Mise en œuvre et essais sur un transformateur (partie 3/3)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Régler un transformateur monophasé ou triphasé afin d’obtenir les valeurs de tension, de courant et d’impédance requises pour un fonctionnement optimal. - Réaliser les essais à vide, en court‑circuit et en charge, interpréter les résultats et apporter les corrections nécessaires. - Appliquer les normes de sécurité (NF C 15‑100, IEC 60076) et les bonnes pratiques d’atelier lors du réglage et des essais. - Rédiger un compte‑rendu d’intervention incluant les valeurs mesurées, les réglages effectués et les écarts observés. **Prérequis :** - Connaissances des principes de base du transformateur (loi des rapports de spires, équivalence circuit, pertes cuivre et fer). - Maîtrise des grandeurs électriques (tension, courant, puissance, facteur de puissance) et de leurs unités. - Savoir lire un schéma unifilaire et identifier les prises de réglage (taps) sur un transformateur de puissance. - Notions de sécurité électrique (mise à la terre, EPI, consignation). --- ## Introduction contextualisée Dans les installations électriques industrielles et agricoles du Cameroun, les transformateurs de puissance assurent l’adaptation des niveaux de tension entre le réseau de distribution (20 kV, 33 kV) et les équipements utilisateurs (400 V triphasé, 230 V monophasé). Un réglage inadéquat provoque des surtensions, des sous‑tensions, une hausse des pertes et une détérioration prématurée des machines. Le technicien supérieur en électrotechnique doit donc savoir ajuster les prises de réglage, vérifier l’impédance de court‑circuit et valider les performances par des essais normalisés. Ce chapitre présente, étape par étape, les procédés de réglage et les essais de validation, en s’appuyant sur des situations réelles rencontrées dans les ateliers de maintenance des sociétés d’électricité (ENEO, CAMWATER) et dans les installations agro‑industrielles (scieries, usines de transformation du cacao). --- ## I. Réglage du transformateur monophasé / triphasé pour un fonctionnement optimal (Leçon 21) ### A. Principes de base du transformateur Un transformateur est constitué d’un noyau magnétique et de deux enroulements (primaire et secondaire) liés par le flux mutuel. La relation de base est : \[ \frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1} = a \] où \(U_1\) et \(U_2\) sont les tensions efficace primaire et secondaire, \(N_1\) et \(N_2\) le nombre de spires, et \(a\) le rapport de transformation. > **>** La tension secondaire à vide s’obtient en multipliant la tension primaire par le rapport de spires. Les pertes se répartissent en pertes cuivre (proportionnelles à \(I^2R\)) et pertes fer (hystérésis et courants de Foucault), dépendant de la fréquence et de l’induction magnétique. ### B. Paramètres à régler pour un fonctionnement optimal | Paramètre | Symboles | Valeur cible typique | Influence sur le fonctionnement | |-----------|----------|----------------------|---------------------------------| | Tension secondaire à vide | \(U_{2nl}\) | Selon la charge (ex. 400 V triphasé) | Détermine la qualité de l’alimentation | | Courant de court‑circuit (essai) | \(I_{cc}\) | Égal au courant nominal secondaire \(I_n\) | Indique l’impédance interne | | Impédance de court‑circuit | \(Z_{cc}\) | 4 %–6 % (puissance) | Limite les courants de défaut | | Pértes à vide | \(P_0\) | 0,5 %–2 % de la puissance nominale | Réfléchit les pertes fer | | Pértes en charge | \(P_{cu}\) | fonction de \(I^2\) | Réfléchit les pertes cuivre | Le réglage agit principalement sur la tension secondaire en modifiant le nombre de spires