Fonctionnement par transformateur de puissance pour charges actives, inductives et capacitives
Un transformateur est une machine électrique qui convertit le courant alternatif d'une tension en courant alternatif d'une autre tension. Le principe de fonctionnement du transformateur est basé sur le phénomène d'induction électromagnétique.
Les premiers réseaux de transport d'énergie électrique utilisaient le courant continu. La tension dans les réseaux dépend de la capacité d'isolation des matériaux utilisés et est généralement de 110 V.
Avec l'augmentation de la puissance d'émission des réseaux, il est devenu nécessaire d'augmenter la section des fils pour que les pertes de tension restent dans les limites admissibles.
Et seule l'invention du transformateur a permis de générer économiquement de l'énergie électrique dans les grandes centrales électriques, de la transmettre à haute tension sur de longues distances, puis de réduire la tension à une valeur sûre avant de fournir de l'électricité aux consommateurs.
Sans transformateurs, les structures de réseau électrique d'aujourd'hui avec leurs niveaux de haute et ultra-haute, moyenne et basse tension ne seraient tout simplement pas possibles. Les transformateurs sont utilisés dans les réseaux électriques monophasés et triphasés.
Le fonctionnement d'un transformateur de puissance triphasé varie considérablement selon la charge qu'il utilise - active, inductive ou capacitive. Dans des conditions réelles, la charge du transformateur est une charge active-inductive.
Figure 1 — Transformateur de puissance triphasé
1. Mode de chargement actif
Dans ce mode, la tension de l'enroulement primaire est proche de la valeur nominale U1 = U1nom, le courant de l'enroulement primaire I1 est déterminé par la charge du transformateur et le courant secondaire est déterminé par le courant nominal I2nom = P2 / U2nom.
Selon les données de mesure, l'efficacité du transformateur est déterminée analytiquement :
Efficacité = P2 / P1,
où P1 est la puissance active de l'enroulement primaire du transformateur, P2 est la puissance fournie au circuit d'alimentation par l'enroulement secondaire du transformateur.
La dépendance du rendement du transformateur en fonction du courant relatif de l'enroulement primaire est illustrée à la figure 2.
Figure 2 — Dépendance du rendement du transformateur sur le courant relatif de l'enroulement primaire
En mode charge active, le vecteur courant de l'enroulement secondaire est coextensif avec le vecteur tension de l'enroulement secondaire, donc une augmentation du courant de charge provoque une diminution de la tension aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur.
Un diagramme vectoriel simplifié des courants et des tensions pour ce type de charge de transformateur est illustré à la figure 3.
Figure 3 — Diagramme vectoriel simplifié des courants et tensions de charge actifs du transformateur
2. Mode de fonctionnement pour charge inductive
En mode de charge inductive, le vecteur de courant de l'enroulement secondaire est en retard de 90 degrés sur le vecteur de tension de l'enroulement secondaire. Une diminution de la valeur de l'inductance connectée à l'enroulement secondaire du transformateur entraîne une augmentation du courant de charge, entraînant une diminution de la tension secondaire.
Un diagramme vectoriel simplifié des courants et des tensions pour ce type de charge de transformateur est illustré à la figure 4.
Figure 4 — Diagramme vectoriel simplifié des courants et tensions du transformateur en mode charge inductive
3. Mode de fonctionnement avec charge capacitive
En mode de charge capacitive, le vecteur courant de l'enroulement secondaire est en avance sur le vecteur tension de l'enroulement secondaire de 90 degrés. Une augmentation de la capacité connectée à l'enroulement secondaire du transformateur entraîne une augmentation du courant de charge, entraînant une augmentation de la tension secondaire.
Un diagramme vectoriel simplifié des courants et des tensions pour ce type de charge de transformateur est illustré à la figure 5.
Figure 5 — Diagramme vectoriel simplifié des courants et tensions en mode de charge capacitive du transformateur