Transformateur de puissance : conception, évaluation, pertes, efficacité, utilisations

• Définition du transformateur de puissance
• Conception du transformateur de puissance
• Schéma du transformateur de puissance
• Puissance du transformateur de puissance
• Pertes du transformateur de puissance
• Efficacité du transformateur de puissance
• Application de transformateur de puissance (dans une sous-station)
• Maintenance du transformateur de puissance
• Panne du transformateur de puissance

Définition du transformateur de puissance

Un transformateur typique peut être défini comme «un dispositif qui transfère l'énergie électrique entre les circuits électriques». C'est un appareil passif et statique. Un transformateur de puissance est unique en son genre. Les transformateurs de puissance sont utilisés pour interfacer l'abaissement et augmenter les tensions dans le système de distribution d'énergie. 

Un transformateur de puissance typique a une durée de vie d'environ 30 ans.

Conception du transformateur de puissance

Un transformateur typique se compose de pièces -

• A. Noyau métallique
• B. Deux enroulements constitués de bobines

Un transformateur de puissance a les mêmes composants qu'un transformateur normal. De plus, il dispose d'un système de refroidissement et d'un squelette métallique, qui est laminé avec des feuilles. En fonction de la structure du noyau, un transformateur de puissance peut être soit de type enveloppe, soit de type noyau. Celui-ci peut également être de type triphasé ou monophasé. Un triphasé peut être constitué de trois transformateurs monophasés.

Les enroulements primaire et secondaire sont enveloppés à l'aide de conducteurs provenant de l'intérieur ou de l'extérieur du noyau. Monophasé et triphasé, les transformateurs ont tous deux besoin d'une «banque» pour placer les enroulements. Si nous utilisons trois transformateurs monophasés, alors il est nécessaire d'identifier chaque banque isolée des autres. Si l'une des banques tombe en panne, le transformateur assurera également un service continu. Mais dans le cas d'un seul transformateur triphasé, cela ne fonctionnera pas si une banque tombe en panne.

Tous ces paramètres avec le noyau sont conservés à l'intérieur d'un squelette. Le squelette est absorbé dans une huile ignifuge. L'huile fait à la fois le travail d'isolation et de refroidissement. Il y a des bus (isolateurs), qui permettent au conducteur de faire son travail sans interférer avec la structure extérieure. Les transformateurs ont également besoin d'un dispositif de refroidissement. Un ventilateur ou un autre processus peut servir le processus.

Schéma du transformateur de puissance

Puissance de transfert

Les transformateurs sont évalués en fonction de la puissance qu'ils peuvent fournir à la charge. Si un transformateur donne 5 volts et 4 ampères de courant comme sortie, alors la valeur nominale du transformateur sera de 5 * 4 = 20 volts ampères. C'est pourquoi les transformateurs sont évalués en Volt - Ampère (VA) ou Kilovolt - Ampère (kVA). Il fonctionne généralement pour des tensions plus élevées et est évalué en ampère kilovolt.

Un transformateur de puissance est une partie coûteuse d'un système de distribution. Si la puissance nominale n'est pas effectuée correctement, le transformateur peut être grillé. Il est donc nécessaire d'évaluer avec précision un transformateur de puissance. La valeur actuelle peut être calculée en utilisant le diamètre de la bobine des enroulements. La tension peut être calculée en utilisant le nombre de tours ou en utilisant le rapport de tours.

Pertes du transformateur de puissance

Un transformateur de puissance subit des pertes car ce n'est pas un transformateur idéal. Une perte de transformateur signifie une perte de puissance. Les pertes du transformateur peuvent être divisées en quatre catégories. Elles sont -

• A. Perte de noyau / perte de fer (perte d'hystérésis et perte de courant de Foucault)
• B. Perte diélectrique
• C. Perte de cuivre ou perte ohmique
• D. Perte parasite

A. Perte de noyau / perte de fer:

Ces pertes sont également appelées «aucune perte de charge». Ces transformateurs subissent de telles pertes chaque fois qu'ils sont branchés sous tension, même s'il n'y a pas de charge connectée du côté secondaire. Ces types de pertes sont constants et ne fluctuent pas. La perte de fer est également de deux types -

• une. Pertes d'hystérésis
• b. Pertes par courants de Foucault

une. Pertes par hystérésis:

• Une force de magnétisation alternée se produit à l'intérieur du noyau du transformateur. En raison de l'effet de levier magnétisant, une boucle d'hystérésis a été tracée et la puissance s'est dissipée sous forme de chaleur. Les pertes par hystérésis provoquent une perte à vide de 50% à 80%.

