Dimensionnement des transformateurs triphasés

Élément fondamental du réseau électrique, le transformateur triphasé remplit diverses fonctions telles que la surtension, la sous-tension et l'isolation électrique. Son dimensionnement est crucial, tant pour l'investissement initial que pour les performances opérationnelles. Comment choisir le transformateur adapté à vos besoins en tension ? Cet article examine l'importance et les facteurs influençant le dimensionnement afin de vous aider à choisir la taille optimale, alliant sécurité, efficacité et coût.

Que sont les transformateurs triphasés ?

Le transformateur triphasé est un appareil électrostatique qui utilise le principe de l'induction électromagnétique pour transmettre et distribuer l'énergie du courant alternatif triphasé à la même fréquence, mais généralement à des niveaux de tension différents.

Le transformateur triphasé se compose principalement de plusieurs systèmes majeurs : le circuit magnétique, le circuit électrique, le système d’isolation et de refroidissement, le système de protection et de surveillance, ainsi que les éléments structurels et l’enveloppe. Ces systèmes permettent respectivement d’assurer des chemins magnétiques efficaces, la conversion de l’énergie électrique (entrée et sortie) et de la tension, l’isolation électrique et la dissipation thermique, et garantissent le fonctionnement sûr et le contrôle de l’état du transformateur. transformateurs, et assurer le support mécanique, la protection et la connexion électrique.

Grâce à une coordination précise entre les systèmes, les transformateurs triphasés assurent une conversion et un transport d'énergie efficaces, fiables et flexibles, constituant ainsi la pierre angulaire des réseaux électriques modernes. Ils permettent de transformer efficacement les trois tensions d'une alimentation triphasée vers un autre système triphasé via un circuit magnétique à noyau commun. Ils sont devenus un équipement indispensable des systèmes électriques modernes, de la production à la distribution, en passant par le transport.

Dimensionnement des transformateurs triphasés

En général, les transformateurs triphasés de petite taille sont classés selon leur puissance nominale (kVA). Toutefois, cette classification n'est pas absolue. Elle peut varier en fonction de l'utilisation et du système de refroidissement. Vous trouverez ci-dessous une explication des trois types de transformateurs triphasés, basée sur les connaissances générales et des scénarios d'application typiques.

Petits transformateurs triphasés

Note typiqueLa puissance nominale des transformateurs triphasés de petite taille se situe généralement entre 10 kVA et 500 kVA. Les puissances typiques des transformateurs sont 15 kVA, 30 kVA, 50 kVA, 100 kVA, 250 kVA et 500 kVA.

CaractéristiquesLa conception de ces petits transformateurs triphasés vise la miniaturisation et une structure compacte, les rendant adaptés à une installation sur plateforme ou en local de distribution intérieur. L'utilisation de dimensions standard permet également de maîtriser les coûts de fabrication. Le refroidissement est principalement assuré par des systèmes ONAN (à bain d'huile), AN ou AF (à sec).

Utilisations courantesLes transformateurs triphasés de ces dimensions sont généralement utilisés pour fournir une alimentation électrique indépendante et sûre aux petits équipements industriels, aux centres commerciaux et à certaines zones des bâtiments.

Transformateurs triphasés de moyenne puissance

Note typiqueLa puissance nominale des transformateurs triphasés de moyenne puissance se situe généralement entre 500 kVA et 10 MVA (10 000 kVA). Les puissances typiques des transformateurs sont de 750 kVA, 1 MVA, 2,5 MVA, 5 MVA, 7,5 MVA et 10 MVA.

CaractéristiquesLes transformateurs triphasés de taille moyenne offrent le meilleur compromis entre coût, efficacité et fiabilité, et constituent donc la catégorie la plus aboutie technologiquement et la plus répandue.

En fonction de la charge et des conditions environnementales, les transformateurs triphasés de moyenne puissance utilisent généralement un refroidissement par bain d'huile, comme le ONAN (Oil Natural Air Natural) ou le ONAF (Oil Natural Air Forced). Pour les transformateurs triphasés à sec, le refroidissement AF est souvent privilégié. Ce type de transformateur peut être dimensionné sur mesure pour répondre à des exigences élevées.

