Transformateurs de courant : conception, principe de fonctionnement et types

Les transformateurs de courant sont largement utilisés dans l'ingénierie énergétique moderne comme équipement permettant de modifier divers paramètres électriques tout en conservant leurs valeurs de base. Le fonctionnement de l'équipement est basé sur la loi de l'induction, qui s'applique aux champs magnétiques et électriques qui varient de manière sinusoïdale. Le transformateur transforme la valeur du courant primaire en fonction de la modulation et de la transmission de l'angle en proportion des données brutes. Le choix de l'équipement doit être fait en fonction du domaine d'application et du nombre de consommateurs raccordés.

Qu'est-ce qu'un transformateur de courant ?

Ils sont utilisés dans l'industrie, le génie civil et municipal, l'industrie et d'autres domaines pour appliquer un courant avec des paramètres physiques définis. La tension est appliquée aux bobines de l'enroulement primaire, où un courant alternatif est généré en raison de la radiation magnétique. Le même rayonnement traverse les autres bobines, ce qui fait bouger les forces électromagnétiques, et lorsque les bobines secondaires sont court-circuitées ou connectées au circuit électrique, un courant secondaire apparaît dans le système.

Les transformateurs de courant modernes permettent de convertir l'énergie de manière à ce que son utilisation ne cause pas de dommages aux équipements qui l'utilisent. Ils permettent également de mesurer des charges plus élevées avec une sécurité maximale pour les machines et le personnel, car les enroulements primaires et secondaires sont isolés les uns des autres de manière fiable.

A quoi servent les transformateurs ?

Il est facile de voir à quoi sert un transformateur de courant : ses applications couvrent tous les domaines dans lesquels les valeurs énergétiques sont transformées. Ces appareils sont des dispositifs auxiliaires qui sont utilisés en parallèle avec des instruments de mesure et des relais pour créer un circuit de courant alternatif. Dans ces cas, les transformateurs convertissent l'énergie pour faciliter le déchiffrage des paramètres ou pour connecter des équipements aux caractéristiques différentes dans le même circuit.

Il y a aussi la fonction de mesure des transformateurs : ils sont utilisés pour faire fonctionner des circuits électriques avec des tensions plus élevées, auxquelles les instruments de mesure doivent être connectés, mais il n'est pas possible de le faire directement. Leur principale fonction est de transmettre les informations sur les valeurs de courant aux instruments de mesure connectés à l'enroulement secondaire. Il permet également de contrôler le courant dans le circuit : lorsque le relais est utilisé et que la valeur maximale du courant est atteinte, une protection est activée et coupe l'équipement pour éviter de brûler et d'endommager le personnel.

Principe de fonctionnement

Le fonctionnement de cet équipement est basé sur la loi de l'induction, selon laquelle la tension entre dans les enroulements primaires et le courant surmonte la résistance créée par l'enroulement, ce qui entraîne la transmission du flux magnétique à la bobine magnétique. Le flux est perpendiculaire au courant, ce qui minimise les pertes, et lorsqu'il traverse les enroulements secondaires, la CEM est activée. Cela induit un courant dans le système qui est supérieur à la résistance de la bobine, et la tension à l'extrémité de sortie des bobines secondaires est réduite.

La conception la plus simple d'un transformateur est donc constituée d'un noyau métallique et d'une paire d'enroulements, qui ne sont pas reliés entre eux et sont constitués de fils isolés. Dans certains cas, la charge ne passe que dans les enroulements primaires et non dans les secondaires : c'est ce qu'on appelle le mode ralenti. Si un équipement consommateur d'énergie est connecté à l'enroulement secondaire, un courant circule dans les bobines et une force électromotrice est créée. La CEM est déterminée par le nombre d'enroulements. Le rapport de la force électromotrice pour les spires primaires et secondaires est connu comme le rapport de transformation, calculé à partir du rapport du nombre de spires. Il est possible de réguler la tension d'utilisation finale en modifiant le nombre de tours primaires ou secondaires.