P_h = * B_max *n* f *V

P_h = Perte d'hystérésis

η = coefficient d'hystérésis de Steinmetz

B_max = Densité de flux maximale

n = exposant de Steinmetz

f  = fréquence des inversions magnétiques par seconde

V = volume de matériau magnétique

b. Perte de courant de Foucault:

• La perte de courant de Foucault se produit en raison de la loi d'induction de Faraday. Une force électromotrice est induite dans le circuit central en raison du flux magnétique. Cette force électromotrice provoque un flux de courant à travers la structure centrale car elle est composée de fer. Ce courant est connu sous le nom de courant de Foucault. Les courants de Foucault ne sont pas utiles pour travailler dans ce circuit. Ainsi, la perte de puissance due à ce courant est appelée perte de courant de Foucault. Les pertes par courants de Foucault sont responsables de 20% à 50% de perte à vide.

La perte est donnée par -

Pe = K_e * B_max² * f *V*t²

P_e = Perte de courant de Foucault

K_e = Constante de courant de Foucault

B_max = Densité de flux maximale

f  = fréquence des inversions magnétiques par seconde

V = volume de matériau magnétique

t = épaisseur magnétique

B. Pertes diélectriques:

• Les isolants placés à l'intérieur des transformateurs sont à l'origine de cette perte. Ce n'est pas une perte significative et contribue à 1% des pertes totales à vide.

C. Perte de cuivre ou perte ohmique:

• Ce type de perte dans un transformateur de puissance peut être appelé pertes de charge car les transformateurs subissent ce type de perte en raison de conditions de court-circuit ou lorsqu'ils sont connectés à la charge. La résistance des enroulements du fil est à l'origine de cette perte. Comme la plupart des câbles sont constitués de cuivre, la perte est nommée d'après cela.

D. Perte parasite:

• Cette perte se produit en raison du flux de fuite. Le flux de fuite dépend de plusieurs paramètres tels que - la structure géométrique de l'enroulement, la taille du réservoir, etc. La modification de ces paramètres peut également réduire les pertes. C'est une perte négligeable.

Il y a aussi d'autres pertes. L'un d'eux est les pertes auxiliaires. Le système de refroidissement du transformateur provoque ce type de perte. En outre, une puissance déséquilibrée et déformée entraîne des pertes supplémentaires.

Efficacité du transformateur de puissance

L'efficacité d'un appareil électrique est donnée comme le rapport de la puissance de sortie à la puissance d'entrée. Il est donné par - η.

η = Sortie / Entrée * 100%

Dans un scénario pratique, un transformateur a des pertes, comme mentionné précédemment. Cette perte est numériquement égale à la différence entre la puissance d'entrée et la puissance de sortie, c'est-à-dire -

Perte = Puissance d'entrée - Puissance de sortie

Ou, Puissance de sortie = Puissance d'entrée - Perte

Maintenant, l'efficacité peut s'écrire -

η = (perte de puissance d'entrée) / puissance d'entrée * 100%

η = 1- (perte / puissance d'entrée) * 100%

Il peut également s'écrire -

= (V₂I₂Cosϕ / (V₂I₂Cosϕ + P_i+ _c )) * 100%

Où,

V₂ = Tension secondaire

I₂ = Courant secondaire

Cos ϕ = facteur de puissance

P_i = Perte de fer / Perte de noyau

P_c = Perte de cuivre

Un grand transformateur de puissance peut atteindre une efficacité allant jusqu'à 99.75%, et un petit transformateur peut atteindre une efficacité allant jusqu'à 97.50%. Si l'efficacité d'un transformateur de puissance reste dans une plage de 98 à 99.50%, elle sera considérée comme bonne.