effectif du primaire ou du secondaire via les prises de réglage (taps). ### C. Méthodes de réglage 1. **Réglage par prises de dérivation (taps)** : - Les prises sont situées sur l’enrouleur de haute tension (souvent le primaire). - Chaque pas modifie le rapport de spires d’un pourcentage prédéfini (ex. ±2,5 %). - Procédure : a. Mettre le transformateur hors tension et le mettre à la terre. b. Desserrer les boulons de blocage du sélecteur de taps. c. Tourner le sélecteur jusqu’à la position désirée (ex. +2,5 % pour augmenter la tension secondaire). d. Resserrer les boulons, retirer la mise à la terre, remettre sous tension. - **>** Toujours vérifier la position du sélecteur avant toute remise sous tension pour éviter un déséquilibre de phases. 2. **Réglage du répartiteur (pour les transformateurs à enrouleur secondaire à dérivées multiples)** : - Permet d’ajuster la tension secondaire sans toucher au primaire. - Utilisé surtout sur les transformateurs de distribution (400/230 V). 3. **Réglage de l’excitation (tension d’alimentation du noyau)** : - Rare sur les transformateurs de puissance ; réservé aux transformateurs de mesure ou aux autotransformateurs à régulation fine. ### D. Exemple chiffré de réglage sur un transformateur triphasé **Données :** Transformateur 50 kVA, 20 kV / 400 V, connexion Dyn11, prises de réglage sur le primaire avec pas de ±2,5 %. Tension de ligne primaire mesurée : 20 kV (valeur nominale). Tension secondaire souhaitée : 400 V ligne‑ligne. 1. Calcul du rapport de spires théorique : \[ a_{th} = \frac{U_{2nl}}{U_{1}} = \frac{400\text{ V}}{20\,000\text{ V}} = 0,02 \] 2. Le rapport réel avec les taps à 0 % (position neutre) est : \[ a_{0} = \frac{N_2}{N_1}=0,02 \] 3. Mesure à vide donne \(U_{2nl}=380\) V (sous‑tension de 5 %). Il faut augmenter la tension secondaire de 5 %. Chaque pas de +2,5 % modifie le rapport de spires de ±2,5 %, ce qui, pour une tension primaire fixe, varie la tension secondaire d’environ ±2,5 %. Donc il faut appliquer **+2 pas** (+5 %). 4. Après réglage : nouvelle tension secondaire à vide : \[ U_{2nl,new}=380\text{ V}\times(1+0,05)=399\text{ V}\approx 400\text{ V} \] 5. Vérification du courant de court‑circuit : - Courant nominal secondaire : \(I_n = \frac{S}{\sqrt{3}U_{2}} = \frac{50\,000}{\sqrt{3}\times 400}=72,2\text{ A}\) - Impédance de court‑circuit donnée : 5 % → \(Z_{cc}=0,05\times\frac{U_{2}^2}{S}=0,05\times\frac{400^2}{50\,000}=0,16\ \Omega\) - Courant de court‑circuit théorique : \(I_{cc}= \frac{U_{2}}{Z_{cc}} = \frac{400}{0,16}=2500\text{ A}\) (≈35 × \(I_n\)), conforme aux attentes. > **>** Après chaque modification de taps, il est indispensable de refaire un essai à vide pour confirmer la tension cible avant de procéder à l’essai en charge. --- ## II. Réglage du transformateur monophasé / triphasé pour un fonctionnement optimal (suite et fin) (Leçon 22) ### A. Essais après réglage 1. **Essai à vide** : - Primary alimenté, secondaire en circuit ouvert. - Mesure de \(U_{2nl}\), \(I_0\) (courant d’excitation) et \(P_0\) (pertes à vide). - Permet de vérifier le rapport de spires et les pertes fer. 2. **Essai en court‑circuit** : - Secondary court‑circuité, primaire alimenté à faible tension jusqu’à atteindre le courant nominal secondaire. - Mesure de \(U_{cc}\) (tension nécessaire) et \(P_{cc}\) (pertes en charge). - Déduit l’impédance de court‑circuit \(Z_{cc}=U_{cc}/I_n\) et le facteur de puissance du court‑circuit. 