Classification des transformateurs de courant

Il existe plusieurs types de transformateurs de courant qui sont classés en fonction d'un certain nombre de critères, notamment l'objectif, la méthode d'installation, le nombre d'étapes de conversion et d'autres facteurs. Ces paramètres doivent être pris en compte avant de choisir un transformateur de courant :

• Objectif. Elle permet de distinguer les modèles de mesure, intermédiaires et de protection. Par exemple, les transformateurs intermédiaires sont utilisés pour la connexion de dispositifs pour les opérations de calcul dans les systèmes de protection par relais et autres circuits. Les transformateurs de laboratoire à distinction séparée, qui permettent d'accroître la précision des indicateurs, présentent un grand nombre de coefficients de conversion.
• Méthode d'installation. Il existe des transformateurs destinés à être installés à l'extérieur et à l'intérieur : non seulement ils ont un aspect différent, mais ils présentent également différents indicateurs de résistance aux influences extérieures (par exemple, les appareils destinés à être utilisés à l'extérieur sont protégés contre les précipitations et les fluctuations de température). On distingue également les transformateurs sur socle et les transformateurs portables, ces derniers ayant un poids et des dimensions relativement faibles.
• Type d'enroulement. Les transformateurs peuvent être mono ou multi-volts, à bobine, à noyau ou à barre. L'enroulement primaire et secondaire peut être différent, et l'isolation (sèche, porcelaine, bakélite, huile, composé, etc.) est également différente.
• Le niveau des étapes de transformation. L'équipement peut être à un ou deux étages (cascade), la limite de tension de 1000 V peut être minimale ou maximale.
• Conception. Il existe deux types de transformateurs de courant selon ce critère : les transformateurs à bain d'huile et les transformateurs secs. Dans le premier cas, les enroulements et le noyau magnétique se trouvent dans une cuve contenant un liquide huileux spécial : il joue le rôle d'isolant et permet de réguler la température de fonctionnement du milieu. Dans le second cas, le refroidissement est à air et ces systèmes sont utilisés dans les bâtiments industriels et résidentiels, car les transformateurs à huile ne peuvent pas être installés à l'intérieur en raison du risque accru d'incendie.
• Type de tension. Les transformateurs peuvent être abaisseurs et élévateurs : dans le premier cas, la tension sur les enroulements primaires est réduite, tandis que dans le second cas, la tension est augmentée.
• Une autre façon de classer est de choisir un transformateur de courant en fonction de sa puissance en watts. Ce paramètre dépend de la finalité de l'équipement, du nombre de consommateurs connectés et de leurs propriétés.

Paramètres et caractéristiques

Lors du choix d'un tel équipement, vous devez tenir compte des principaux paramètres techniques qui influent sur la gamme d'applications et le coût. Les principales caractéristiques sont les suivantes :

• Charge nominale, ou puissance : une sélection peut être effectuée à l'aide du tableau comparatif des caractéristiques des transformateurs. La valeur de ce paramètre détermine les autres courants nominaux, car elle est strictement normalisée et sert à définir le fonctionnement correct de l'équipement dans la classe de précision sélectionnée.
• Courant nominal. Cette valeur détermine la durée pendant laquelle l'appareil peut fonctionner sans surchauffer jusqu'à des températures critiques. L'équipement du transformateur possède généralement une réserve thermique considérable et fonctionne normalement lorsqu'il est surchargé jusqu'à 18-20%.
• Tension. Cette valeur est importante pour la qualité de l'isolation du bobinage et assure le bon fonctionnement de la machine.
• Erreurs. Ce phénomène est causé par le flux magnétique ; la valeur de l'erreur est la différence entre le courant primaire et le courant secondaire exacts. L'augmentation du flux magnétique dans le noyau du transformateur contribue à une augmentation proportionnelle de l'erreur.
• Le rapport de transformation, qui est le rapport entre le courant dans les enroulements primaires et les enroulements secondaires. La valeur réelle du coefficient diffère de la valeur nominale d'une quantité égale au degré de perte de conversion énergétique.
• Multiplicité des limites, exprimée comme le rapport entre le courant primaire réel et le courant nominal.
• Multiplicité du courant se produisant dans les enroulements de l'enroulement secondaire.

Les données clés d'un transformateur de courant sont déterminées par un diagramme de facteur de puissance : cela permet d'examiner les caractéristiques de l'équipement dans différents modes de fonctionnement, de l'absence de charge à la pleine charge.

Les valeurs principales sont indiquées sur le corps de l'appareil au moyen d'un marquage spécial. Il peut également contenir des informations sur la méthode de levage et d'installation de l'équipement, des informations d'avertissement sur les tensions élevées sur les enroulements secondaires (plus de 350 volts), des informations sur la présence d'une prise de terre. Le convertisseur d'énergie est marqué par un autocollant ou de la peinture.