Utilisations courantes: Transformateurs de taille moyenne peuvent être utilisés dans les centres régionaux de distribution et de transport, ou installés dans les salles de distribution des grands établissements commerciaux ou dans les principaux postes de distribution des usines industrielles.

Transformateurs triphasés de grande taille

Note typiqueLes transformateurs triphasés de grande puissance dépassent généralement 10 MVA, et peuvent même atteindre plus de 1 000 MVA. Les puissances typiques des transformateurs sont de 20 MVA, 50 MVA, 100 MVA et 250 MVA.

CaractéristiquesLa technologie de production des grands transformateurs triphasés est plus complexe, et la quasi-totalité d'entre eux doivent être fabriqués sur mesure.

Parmi ces difficultés, la conception de l'isolation constitue un obstacle à la production, et le transformateur doit adopter une méthode de refroidissement forcé pour contrer la chaleur générée par la transmission de puissance élevée.

La transmission de puissance ultra-élevée et le refroidissement puissant impliquent inévitablement des dimensions et des poids physiques considérables, et nécessitent également une efficacité extrêmement élevée.

Utilisations courantesLe transformateur triphasé de grande capacité peut servir de transformateur principal dans les centrales thermiques, hydroélectriques et nucléaires. Il peut également être utilisé comme transformateur principal pour les postes de transformation à très haute tension ou à ultra-haute tension, ou encore comme poste de collecte et d'élévation de tension dans les grandes centrales d'énergies renouvelables.

Comment dimensionner un transformateur triphasé ?

Le dimensionnement d'un transformateur triphasé consiste à choisir une puissance apparente (kVA/MVA) et une tension nominale capables d'alimenter votre charge en toute sécurité.

Déterminer la puissance de charge

Déterminer la puissance de la charge est l'étape la plus fondamentale et cruciale. À cette étape, il faut calculer la puissance apparente totale (kVA) requise par tous les appareils de charge, et non la puissance active (kW).

Il faut d'abord lister toutes les charges que le transformateur alimentera. Les paramètres clés de ces charges sont la puissance nominale (kW) et le facteur de puissance (FP). Ensuite, il faut convertir la puissance de chaque charge en kVA. Pour les charges triphasées, on peut utiliser la formule : Puissance apparente (kVA) = Puissance active de la charge (kW) / Facteur de puissance (FP).

Il est important de noter que tous les appareils ne fonctionnent pas simultanément à pleine capacité. Par conséquent, vous devez sélectionner un facteur de demande inférieur à 1, en vous basant sur les normes du secteur ou sur votre expérience d'exploitation, et le multiplier par la charge totale connectée. Enfin, les valeurs de kVA de toutes les charges sont additionnées pour obtenir la puissance apparente minimale requise pour le fonctionnement en cours.

Ajouter la croissance et la marge futures

Les transformateurs, en tant qu'équipements à long terme, ne peuvent fonctionner à pleine charge (100%) pendant une période prolongée, ce qui réduirait leur durée de vie et augmenterait les pertes. Il est donc nécessaire de prévoir une marge de sécurité, généralement de 100% à 15%.

Il convient également de prendre en compte l'évolution à long terme des transformateurs triphasés. En fonction de la planification de votre entreprise ou de votre projet, estimez l'augmentation possible de la charge dans les années à venir. De manière générale, la marge d'augmentation future devrait passer d'environ 20% à 30%.

Vous pouvez donc calculer votre besoin total en capacité, kVA = demande de fonctionnement actuelle * (1 + croissance future % + marge de sécurité %)

Sélectionner les tensions primaire et secondaire

À ce stade, il est nécessaire de choisir la tension en fonction de l'alimentation et de la charge. La haute tension d'entrée côté primaire est généralement déterminée par le réseau électrique. En Amérique du Nord, les tensions courantes sont de 12,47 kV, 4,16 kV, etc., tandis qu'en Chine, elles sont de 10 kV, 35 kV, 110 kV, etc.

