Types de transformateurs
Un transformateur est un dispositif électromagnétique statique contenant deux à plusieurs bobines situées sur un circuit magnétique commun et donc connectées par induction les unes aux autres. Il sert de transformateur pour convertir l'énergie électrique du courant alternatif au moyen de l'induction électromagnétique sans changer la fréquence du courant. Les transformateurs sont utilisés à la fois pour la conversion de tension AC et Isolation galvanique dans divers domaines de l'ingénierie électrique et électronique.
En toute honnêteté, notons que dans certains cas, le transformateur peut ne contenir qu'un seul enroulement (autotransformateur) et que le noyau peut être complètement absent (HF - transformateur), mais la plupart des transformateurs ont un noyau (circuit magnétique) en matériau ferromagnétique magnétique doux, et deux ou plusieurs bobines de ruban ou de fil isolées couvertes par un flux magnétique commun, mais d'abord en premier lieu. Regardons de quels types de transformateurs il s'agit, comment ils sont agencés et à quoi ils servent.
Transformateur de puissance
Ce type de transformateurs basse fréquence (50-60 Hz) est utilisé dans les réseaux électriques, ainsi que dans les installations de réception et de conversion d'énergie électrique. Pourquoi s'appelle-t-il pouvoir ? Car c'est ce type de transformateur qui est utilisé pour fournir et recevoir de l'électricité depuis et vers les lignes électriques, où la tension peut atteindre 1150 kV.
Dans les réseaux électriques urbains, la tension atteint 10 kV. À travers exactement puissants transformateurs basse fréquence la tension chute également aux 0,4 kV, 380/220 volts requis par les consommateurs.
Structurellement, un transformateur de puissance typique peut contenir deux, trois enroulements ou plus disposés sur un noyau électrique en acier blindé, certains des enroulements basse tension étant alimentés en parallèle (transformateur à enroulements divisés).
Ceci est utile pour augmenter la tension reçue de plusieurs générateurs simultanément. En règle générale, le transformateur de puissance est placé dans un réservoir contenant de l'huile de transformateur et, dans le cas d'échantillons particulièrement puissants, un système de refroidissement actif est ajouté.
Des transformateurs de puissance triphasés d'une capacité allant jusqu'à 4000 kVA sont installés dans les sous-stations et les centrales électriques. Les triphasés sont plus courants, car les pertes sont obtenues jusqu'à 15% de moins qu'avec les trois monophasés.
Transformateur secteur
Dans les années 1980 et 1990, les transformateurs de ligne se trouvaient dans presque tous les appareils électriques. A l'aide d'un transformateur secteur (généralement monophasé), la tension d'un réseau domestique 220 volts avec une fréquence de 50 Hz est ramenée au niveau requis par un appareil électrique, par exemple 5, 12, 24 ou 48 volts.
Les transformateurs de ligne sont souvent fabriqués avec plusieurs enroulements secondaires afin que plusieurs sources de tension puissent être utilisées pour alimenter différentes parties du circuit. En particulier, les transformateurs TN (transformateur à incandescence) pourraient toujours (et peuvent toujours) être trouvés dans des circuits où des tubes radio sont présents.
Les transformateurs de ligne modernes sont construits sur des noyaux en forme de W, en forme de tige ou toroïdaux d'un ensemble de plaques d'acier électriques sur lesquelles les bobines sont enroulées. La forme toroïdale du circuit magnétique permet d'obtenir un transformateur plus compact.
Si l'on compare des transformateurs avec la même puissance totale de noyaux toroïdaux et en forme de W, le toroïdal prendra moins de place, de plus, la surface du circuit magnétique toroïdal est complètement recouverte par les enroulements, il n'y a pas de culasse vide, comme c'est le cas le boîtier avec des noyaux blindés en forme de W ou en forme de tige. Le réseau électrique comprend notamment des transformateurs de soudage d'une puissance allant jusqu'à 6 kW. Les transformateurs de réseau sont, bien sûr, classés comme transformateurs basse fréquence.
Autotransformateur
Un type de transformateur basse fréquence est un autotransformateur dans lequel l'enroulement secondaire fait partie du primaire ou le primaire fait partie du secondaire. C'est-à-dire que dans l'autotransformateur, les enroulements sont connectés non seulement magnétiquement, mais également électriquement. Plusieurs câbles sont fabriqués à partir d'une bobine et vous permettent d'obtenir différentes tensions à partir d'une seule bobine.
Le principal avantage de l'autotransformateur est son moindre coût, car moins de fil est utilisé pour les enroulements, moins d'acier pour le noyau, et par conséquent le poids est inférieur à celui d'un transformateur conventionnel.L'inconvénient est le manque d'isolation galvanique des bobines.