3. **Essai en charge** : - Charge résistive ou inductive connectée au secondaire, variant de 0 % à 120 % du courant nominal. - Enregistrement de \(U_{2}\), \(I_{2}\), \(P_{out}\), \(P_{loss}\). - Calcul de l’efficacité \(\eta = \frac{P_{out}}{P_{out}+P_{loss}}\) et de la régulation de tension \(\%\,\Delta U = \frac{U_{2nl}-U_{2}}{U_{2nl}}\times100\). > **>** Les valeurs de \(P_0\) et \(P_{cc}\) doivent rester dans les limites spécifiées par la norme IEC 60076‑2 (généralement < 2 % pour \(P_0\) et < 2,5 % pour \(P_{cc}\) à charge nominale). ### B. Interprétation des résultats et ajustements fins - Si \(U_{2nl}\) est trop basse malgré les taps au maximum, vérifier l’état du noyau (saturation, court‑circuit d’enroulement). - Si \(P_0\) dépasse la limite, envisager un regarnissage du noyau ou un remplacement des tôles magnétiques. - Si la régulation de tension dépasse 5 % à pleine charge, augmenter la section du conducteur secondaire ou réduire l’impédance de fuite (en ajustant l’écart entre enroulements). - Un facteur de puissance de court‑circuit trop faible indique une prédominance de réactance ; on peut alors vérifier le serrage des boulons du noyau et l’alignement des enroulements. ### C. Normes de sécurité et bonnes pratiques | Domaine | Référence | Exigence clé | |---------|-----------|--------------| | Mise à la terre | NF C 15‑100 art. 541.3 | Toutes les masses métalliques doivent être reliées à une prise de terre de résistance < 10 Ω. | | Protection contre les contacts directs | IEC 60364‑4‑41 | Utilisation de disjoncteurs différentiels 30 mA sur les circuits d’alimentation du transformateur. | | Équipement de protection individuelle (EPI) | Arrêté n° 2005/001/MINESEC | Gants isolants classe 0, lunettes de protection, chaussures de sécurité antistatiques. | | Consignation / déconsignation | NF C 18‑510 | Procédure de lock‑out/tag‑out avant toute intervention sur les prises de réglage. | | Essais électriques | IEC 60076‑1 | Réalisation des essais à vide et en court‑circuit sous tension limitée (< 10 % \(U_n\)) avec mesureurs calibrés. | > **>** Avant de manipuler les prises de réglage, couper l’alimentation, mettre à la terre le primaire et le secondaire, puis appliquer un dispositif de consignation. ### D. Cas pratique d’atelier au Cameroun **Contexte :** Atelier de maintenance d’une scierie à Bertoua. Transformateur de poste 100 kVA, 11 kV / 400 V, connexion Yyn0, équipé de prises de réglage ±2,5 % sur le primaire. **Étapes suivies :** 1. Mise hors tension et consignation du disjoncteur d’alimentation 11 kV. 2. Mise à la terre du primaire et du secondaire à l’aide de barres de cuivre reliées à la terre de l’installation (résistance mesurée 6 Ω). 3. Lecture de la position actuelle du sélecteur de taps : 0 % (neutre). 4. Mesure à vide : \(U_{2nl}=360\) V (sous‑tension de 10 %). 5. Décision d’appliquer +4 taps (+10 %). 6. Rotation du sélecteur de 0 % à +10 % (quatre crans). 7. Resserrage des boulons, retrait de la mise à la terre, remise sous tension. 8. Nouvel essai à vide : \(U_{2nl}=395\) V (acceptable, écart < 2 %). 9. Essai en court‑circuit : mesure de \(U_{cc}=22\) V pour \(I_n=144\) A → \(Z_{cc}=0,15\ \Omega\). Cette impédance correspond à un pourcentage de \(Z_{cc}= \frac{Z_{cc} \cdot S}{U_{2}^2}\times100 = 9,4\%\), supérieur à l’intervalle habituel de 4‑6 %, ce qui peut indiquer une erreur de mesure ou un problème d’enroulement. 10. Essai en charge à 80 % : rendement mesuré 96,2 %, régulation de tension –1,8 %. 