Le besoin de puissance augmente à pas de géant. Dans le cas de la distribution de puissance, un transformateur de puissance est l'un des outils indispensables nécessaires. Bien que ceux-ci soient conçus pour une efficacité plus élevée, le besoin est élevé pour plus d'efficacité avec un souci de l'environnement et une utilisation réduite de l'énergie. La réduction des pertes est la voie vers cet objectif.

Application du transformateur de puissance (transformateur de puissance dans une sous-station)

Les transformateurs sont l'une des innovations essentielles et les plus incroyables dans le domaine du génie électrique. Les transformateurs de puissance sont les plus utilisés dans le système de distribution d'énergie. Certaines des applications sont -

• Les transformateurs de puissance sont utilisés dans les systèmes de production et de distribution d'électricité.
• Les transformateurs de puissance sont utilisés dans les sous-stations. Une sous-station transforme des tensions électriques plus élevées en tensions plus basses, et un transformateur de puissance fait ce travail. ce sont les appareils les plus critiques d'une sous-station électrique.
• Pour réduire les pertes de puissance lors de la transmission de puissance. Les transformateurs aident à minimiser la puissance, et donc l'électricité peut être fournie dans toutes les zones.
• Pour augmenter et réduire les tensions selon les besoins.
• Les transformateurs de puissance fonctionnent en continu, assurant une alimentation de 24 * 7. Ainsi, lorsque nous devons toujours le faire, un transformateur peut être utilisé.
• Ceux-ci trouvent également une application dans les transformateurs de mise à la terre, les transformateurs d'isolement.

Maintenance du transformateur de puissance

Les transformateurs de puissance sont chers, encombrants et constituent un élément essentiel d'un système de distribution d'énergie. Ainsi, un transformateur nécessite une maintenance de haute qualité. La maintenance peut être de deux types - une base quotidienne et au moment de l'urgence. Un entretien régulier est fortement recommandé pour ce type de transformateur, qui est placé dans une sous-station. Certains types de maintenance sont donnés ci-dessous -

Maintenance régulière:

1. Contrôle du niveau d'huile
2. Pour maintenir le niveau d'huile au niveau souhaité.
3. Pour sceller les fuites, le cas échéant.
4. Pour remplacer le gel de silice si la couleur vire au rose.

Entretien mensuel:

1. Niveau d'huile pour éviter les dommages.
2. Pour vérifier les traversées.
3. Nettoyage du squelette.

Maintenance semestrielle:

1. Pour vérifier l'IFT, le DDA, les points d'éclair.
2. Pour vérifier l'acidité, la teneur en eau et la rigidité diélectrique.

Maintenance annuelle:

1. Vérifiez l'état de l'huile - la situation en termes d'humidité et de rigidité diélectrique.
2. Pour vérifier tous les interrupteurs d'alarme et de contrôle.
3. Mesure et contrôle de la connexion de mise à la terre.
4. Contrôle et nettoyage des traversées.
5. Pour vérifier un appareil de communiqué de presse.

Panne du transformateur de puissance

Un transformateur électrique typique est assez complexe dans ses circuits. Un transformateur de puissance est plus compliqué car il comporte des éléments supplémentaires. Un transformateur tombe en panne en brûlant ou en arrêtant un transformateur. Une panne de transformateur peut survenir pour plusieurs raisons. Les pannes mécaniques, l'entretien périodique, les calamités naturelles comme la foudre peuvent conduire un transformateur à la destruction.

• Les transformateurs génèrent de la chaleur pendant le fonctionnement. S'il y a des matériaux de mauvaise qualité pour l'isolation, la chaleur générée conduirait à la combustion.
• Une condition de surcharge est une autre cause des transformateurs.
• Les anciens transformateurs peuvent provoquer des pannes. Les défauts mécaniques sont importants pour les anciens transformateurs.
• Si la teneur en humidité de l'huile fluctue par rapport aux valeurs nominales, cela peut également entraîner une défaillance.

La panne de courant peut être évitée en effectuant un entretien régulier. Les informations basées sur les pannes précédentes aident également à détecter les signes d'une panne de courant avant que l'incident ne se produise.

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