Les autotransformateurs sont utilisés dans les dispositifs de contrôle automatique et sont également largement utilisés dans les réseaux électriques à haute tension. Les autotransformateurs triphasés avec connexion en triangle ou en étoile dans les réseaux électriques sont aujourd'hui très demandés.
Les autotransformateurs de puissance sont disponibles dans des capacités allant jusqu'à des centaines de mégawatts. Les autotransformateurs sont également utilisés pour démarrer de puissants moteurs à courant alternatif. Les autotransformateurs sont particulièrement utiles pour les faibles rapports de transformation.
Autotransformateur de laboratoire
Un cas particulier d'autotransformateur est un autotransformateur de laboratoire (LATR). Il vous permet d'ajuster en douceur la tension fournie à l'utilisateur. La conception LATR est transformateur toroïdal avec un seul enroulement qui a une "piste" non isolée d'une spire à l'autre, c'est-à-dire qu'il est possible de se connecter à chacune des spires de l'enroulement. Le contact de piste est assuré par un balai de charbon coulissant contrôlé par un bouton rotatif.
Ainsi, vous pouvez obtenir la tension efficace avec différentes amplitudes sur la charge. Les variateurs monophasés typiques vous permettent d'accepter des tensions de 0 à 250 volts et triphasées - de 0 à 450 volts. Les LATR d'une puissance de 0,5 à 10 kW sont très populaires dans les laboratoires pour le réglage des équipements électriques.
Transformateur de courant
Transformateur de courant est appelé un transformateur dont l'enroulement primaire est relié à une source de courant et l'enroulement secondaire à des dispositifs de protection ou de mesure à faible résistance interne. Le type de transformateur de courant le plus courant est un transformateur de courant d'instrument.
L'enroulement primaire du transformateur de courant (généralement un seul tour, un fil) est connecté en série dans le circuit dans lequel vous souhaitez mesurer le courant alternatif. Il s'avère que le courant de l'enroulement secondaire est proportionnel au courant du primaire, alors que l'enroulement secondaire doit nécessairement être chargé, car sinon la tension de l'enroulement secondaire peut être suffisamment élevée pour rompre l'isolation. De plus, si l'enroulement secondaire du TC s'ouvre, le circuit magnétique grillera simplement à cause des courants induits non compensés.
La construction du transformateur de courant est un noyau en acier électrique laminé à froid au silicium laminé sur lequel un ou plusieurs enroulements secondaires isolés sont enroulés. L'enroulement primaire est souvent simplement un jeu de barres ou un fil avec un courant mesuré traversant la fenêtre du circuit magnétique (d'ailleurs, ce principe est utilisé par pince ampèremétrique).La principale caractéristique d'un transformateur de courant est le rapport de transformation, par exemple 100/5 A.
Les transformateurs de courant sont largement utilisés pour la mesure du courant et dans les circuits de protection de relais. Ils sont sûrs car les circuits mesurés et secondaires sont galvaniquement isolés les uns des autres. En règle générale, les transformateurs de courant industriels sont fabriqués avec deux ou plusieurs groupes d'enroulements secondaires, dont l'un est connecté à des dispositifs de protection, l'autre à un appareil de mesure, tel que des compteurs.
Transformateur d'impulsions
Dans presque toutes les alimentations secteur modernes, dans divers onduleurs, dans les machines à souder et dans d'autres convertisseurs électriques de puissance et de faible puissance, des transformateurs d'impulsions sont utilisés.Aujourd'hui, les circuits d'impulsions ont presque complètement remplacé les lourds transformateurs basse fréquence par des noyaux en acier laminé.
Un transformateur d'impulsions typique est un transformateur à noyau de ferrite. La forme du noyau (circuit magnétique) peut être complètement différente : anneau, tige, coupelle, en forme de W, en forme de U. L'avantage des ferrites par rapport à l'acier du transformateur est évident - les transformateurs à base de ferrite peuvent fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 500 kHz ou plus.
Le transformateur d'impulsions étant un transformateur haute fréquence, ses dimensions diminuent considérablement à mesure que la fréquence augmente. moins de fil est nécessaire pour les enroulements et le courant de champ est suffisant pour obtenir un courant haute fréquence dans la boucle primaire, IGBT ou un transistor bipolaire, parfois plusieurs, selon la topologie du circuit d'alimentation pulsé (direct - 1, push-pull - 2, demi-pont - 2, pont - 4).
Pour être juste, notons que si un circuit d'alimentation inversé est utilisé, le transformateur est essentiellement un double starter, car les processus d'accumulation et de libération d'électricité dans le circuit secondaire sont séparés dans le temps, c'est-à-dire qu'ils ne se déroulent pas simultanément, donc, avec le circuit de commande flyback, c'est toujours une self mais pas un transformateur.
