Qu'est-ce qu'un transformateur de puissance et comment fonctionne-t-il?

Dans certains de nos articles précédents, nous avons discuté des bases du transformateur et de ses différents types. L'un des transformateurs importants et couramment utilisés est le transformateur de puissance. Il est très largement utilisé pour augmenter et réduire la tension respectivement à la centrale électrique et à la station de distribution (ou sous-station).

Par exemple, considérez le diagramme ci-dessus. Ici, le transformateur de puissance est utilisé deux fois tout en fournissant de l'énergie électrique à un consommateur éloigné de la centrale.

La première fois est à la centrale électrique pour augmenter la tension générée par l'éolienne.
La deuxième est à la station de distribution (ou sous-station) pour abaisser la tension reçue à l'extrémité de la ligne de transmission.

Perte de puissance dans les lignes de transport

Il existe de nombreuses raisons d'utiliser un transformateur de puissance dans les systèmes d'alimentation électrique. Mais l'une des raisons les plus importantes et les plus simples d'utiliser le transformateur de puissance est de réduire les pertes de puissance lors de la transmission d'énergie électrique.

Voyons maintenant comment les pertes de puissance sont considérablement réduites en utilisant un transformateur de puissance:

Tout d'abord, l'équation de la perte de puissance P = I * I * R.

Ici I = courant traversant le conducteur et R = résistance du conducteur.

Ainsi, la perte de puissance est directement proportionnelle au carré du courant traversant le conducteur ou la ligne de transmission. Baissez donc la magnitude du courant traversant le conducteur, moins les pertes de puissance.

Comment nous allons tirer parti de cette théorie est expliqué ci-dessous:

Dites la tension initiale = 100 V et la charge tire = 5 A et la puissance fournie = 500 watts. Ensuite, les lignes de transmission doivent ici transporter un courant de magnitude 5A de la source à la charge. Mais si nous augmentons la tension au stade initial à 1000 V, les lignes de transmission n'ont qu'à transporter 0,5 A pour fournir la même puissance de 500 watts.
Ainsi, nous augmenterons la tension au début de la ligne de transmission à l'aide d'un transformateur de puissance et utiliserons un autre transformateur de puissance pour abaisser la tension à la fin de la ligne de transmission.
Avec cette configuration, l'amplitude du flux de courant à travers la ligne de transmission de 100 + kilomètres est considérablement réduite, réduisant ainsi la perte de puissance pendant la transmission.

Différence entre le transformateur de puissance et le transformateur de distribution

Le transformateur de puissance fonctionne généralement à pleine charge car il est conçu pour avoir un rendement élevé à 100% de charge. D'autre part, le transformateur de distribution a un rendement élevé lorsque la charge reste entre 50% et 70%. Ainsi, les transformateurs de distribution ne sont pas adaptés pour fonctionner à 100% de charge en continu.
Étant donné que le transformateur de puissance conduit à des tensions élevées pendant l'augmentation et la réduction, les enroulements ont une isolation élevée par rapport aux transformateurs de distribution et aux transformateurs d'instruments.
Parce qu'ils utilisent une isolation de haut niveau, ils sont de taille très volumineuse et sont également très lourds.
Étant donné que les transformateurs de puissance ne sont généralement pas connectés directement aux maisons, ils subissent moins de fluctuations de charge, tandis que les transformateurs de distribution subissent de fortes fluctuations de charge.
Ceux-ci sont entièrement chargés pendant 24 heures par jour, de sorte que les pertes de cuivre et de fer ont lieu tout au long de la journée et restent à peu près les mêmes tout le temps.
La densité de flux dans le transformateur de puissance est supérieure à celle du transformateur de distribution.

Principe de fonctionnement du transformateur de puissance

Le transformateur de puissance fonctionne sur le principe de la «loi de Faraday sur l'induction électromagnétique». C'est la loi fondamentale de l'électromagnétisme qui explique le principe de fonctionnement des inducteurs, des moteurs, des générateurs et des transformateurs électriques.

La loi stipule que « lorsqu'un conducteur en boucle fermée ou en court-circuit est amené à proximité d'un champ magnétique variable, le flux de courant est généré dans cette boucle fermée» .

Afin de mieux comprendre la loi, discutons-en plus en détail. Tout d'abord, considérons un scénario ci-dessous.

Considérons un aimant permanent et un conducteur est d'abord rapproché l'un de l'autre.

Ensuite, le conducteur est court-circuité aux deux extrémités à l'aide d'un fil comme indiqué sur la figure.
Dans ce cas, il n'y aura pas de circulation de courant dans le conducteur ou la boucle car le champ magnétique coupant la boucle est stationnaire et comme mentionné dans la loi, seul un champ magnétique variant ou changeant peut forcer le courant dans la boucle.
Ainsi, dans le premier cas du champ magnétique stationnaire, il y aura un débit nul dans la boucle conductrice.

puis le champ magnétique coupant la boucle ne cesse de changer. Puisqu'il y a un champ magnétique variable présent dans ce cas, les lois de Faraday viendront jouer et ainsi nous pouvons voir un flux de courant dans la boucle du conducteur.

Comme vous pouvez le voir sur la figure, après que l'aimant se déplace d'avant en arrière, nous voyons un courant «I» circuler dans le conducteur et la boucle fermée.

pour le remplacer par d'autres sources de champ magnétique variables comme ci-dessous.