La tension secondaire, c'est-à-dire la tension de sortie basse, est généralement déterminée par l'équipement électrique de l'usine ou du bâtiment. Les normes courantes en Europe et en Chine sont de 400 V/230 V, tandis qu'en Amérique du Nord, elles sont de 480 V/277 V et 208 V/120 V. Par ailleurs, il convient de vérifier si le transformateur est équipé d'un changeur de prises, permettant une meilleure adaptation aux fluctuations de la tension du réseau.

Calculer le courant à pleine charge

Le calcul du courant à pleine charge permet de mieux protéger les commutateurs, les câbles et les équipements d'étalonnage. La formule généralement utilisée est la suivante : courant à pleine charge (ampères) = kVA * 1000 / (tensions (volts) * √3).

Il convient de noter que √3 prend généralement la valeur de 1,732. Vous devez calculer les courants du côté primaire et du côté secondaire respectivement, et utiliser les résultats calculés pour sélectionner les dispositifs correspondants du côté.

Choisissez le raccordement au transformateur

Il est essentiel de choisir la configuration d'enroulement appropriée, car elle influe sur la disponibilité de la tension et la réduction des harmoniques. Voici quelques configurations d'enroulement courantes.

 

Connexion	Côté primaire/haut	Côté secondaire/bas	Caractéristiques principales et application
Delta-Y (Δ-Y)	Delta	Wye	Le plus couramment utilisé. Le côté secondaire peut fournir un point neutre stable pour les charges monophasées et les moteurs triphasés. Ce raccordement contribue à supprimer le troisième harmonique et convient aux réseaux de distribution modernes.
Delta-Delta (Δ-Δ)	Delta	Delta	Il est utilisé pour les charges industrielles triphasées pures, telles que les gros moteurs et les redresseurs. Il ne présente aucun problème de courant de circulation harmonique de rang 3, mais pas de point neutre.
Wye-Wye (YY)	Wye	Wye	Fréquemment utilisé dans les anciens systèmes industriels, il est sensible aux déséquilibres de charge triphasés et aux variations du point neutre. Il convient aux applications où les charges triphasées sont prédominantes et les charges monophasées faibles et équilibrées.
Wye-Delta (Y-Δ)	Wye	Delta	Les transformateurs abaisseurs, couramment utilisés dans les sous-stations, réduisent la haute tension à la moyenne tension. Ils ne comportent pas de point neutre au secondaire.

 

Note: Pour la majorité des distributions électriques des bâtiments industriels et commerciaux, le groupe de connexion Delta-Y (Δ-Y) est la configuration préférée.

Sélectionner la puissance nominale standard du transformateur

Les transformateurs doivent être fabriqués selon les séries de capacités standard, et leur capacité ne peut être personnalisée arbitrairement. En règle générale, vous pouvez choisir le transformateur triphasé standard dont la taille correspond le mieux à vos besoins.

Selon la norme CEI (kVA) : 75 kVA, 100 kVA, 125 kVA, 160 kVA, 200 kVA, 250 kVA, 315 kVA, 400 kVA, 500 kVA, 630 kVA, 800 kVA, 1 000 kVA, etc. Par exemple, si votre besoin en puissance est de 145,6 kVA, vous devez choisir un transformateur de taille standard plus élevée et plus proche de cette valeur. Vous pouvez donc opter pour un transformateur de 160 kVA conforme à la norme CEI.

Enfin, il vous faut également recalculer le courant nominal à pleine charge du transformateur en fonction de sa capacité nominale finalement sélectionnée afin de protéger les appareils électriques.

Cette méthode permet de déterminer la taille optimale du transformateur triphasé, tant sur le plan technique qu'économique. Il est également impératif de respecter les normes de conception électrique nationales et locales. Il est recommandé de faire appel à un ingénieur électricien qualifié pour la vérification et la validation finales.

Quels sont les facteurs qui influencent la taille d'un transformateur triphasé ?

Charge totale

Il s'agit du facteur le plus direct déterminant la taille du transformateur. Les sections du noyau et des enroulements augmentent avec la charge. Pour presque chaque doublement de la capacité (kVA), la taille et le poids du transformateur doublent approximativement.