Les circuits d'impulsions avec transformateurs et bobines d'arrêt en ferrite se retrouvent partout aujourd'hui, des ballasts de lampes à économie d'énergie et des chargeurs de divers gadgets, aux machines à souder et aux puissants onduleurs.
Transformateur de courant d'impulsion
Pour mesurer l'amplitude et (ou) la direction du courant dans les circuits à impulsions, on utilise souvent des transformateurs de courant à impulsions, qui sont un noyau de ferrite, souvent en forme d'anneau (toroïdal), avec un enroulement.Un fil est passé à travers l'anneau du noyau, dans lequel le courant doit être examiné, et la bobine elle-même est chargée sur une résistance.
Par exemple, l'anneau contient 1000 tours de fil, alors le rapport des courants du primaire (fil fileté) et de l'enroulement secondaire sera de 1000 à 1. Si l'enroulement de l'anneau est chargé sur une résistance de valeur connue, alors la tension mesurée à ses bornes sera proportionnelle au courant de la bobine, ce qui signifie que le courant mesuré est 1000 fois le courant à travers cette résistance.
L'industrie produit des transformateurs de courant d'impulsion avec différents rapports de transformation. Le concepteur n'a qu'à connecter une résistance et un circuit de mesure à un tel transformateur. Si vous voulez connaître la direction du courant, et non son amplitude, l'enroulement du transformateur de courant est simplement chargé par deux diodes Zener opposées.
Communication entre machines électriques et transformateurs
Les transformateurs électriques sont toujours inclus dans les cours de machines électriques étudiés dans toutes les spécialités de génie électrique des établissements d'enseignement. Essentiellement, un transformateur électrique n'est pas une machine électrique, mais un appareil électrique, car il n'y a pas de pièces mobiles, dont la présence est une caractéristique de toute machine en tant que type de mécanisme. afin d'éviter les malentendus, devrait s'intituler "cours machines électriques et transformateurs électriques".
L'inclusion des transformateurs dans tous les cours de machines électriques est pour deux raisons.L'une est d'origine historique : les mêmes usines qui ont construit des machines électriques à courant alternatif ont également construit des transformateurs, car la simple présence de transformateurs a donné aux machines à courant alternatif un avantage sur les machines à courant continu, ce qui a finalement conduit à leur prédominance dans l'industrie. Et maintenant, il est impossible d'imaginer une grande installation AC sans transformateurs.
Cependant, avec le développement de la production de machines à courant alternatif et de transformateurs, il est devenu nécessaire de concentrer la production de transformateurs dans des usines de transformateurs spéciales. Le fait est qu'en raison de la possibilité de transmettre du courant alternatif à l'aide de transformateurs sur de longues distances, l'augmentation de la tension plus élevée des transformateurs était beaucoup plus rapide que l'augmentation de la tension des machines électriques à courant alternatif.
Au stade actuel de développement des machines électriques à courant alternatif, la tension rationnelle la plus élevée pour celles-ci est de 36 kV. Dans le même temps, la tension la plus élevée dans les transformateurs électriques réellement mis en œuvre atteignait 1150 kV. Des tensions de transformateur aussi élevées et leur fonctionnement sur des lignes électriques aériennes exposées à la foudre ont conduit à des problèmes de transformateur très spécifiques qui sont étrangers aux machines électriques.
Cela a conduit à la production de problèmes technologiques si différents des problèmes technologiques de l'électrotechnique que la séparation des transformateurs en production indépendante est devenue inévitable. Ainsi, la première raison, le lien industriel qui rapprochait les transformateurs des machines électriques, a disparu.
La deuxième raison est de nature fondamentale et consiste dans le fait que les transformateurs électriques utilisés en pratique, ainsi que les machines électriques, sont basés sur le principe de l'induction électromagnétique (loi de Faraday), — reste un lien inébranlable entre eux. En même temps, pour comprendre de nombreux phénomènes dans les machines à courant alternatif, une connaissance des processus physiques se produisant dans les transformateurs est absolument nécessaire et, de plus, la théorie d'une grande classe de machines à courant alternatif peut être réduite à la théorie de transformateurs, facilitant ainsi leur prise en compte théorique.
Par conséquent, dans la théorie des machines à courant alternatif, la théorie des transformateurs occupe une place importante, d'où il ne s'ensuit cependant pas que les transformateurs puissent être appelés machines électriques. De plus, il convient de garder à l'esprit que les transformateurs ont un processus d'établissement d'objectifs et de conversion d'énergie différent de celui des machines électriques.
Le but d'une machine électrique est de convertir de l'énergie mécanique en énergie électrique (générateur) ou, à l'inverse, de l'énergie électrique en énergie mécanique (moteur), tandis que dans un transformateur on a affaire à la conversion d'un type d'énergie électrique à courant alternatif en courant alternatif l'énergie électrique actuelle. courant d'une nature différente.