secondaire peuvent différer en forme d'onde (par exemple, dans le redressement à demi-onde), rendant leurs puissances apparentes inégales.
Ainsi, la capacité du transformateur est définie comme la moyenne des puissances apparentes primaire et secondaire, connue sous le nom de capacité équivalente :
où S1 est la puissance apparente primaire et S2 est la puissance apparente secondaire.
2.4 Haute résistance aux courts-circuits
Les transformateurs redresseurs doivent avoir une grande résistance mécanique pour résister aux forces électromagnétiques des courts-circuits dus aux pannes fréquentes ou aux changements brusques de charge (par exemple, le démarrage des moteurs). Assurer la stabilité dynamique en cas de court-circuit est une considération cruciale dans la conception et la fabrication.
3.Principales applications des transformateurs redresseurs
Les transformateurs redresseurs servent de source d'alimentation pour les équipements de redressement. Leur principale caractéristique est de convertir l'entrée en courant alternatif du côté primaire en sortie en courant continu via des éléments de redressement du côté secondaire. "La conversion de puissance" comprend le redressement, l'inversion et la conversion de fréquence, parmi lesquels le redressement est le plus largement utilisé. Les transformateurs utilisés pour alimenter les dispositifs de redressement sont appelés transformateurs redresseurs. La plupart des alimentations en courant continu industrielles sont obtenues en combinant des réseaux en courant alternatif avec des transformateurs redresseurs et des circuits de redressement.
3.1 Industrie électrochimique
C'est le domaine d'application le plus important pour les transformateurs redresseurs :
Électrolyse des composés métalliques pour produire de l'aluminium, du magnésium, du cuivre et d'autres métaux non ferreux
Production de chlorure d'alkali par électrolyse de l'eau salée
Production d'hydrogène et d'oxygène par électrolyse de l'eau
Ces processus nécessitent une puissance en courant continu de forte intensité et basse tension, similaire dans certains aspects aux transformateurs de four électrique. Ainsi, les transformateurs redresseurs partagent des caractéristiques structurelles avec les transformateurs de four.
La caractéristique distinctive des transformateurs redresseurs est que le courant secondaire n'est plus du courant alternatif sinusoïdal. En raison de la conduction unidirectionnelle des éléments de redressement, les courants de phase deviennent pulsés et unidirectionnels. Après filtration, ce courant pulsé devient un courant continu lisse.
La tension et le courant secondaires dépendent non seulement de la capacité du transformateur et du groupe de connexion, mais aussi de la configuration du circuit de redressement (par exemple, pont à trois phases, double antiparallèle avec réacteur de balance). Même pour la même sortie en courant continu, différents circuits de redressement nécessitent des tensions et des courants secondaires différents. Ainsi, le calcul des paramètres pour les transformateurs redresseurs commence du côté secondaire et est basé sur la topologie spécifique du redresseur.
Comme les courants des enroulements secondaires contiennent de riches harmoniques d'ordre élevé, ils polluent le réseau en courant alternatif et réduisent le facteur de puissance. Pour atténuer les harmoniques et améliorer le facteur de puissance, le nombre de pulsations du système de redressement doit être augmenté, généralement réalisé par des techniques de déphasage. L'objectif du déphasage est d'introduire un décalage de phase entre les tensions de ligne aux bornes homologues des enroulements secondaires.
3.2 Alimentation en courant continu pour la traction
Utilisé dans les locomotives électriques minières ou urbaines avec lignes aériennes en courant continu.
Pannes de court-circuit fréquentes en raison de l'exposition des lignes aériennes
Fluctuations importantes de la charge en courant continu
Démarrages fréquents des moteurs causant des surcharges à court terme
Pour gérer ces conditions :
Limites de montée en température plus basses
Densité de courant réduite
Impédance environ 30 % plus élevée que celle des transformateurs de puissance standard
3.3 Alimentation en courant continu pour la traction industrielle
Principalement utilisé pour alimenter les moteurs en courant continu dans les systèmes de traction électrique, tels que :
Alimentation de l'armature et de l'excitation pour les moteurs de laminoirs
3.4 Transmission en courant continu à haute tension (HVDC)
Tensions de fonctionnement généralement supérieures à 110 kV
Capacités allant de dizaines de milliers à des centaines de milliers de kVA
Attention particulière requise pour la contrainte d'isolement combinée AC et DC vers la terre
Autres applications :
Alimentation en courant continu pour le galvanoplastie ou l'usinage électrolytique
Alimentations d'excitation pour les alternateurs
Systèmes de charge de batteries
Alimentations pour précipitateurs électrostatiques (ESP)