11. Rédaction du rapport d’intervention : valeurs mesurées, réglages effectués, conformité aux normes IEC 60076‑2 et NF C 15‑100. > **>** Le respect de la séquence consignation → mesure → réglage → vérification garantit la sécurité du technicien et la fiabilité de l’installation. --- ## Synthèse du chapitre - **Objectif principal** : régler un transformateur pour obtenir la tension secondaire souhaitée tout en maintenant les pertes et l’impédance dans les limites normatives. - **Paramètres clés** : tension secondaire à vide, courant de court‑circuit, impédance de court‑circuit, pertes à vide et en charge. - **Méthodes de réglage** : modification des prises de dérivation (taps) sur l’enrouleur de haute tension, réglage du répartiteur, ajustement de l’excitation (rare). - **Procédure de réglage** : mise hors tension, consignation, mise à la terre, déplacement du sélecteur de taps, resserrage, remise sous tension, vérification à vide. - **Essais de validation** : essai à vide (mesure \(U_{2nl}, I_0, P_0\)), essai en court‑circuit (mesure \(U_{cc}, P_{cc}\)), essai en charge (rendement, régulation de tension). - **Interprétation** : écarts de tension → ajustement des taps ; pertes élevées → contrôle du noyau ; régulation excessive → vérification de l’impédance de fuite. - **Sécurité** : application des normes NF C 15‑100, IEC 60076, consignation lock‑out/tag‑out, port des EPI, mise à la terre des deux enroulements. - **Exemple concret** : réglage d’un transformateur 50 kVA, 20 kV/400 V avec ±2,5 % de taps, passage de 380 V à 400 V à vide, validation par essais. --- ## Glossaire - **Rapport de transformation (a)** : rapport entre le nombre de spires du secondaire et celui du primaire, égal aussi au rapport des tensions efficace. - **Prises de réglage (taps)** : dérivations sur un enrouleur permettant de faire varier le nombre de spires effectif et donc la tension de sortie. - **Courant d’excitation (I₀)** : courant qui circule dans le primaire lorsque le secondaire est en circuit ouvert, servant à établir le flux magnétique. - **Pertes à vide (P₀)** : puissance consommée par le transformateur en charge nulle, due principalement aux pertes fer (hystérésis et courants de Foucault). - **Pertes en charge (P_{cu})** : puissance dissipée par les résistances des enrouleurs lorsqu’un courant les traverse, proportionnelle au carré du courant. - **Impédance de court‑circuit (Z_{cc})** : impédance équivalente vue depuis les bornes du primaire lorsque le secondaire est court‑circuité ; exprime la capacité du transformateur à limiter les courants de défaut. - **Régulation de tension** : variation relative de la tension secondaire entre le état à vide et la charge nominale, exprimée en pourcentage. - **Efficacité (η)** : rapport entre la puissance utile délivrée au secondaire et la puissance totale absorbée par le transformateur (utile + pertes). --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 Un transformateur monophasé de 10 kVA, 230 V / 115 V possède des prises de réglage sur le primaire avec un pas de ±2 %. À vide, la tension secondaire mesurée est 110 V. **a)** Déterminer le nombre de pas à appliquer pour obtenir une tension secondaire à vide de 115 V. **b)** Après réglage, calculer le nouveau courant d’excitation si la puissance à vide passe de 80 W à 95 W (tension primaire inchangée). **Corrigé** a) La tension secondaire doit augmenter de \(115-110 = 5\) V, soit \(\frac{5}{110}\times100 = 4,55\%\). Chaque pas de +2 % augmente la tension secondaire d’environ 2 % (primaire fixe). Donc il faut appliquer \(\lceil 4,55/2\rceil = 3\) pas (+6 %). Cela donnera une tension théorique de \(110\times1,06 = 116,6\) V, acceptable (écart < 2 %). b) Puissance à vide \(P_0 = U_1 I_0 \cos\phi_0\). En supposant le facteur de puissance d’excitation ≈ 0,2 (typique). Primaire : \(U_1 = 230\) V. - Avant réglage : \(I_{0,avant}= \frac{P_0}{U_1\cos\phi_0}= \frac{80}{230\times0,2}=1,74\) A. - Après réglage : \(I_{0,après}= \frac{95}{230\times0,2}=2,07\) A. Le courant d’excitation augmente donc de \(0,33\) A (≈ 19 %). ### Exercice 2 Un transformateur triphasé de 200 kVA, 20 kV / 400 V, connexion Dyn11, présente une impédance de court‑circuit de 4,5 % mesurée à l’essai. Le courant nominal secondaire est calculé à 288 A. **a)** Calculer la tension nécessaire au primaire pour produire le courant nominal secondaire lors de l’essai en court‑circuit. **b)** Si la tension mesurée lors de l’essai est 850 V, en déduire l’impédance de court‑circuit réelle et commenter l’écart avec la valeur nominale. **Corrigé** a) Courant nominal secondaire \(I_n = 288\) A. L’impédance de court‑circuit nominale : \(Z_{cc,nom}=0,045\times\frac{U_{2}^2}{S}=0,045\times\frac{400^2}{200\,000}=0,036\ \Omega\). La tension primaire requise pour faire circuler \(I_n\) dans le secondaire est : \(U_{1,cc}= I_n \times Z_{cc,nom} \times a\) où \(a = \frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{400}{20\,000}=0,02\). Donc \(U_{1,cc}= 288 \times 0,036 \times \frac{1}{0,02}= 288 \times 1,8 = 518,4\) V. b) Tension mesurée \(U_{1,mes}=850\) V. L’impédance réelle : \(Z_{cc,mes}= \frac{U_{1,mes}}{I_n \times a}= \frac{850}{288 \times 0,02}= \frac{850}{5,76}=147,6\) Ω. Cette valeur est nettement supérieure à l’impédance nominale (0,036 Ω), indiquant une erreur de mesure ou un court‑circuit partiel du primaire (enroulement ouvert ou mauvaise connexion). Il faut vérifier les connexions de l’appareil de mesure et reprendre l’essai après avoir s’assuré que le secondaire est bien court‑circuité et que les appareils de mesure sont correctement placés en série avec le primaire. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | # | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |---|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Modifier les prises de réglage sans mettre le transformateur à la terre | Risque de choc électrique ou d’arc lors de la manipulation des contacts sous tension | Toujours mettre à la terre le primaire et le secondaire avant toute intervention sur les taps (verrouillage/tag‑out). | | 2 | Négliger de vérifier le facteur de puissance d’excitation lors de l’interprétation des pertes à vide | Surestimation ou sous‑estimation des pertes fer, leading to mauvais diagnostic du noyau | Mesurer \(I_0\) et \(U_1\) et calculer \(\cos\phi_0 = P_0/(U_1 I_0)\) ; comparer à la valeur typique (0,15‑0,25). | | 3 | Utiliser un ampèremètre placé en parallèle avec l’enrouleur lors de l’essai en court‑circuit | Court‑circuit de l’appareil de mesure, endommagement et risque d’incendie | Placer les appareils de mesure en série avec le primaire (pour \(U_{cc}\)) et en parallèle uniquement pour la mesure de tension ; vérifier les branchements avant de mettre sous tension. | | 4 | Ignorer la variation de la température du noyau lors des essais à vide | Les pertes fer varient avec la température ; résultats non reproductibles | Effectuer les essais à une température ambiante stabilisée (20 ± 2 °C) ou appliquer un facteur de correction selon la courbe de pertes fer fournie par le constructeur. | | 5 | Ne pas consigner les réglages effectués (position des taps) | Impossible de reproduire le réglage ou de diagnostiquer une panne ultérieure | Remplir une fiche d’intervention indiquant la position initiale, la position finale, la date, le nom du technicien et les valeurs mesurées avant/après. | | 6 | Utiliser des EPI inadéquats (gants non isolants, lunettes de sécurité manquantes) | Exposition à l’arc électrique ou à des projections de métal fondu | Porter des gants isolants de classe appropriée (00, 0, 1 selon la tension), un écran facial ou des lunettes de sécurité, et des chaussures de sécurité antistatiques. | --- *Fin du cours.*