Maintenant, une source de tension alternative et un conducteur sont utilisés pour générer un champ magnétique variable.
Une fois la boucle de conducteur rapprochée de la plage de champ magnétique, nous pouvons voir un EMF généré à travers le conducteur. En raison de cet EMF induit, nous aurons un flux de courant «I».
L'amplitude de la tension induite est proportionnelle à l'intensité du champ subie par la deuxième boucle, de sorte que plus l'intensité du champ magnétique est élevée, plus le flux de courant dans la boucle fermée est élevé.

Bien qu'il soit possible d'utiliser un seul conducteur configuré pour comprendre la loi de Faraday. Mais pour de meilleures performances pratiques, il est préférable d'utiliser une bobine des deux côtés.

Ici, un courant alternatif circule à travers la bobine primaire 1 qui génère le champ magnétique variable autour des bobines conductrices. Et lorsque la bobine2 entre dans la plage du champ magnétique généré par la bobine1, alors une tension EMF est générée à travers la bobine2 en raison de la loi de Faraday de l'induction électromagnétique. Et à cause de cette tension dans la bobine2, un courant «I» circule à travers le circuit fermé secondaire.

Vous devez maintenant vous rappeler que les deux bobines sont suspendues dans l'air de sorte que le moyen de conduction utilisé par le champ magnétique est l'air. Et l'air a une résistance plus élevée que les métaux dans le cas de la conduction de champ magnétique, donc si nous utilisons un noyau de métal ou de ferrite pour agir en tant que milieu pour le champ électromagnétique, nous pouvons expérimenter l'induction électromagnétique de manière plus approfondie.

Alors maintenant, remplaçons le milieu de l'air par le milieu de fer pour une meilleure compréhension.

Comme le montre la figure, nous pouvons utiliser un noyau de fer ou de ferrite pour réduire la perte de flux magnétique lors de la transmission de puissance d'une bobine à une autre bobine. Pendant ce temps, le flux magnétique fui dans l'atmosphère sera considérablement moindre que le temps que nous avons utilisé le milieu de l'air comme un noyau est un très bon conducteur du champ magnétique.

Une fois que le champ est généré par la bobine1, il circulera à travers le noyau de fer atteignant la bobine2 et, en raison de la loi de loin, la bobine2 génère un EMF qui sera lu par le galvanomètre connecté à travers la bobine2.

Maintenant, si vous observez attentivement, vous trouverez cette configuration similaire à un transformateur monophasé. Et oui, chaque transformateur présent aujourd'hui fonctionne sur le même principe.

Examinons maintenant la construction simplifiée du transformateur triphasé.

Transformateur triphasé

Le squelette du transformateur est conçu en jalonnant des feuilles de métal stratifiées qui sont utilisées pour transporter le flux magnétique. Dans le diagramme, vous pouvez voir que le squelette est peint en gris. Le squelette comporte trois colonnes sur lesquelles sont enroulés des enroulements de trois phases.
L'enroulement de tension inférieure est enroulé en premier et est enroulé plus près du noyau tandis que l'enroulement de tension plus élevée est enroulé au-dessus de l'enroulement de tension inférieure. N'oubliez pas que les deux enroulements sont séparés par une couche isolante.
Ici, chaque colonne représente une phase, donc pour trois colonnes, nous avons un enroulement triphasé.
L'ensemble de cette configuration de squelette et d'enroulement est immergé dans un réservoir scellé rempli d'huile industrielle pour une meilleure conductivité thermique et une meilleure isolation.
Après l'enroulement, les bornes d'extrémité des six bobines ont été sorties du réservoir scellé à travers un isolant HT.
Les bornes sont fixées à une bonne distance les unes des autres pour éviter les sauts d'étincelles.

Caractéristiques du transformateur de puissance

Puissance nominale	3 MVA jusqu'à 200 MVA
Tensions primaires généralement	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 kV
Tensions secondaires généralement	3.3, 6.6, 11, 33, 66, 132 kV ou spécification personnalisée
Les phases	Transformateurs monophasés ou triphasés
Fréquence nominale	50 ou 60 Hz
Tapotement	Changeurs de prises en charge ou à vide
Hausse de température	60 / 65C ou spécification personnalisée
Type de refroidissement	ONAN (huile air naturel naturel) ou autres types de refroidissement tels que KNAN (max 33kV) sur demande
Radiateurs	Panneaux de radiateur de refroidissement montés sur réservoir
Groupes de vecteurs	Dyn11 ou tout autre groupe vectoriel selon CEI 60076
Régulation de tension	Par changeur de prises en charge (avec relais AVR en standard)
Terminaux HT et BT	Type de boîte de câble pneumatique (33 kV max) ou traversées ouvertes
Installations	Intérieur ou extérieur
Niveau sonore	Selon ENATS 35 ou NEMA TR1

Applications du transfert de puissance

Le transformateur de puissance est principalement utilisé dans la production d'électricité et dans les stations de distribution.
Il est également utilisé dans les transformateurs d'isolement, les transformateurs de mise à la terre, les transformateurs redresseurs à six impulsions et douze impulsions, les transformateurs de parcs solaires photovoltaïques, les transformateurs de parcs éoliens et le démarreur d'autotransformateurs Korndörfer.
Il est utilisé pour réduire les pertes de puissance lors de la transmission d'énergie électrique.
Il est utilisé pour l'élévation de la haute tension et la réduction de la haute tension.
Il est préférable dans les cas de consommation longue distance.
Et préféré dans les cas où la charge fonctionne à pleine capacité 24x7.