Lire et choisir un transformateur

Lire la plaque d'un transformateur

Voici la plaque d'un transformateur de distribution courant :

Sur la plaque	Ce que cela veut dire
400 kVA	puissance apparente : en VA, car le transformateur ignore le cos φ de ce qu'il alimente (chapitre 4)
20 kV / 410 V	tension primaire, et tension secondaire à vide : un peu plus de 400 V pour compenser la chute de tension en charge
prises ±2,5 % ; ±5 %	réglage du rapport côté primaire, hors tension, pour ajuster la tension secondaire
Dyn11	primaire en triangle (D), secondaire en étoile (y), neutre sorti (n), indice horaire 11, soit 330° (chapitre 5)
ucc 4 %	tension de court-circuit : l'écran suivant lui est consacré
P0 0,6 kW ; Pcc 4,6 kW	pertes à vide (fer) et pertes en charge (Joule) à la puissance nominale
ONAN	huile minérale, refroidissement naturel par l'huile puis par l'air. Un transformateur sec est noté AN.

Les valeurs de pertes sont des ordres de grandeur pour cette puissance : chaque fabricant donne les siennes.

L'ucc : chute de tension et court-circuit

L'ucc est la tension qu'il faut appliquer au primaire, secondaire en court-circuit, pour y faire circuler le courant nominal (essai du chapitre 4). Exprimée en % de la tension nominale, elle résume à elle seule l'impédance du transformateur.

• Courant nominal : In = S / (√3 × U) = 400 000 / (1,732 × 400) ≈ 577 A ;
• courant de court-circuit aux bornes du secondaire : si 4 % de la tension suffisent à faire passer In, la tension entière en fait passer 25 fois plus.

C'est un maximum : le réseau amont et les câbles l'abaissent un peu. Les disjoncteurs du tableau général doivent donc couper au moins cette valeur (pouvoir de coupure, cours sur le court-circuit en bas de page).

La puissance de court-circuit se déduit de la même façon : Scc ≈ S / ucc = 400 / 0,04 = 10 000 kVA, la valeur utilisée pour la résonance des batteries de condensateurs (cours sur la puissance en monophasé).

Le revers : la chute de tension

Cette impédance fait chuter la tension quand le transformateur débite : ici environ 3 % à pleine charge, avec un cos φ de 0,8. Les 410 V à vide deviennent environ 397 V. D'où le compromis :

• une ucc faible : peu de chute de tension, mais un courant de court-circuit élevé ;
• une ucc forte : un court-circuit mieux limité, mais davantage de chute de tension.

Les petits transformateurs ont une ucc plus forte ; certains transformateurs de sécurité sont même conçus pour résister à un court-circuit permanent.

Pertes et rendement

• Les pertes fer, P0 : elles dépendent de la tension et de la fréquence, pas de la charge. Elles courent 24 heures sur 24, même quand rien n'est branché.
• Les pertes Joule, Pcc : elles varient comme le carré de la charge. À mi-charge, elles sont divisées par quatre.

Exemple avec le transformateur de 400 kVA, cos φ = 0,9 :

Charge	Puissance fournie	Pertes fer	Pertes Joule	Rendement
100 %	360 kW	0,6 kW	4,6 kW	98,6 %
50 %	180 kW	0,6 kW	1,15 kW	99,0 %
0 %	0	0,6 kW	0	0

Le rendement est maximal quand les pertes Joule égalent les pertes fer, c'est-à-dire pour une charge de √(P0 / Pcc) = √(0,6 / 4,6) ≈ 36 %. À petite échelle, c'est la même chose : un vieux chargeur à transformateur laissé sur la prise consomme ses pertes fer en permanence.

Choisir la puissance

• Additionner correctement : les puissances actives d'un côté, les réactives de l'autre, S à la fin (méthode de Boucherot, cours sur la puissance en monophasé).
• Tenir compte de la simultanéité : tous les récepteurs ne fonctionnent pas en même temps. Un atelier de 500 kVA installés, dont on estime que 60 % fonctionnent ensemble, appelle environ 300 kVA : on retient la taille normalisée au-dessus, par exemple 400 kVA, ce qui laisse une réserve pour l'avenir.
• Vérifier le démarrage des moteurs : 6 à 7 fois In au démarrage direct font chuter la tension. Le plus gros moteur doit rester petit devant le transformateur, sinon il faut un démarreur.
• Les harmoniques : un courant déformé chauffe davantage les enroulements et le noyau. Avec beaucoup d'électronique, on prend de la marge, ou un transformateur prévu pour ces courants.

Le transformateur de commande d'une machine

Une bobine de contacteur appelle, pendant sa fermeture, environ dix fois sa puissance de maintien.
Exemple : 6 contacteurs déjà maintenus à 10 VA chacun, et un 7e qui s'enclenche en appelant 100 VA : le transformateur doit fournir 160 VA pendant un instant, et non les 70 VA du régime établi.

• Choisi trop juste, sa tension s'effondre à chaque enclenchement : les contacteurs vibrent ou retombent.
• Les catalogues donnent une « puissance instantanée admissible » : c'est elle qu'il faut comparer à la pointe d'appel.

Méthode simplifiée : les catalogues des fabricants donnent la méthode complète.

La mise sous tension : le courant d'enclenchement

À la mise sous tension, un transformateur à vide peut appeler une pointe de courant bien plus forte que son courant nominal.

• Le noyau garde une aimantation rémanente de la dernière coupure ;
• selon l'instant de fermeture, le flux qui s'y ajoute le pousse jusqu'à la saturation ;
• saturé, le noyau ne limite presque plus le courant : pendant quelques alternances, la pointe peut atteindre 10 à 15 fois InOrdre de grandeur en crête pour un transformateur classique, davantage pour un torique ; la pointe s'amortit en quelques dizaines à quelques centaines de millisecondes. Voir la notice du fabricant., puis elle s'amortit.

Conséquences pratiques :

• Un disjoncteur courbe C, ou un fusible rapide, peut déclencher au hasard des mises sous tension, sans aucun défaut.
• Protéger le primaire par un disjoncteur courbe D ou par des fusibles adaptés (fusibles aM).
• Pour les gros toriques, un limiteur d'enclenchement : une résistance mise en série quelques instants, puis court-circuitée.

Ce courant n'a rien d'un défaut : il ne dure que le temps de remettre le noyau dans son cycle normal.

Deux transformateurs en parallèle

Pour augmenter la puissance ou assurer un secours, on peut coupler deux transformateurs en parallèle, à condition de respecter :

• le même rapport de transformation, prises de réglage comprises : sinon un courant circule en boucle entre les deux, même à vide ;
• le même indice horaire : un décalage de 30° entre les deux secondaires, c'est un court-circuit ;
• des ucc voisines, et des puissances qui ne soient pas trop différentes, au plus du simple au double.

Pourquoi l'ucc ? La charge se partage en proportion inverse des ucc.
Exemple : deux transformateurs de 400 kVA, l'un à 4 %, l'autre à 6 %. Le premier prend 60 % de la charge, le second 40 %. Le premier atteint ses 400 kVA quand l'ensemble ne fournit que 400 / 0,6 ≈ 667 kVA, et non 800.

• Avant le premier couplage, vérifier au voltmètre, entre phases de même nom des deux secondaires : 0 V attendu.
• En parallèle, les courants de court-circuit s'additionnent : revoir le pouvoir de coupure des disjoncteurs du tableau.