Défauts possibles

Comme tout autre équipement, les transformateurs tombent en panne de temps en temps et nécessitent une maintenance experte avec diagnostic. Avant de vérifier l'appareil, il est important de savoir quels sont les défauts et les signes qui y correspondent :

• Bruit inégal à l'intérieur de l'enceinte, grésillement. Ce phénomène indique généralement une rupture de l'élément de mise à la terre, un chevauchement du boîtier par les spires de l'enroulement ou un pressage lâche des feuilles servant de noyau magnétique.
• Échauffement excessif du boîtier, augmentation du courant du côté du consommateur. Le problème peut être causé par des courts-circuits du bobinage dus à l'usure ou à des dommages mécaniques de la couche isolante, des surcharges fréquentes résultant de courts-circuits.
• Isolateurs fissurés, décharges glissantes. Celles-ci se produisent en cas de défauts de production non détectés avant la mise en service, de chute de corps étrangers et de chevauchement entre des fils de phase de valeurs différentes.
• Émissions d'huile au cours desquelles le diaphragme de la structure d'échappement est rompu. Le problème est attribué aux courts-circuits interphases causés par l'usure de l'isolation, une baisse du niveau d'huile, des chutes de tension ou l'apparition de surintensités en cas de court-circuit de bout en bout.
• L'huile fuit sous les joints ou dans les robinets des transformateurs. Les principales causes sont une soudure défectueuse des composants, des joints faibles, des joints détruits ou des bouchons de valve non rodés.
• Activation du relais de protection contre le gaz. Ce phénomène se produit lorsque l'huile se décompose en raison d'un défaut d'enroulement, d'un circuit ouvert, d'une usure des contacts de l'interrupteur ou en cas de court-circuit avec le boîtier du transformateur.
• Désactiver le relais de protection du gaz. Le problème est dû à la décomposition active de l'huile liquide à la suite d'un défaut interphase, d'une surtension interne ou externe ou d'un "feu d'acier".
• Protection différentielle déclenchée. Ce défaut se produit lorsqu'il y a une panne dans le boîtier d'alimentation, lorsqu'il y a un chevauchement entre les phases ou dans d'autres cas.

Pour optimiser la fonctionnalité de l'appareil, il convient d'effectuer des contrôles réguliers à l'aide d'une caméra thermique : cet équipement permet de diagnostiquer une détérioration de la qualité du contact et une réduction de la température de fonctionnement. Les spécialistes effectuent la gamme d'opérations suivantes pendant la vérification :

• 1. Relevés de tension et de courant.
  2. Vérification de la charge à l'aide d'une source externe.
  3. Détermination des paramètres du circuit de fonctionnement.
  4. Calcul du ratio de transformation, comparaison et analyse des valeurs.

Calcul d'un transformateur

Le principe de base est défini par la formule U1/U2=n1/n2dont les éléments sont déchiffrés comme suit :

• U1 et U2 sont les tensions des tours primaires et secondaires.
• n1 et n2 sont le nombre d'enroulements primaires et secondaires respectivement.

Une autre formule est utilisée pour déterminer la section transversale du noyau : S=1.15 * √PLa puissance est mesurée en watts et la surface en centimètres carrés. Si le noyau utilisé dans l'équipement a la forme d'une lettre S, la section transversale est calculée pour le noyau central. Pour déterminer les tours dans l'enroulement du niveau primaire, utilisez la formule suivante n=50*U1/S, si le composant 50 n'est pas invariable, il est recommandé de le remplacer par 60 afin d'éviter l'apparition d'interférences électromagnétiques. Une autre formule est d=0.8*√Ioù d est la section du conducteur et I l'indice d'intensité du courant, est utilisé pour calculer le diamètre du câble.

Les chiffres calculés sont arrondis au chiffre supérieur (par exemple, la puissance calculée de 37,5 W est arrondie à 40). Les arrondis ne sont autorisés que vers le haut. Toutes les formules ci-dessus sont utilisées pour sélectionner les transformateurs fonctionnant sur le réseau 220 V ; lors de la construction de lignes à haute fréquence, d'autres paramètres et méthodes de calcul sont utilisés.

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