Facteur de puissance

Un faible facteur de puissance signifie que le système doit fournir un courant plus élevé (kVA) pour une même puissance active (kW). Un faible facteur de puissance requiert un transformateur de plus grande capacité et une section d'enroulement plus importante. Cela influe également sur les dimensions du transformateur.

Type de charge

La puissance nominale d'un transformateur peut être déterminée directement à partir de la demande en kVA d'une charge linéaire. Cependant, pour les courants harmoniques générés par des charges non linéaires, les transformateurs nécessitent généralement des conceptions spécifiques.

Par exemple, l'utilisation d'une capacité réduite augmenterait la taille, l'utilisation d'une structure d'enroulement à pertes réduites ou même de groupes de blindage harmonique dédiés augmenterait la taille physique et le coût de fabrication.

Niveau de tension et de courant

Plus la tension au primaire est élevée, plus la distance d'isolation requise est importante. Il en résulte des couches d'isolation plus épaisses, des enroulements de plus grandes dimensions et une distance de fuite accrue, etc. Plus le courant au secondaire est important, plus la section du conducteur requis est grande.

Expansion future

La marge d'expansion future augmentera la taille du noyau, des enroulements et du système de refroidissement. Ceci contraindra également le transformateur à fonctionner à faible charge, réduisant ainsi son rendement opérationnel et ses performances économiques.

Conception et matériaux

Le choix du matériau du noyau a une incidence importante sur sa section et son poids. À capacité égale, les tôles d'acier au silicium permettent de réduire la section et le poids du noyau.

Le choix des matériaux d'enroulement influe également sur la taille et le coût de fabrication de l'enroulement. En général, le cuivre possède une conductivité plus élevée et l'enroulement est plus petit.

Des niveaux de résistance à la chaleur plus élevés permettent aux transformateurs de supporter des courants de charge plus importants et d'avoir une conception compacte.

Comment choisir la taille appropriée d'un transformateur triphasé ?

Un transformateur triphasé adapté détermine la fiabilité, la rentabilité et l'efficacité opérationnelle à long terme du réseau électrique. Il s'agit d'un projet complet conçu pour vous.

Calcul précis de la capacité électrique

Il vous faut encore dresser la liste de tous les équipements de charge que le transformateur triphasé doit alimenter. Vous devez également consigner les paramètres clés tels que la puissance nominale et le facteur de puissance de chaque appareil.

Il convient de déterminer le coefficient requis en se référant aux normes nationales ou en consultant des ingénieurs ou des experts du secteur. Il faut ensuite calculer le rapport entre la charge totale maximale du système et la somme des demandes maximales de chaque sous-système à partir de ce coefficient.

Enfin, la puissance active est calculée selon la formule suivante : puissance active (kW) = Σ (puissance installée de l’équipement * coefficient requis) * coefficient simultané. Ensuite, on calcule la capacité requise, kVA = kW / facteur de puissance moyen.

Comme indiqué précédemment, le simple calcul de la taille nécessaire ne suffit pas. Pour garantir la sécurité et la longévité de l'équipement, il est également indispensable de prendre en compte la marge de sécurité future et le taux de charge optimal du transformateur.

Évitez de simplement additionner la puissance des appareils. Un mauvais choix de transformateur aura une incidence sur le coût de votre investissement, les pertes à vide et les performances économiques.

Sélection du type technique approprié de transformateur triphasé

Les transformateurs triphasés se classent généralement en deux catégories : à bain d’huile et à sec. Les transformateurs à sec offrent une meilleure sécurité incendie et ne nécessitent aucun entretien. Les transformateurs à bain d’huile, quant à eux, présentent une capacité de surcharge supérieure et un niveau sonore réduit.

Par exemple, ils sont utilisés dans les immeubles de grande hauteur, les installations souterraines, les zones densément peuplées ou les lieux soumis à des exigences strictes en matière de prévention des incendies et des explosions. Pour des raisons de sécurité, il est impératif de choisir des transformateurs secs dans ces cas. Les postes de transformation extérieurs et les projets industriels soucieux des coûts peuvent quant à eux opter pour des transformateurs immergés dans l'huile.

Globalement, cela dépend principalement de votre environnement d'installation, de vos normes de sécurité et de vos exigences de maintenance.

Sélection d'une méthode de refroidissement appropriée

Si vous souhaitez optimiser la taille et les caractéristiques de fonctionnement d'un transformateur triphasé, le choix de la méthode de refroidissement est également particulièrement important.

Selon les normes CEI, les méthodes de refroidissement des transformateurs remplis d'huile sont classées comme ONAN, ONAF et OFAF.

ONANIl est simple, silencieux et ne nécessite aucun entretien. Cependant, son efficacité de dissipation thermique est faible et il convient aux transformateurs de petite et moyenne taille.

ONAFIl possède une capacité de dissipation thermique supérieure et une conception de transformateur plus compacte. C'est le choix privilégié pour un bon compromis entre taille, capacité et coût, et il convient particulièrement aux transformateurs de moyenne et grande taille.

OFAFIl offre la meilleure efficacité de dissipation thermique, mais sa structure est complexe et son entretien est exigeant. Il est plus adapté aux transformateurs de grande et très grande taille.

Les méthodes de refroidissement des transformateurs secs sont classées en AN et AF.

UNFonctionnement silencieux, mais capacité de refroidissement limitée. Convient aux environnements intérieurs de taille moyenne et à faible charge.

AFIl permet de réduire l'encombrement tout en offrant une puissance apparente (kVA) plus élevée au transformateur. C'est la solution idéale pour optimiser l'espace intérieur.

Garantir des voies de transport et un espace d'installation adéquats

Outre le choix des spécifications électriques, vous devez également mener une étude approfondie de l'itinéraire de transport et élaborer un plan de transport dédié.

En fonction des dimensions du transformateur, il convient d'établir un plan d'installation adapté. Conformément aux normes CEI ou ISO, prévoyez un espace suffisant pour les passages de maintenance, la ventilation et les distances de sécurité électrique.

Assurez-vous que la structure du bâtiment peut supporter le poids du transformateur. Il vous faut également déterminer les voies d'entrée et de sortie des câbles et prévoir l'espace nécessaire.

Évaluation et analyse complètes

Enfin, vous devez effectuer une analyse du coût total de possession en fonction de vos besoins, incluant l'investissement initial, les coûts d'exploitation, les coûts de maintenance, etc. De plus, vous devez également procéder à une évaluation de la fiabilité des qualifications du fabricant et de la qualité des composants du noyau du transformateur.

Si votre région est soumise à une réglementation environnementale stricte, vous devez également vérifier si le produit respecte les normes d'efficacité énergétique et les exigences environnementales obligatoires en vigueur localement.

FAQ

Pourquoi la taille d'un transformateur triphasé est-elle si importante ?

Les dimensions physiques du transformateur sont essentielles à la bonne installation. La puissance du transformateur (kVA) influe sur les coûts d'acquisition et la sécurité d'exploitation. Un dimensionnement adéquat garantit un fonctionnement efficace et fiable du transformateur à la charge optimale. Il détermine le choix des câbles en amont et en aval, des interrupteurs et des équipements de protection, et constitue le fondement du fonctionnement stable de l'ensemble du système d'alimentation électrique.

Un transformateur plus gros est-il nécessairement plus sûr ?

Pas nécessairement. Un dimensionnement excessif augmentera le courant de court-circuit, ce qui augmentera les exigences en matière de disjoncteurs et les équipements de protection. Si ces équipements ne sont pas adaptés, ils risquent de ne pas pouvoir couper le courant à temps en cas de défaut, ce qui peut entraîner un accident plus grave. La sécurité ne repose pas sur la taille, mais sur l'adéquation des capacités et l'exhaustivité de la protection.

Pourquoi les transformateurs en alliage amorphe sont-ils volumineux et coûteux ?

Sa taille importante est due à sa densité de saturation magnétique relativement faible. Par conséquent, pour obtenir le même flux magnétique, la section du noyau de fer doit être plus grande, ce qui entraîne une augmentation de son volume et de son poids. Son prix élevé s'explique par le coût important des matériaux, la complexité de sa fabrication et le surcoût lié aux économies d'énergie. Il est plus adapté aux applications fonctionnant sans interruption toute l'année et privilégiant les économies d'énergie à long terme.

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