Mise en œuvre et essais sur un transformateur (partie 1/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : à la fin de ce chapitre l’élève sera capable de - identifier un transformateur monophasé ou triphasé à partir de sa plaque signalétique et de son schéma de couplage ; - réaliser les essais électriques de base (tension à vide, courant d’excitation, résistance d’enroulement, court‑circuit) avec les appareils de mesure appropriés ; - interpréter les résultats afin de déterminer les paramètres équivalents (résistance, réactance, impédance, pertes) ; - appliquer les règles de sécurité électrique lors de la manipulation d’un transformateur sous tension ou hors tension. **Prérequis** : - notions de base d’électrotechnique (loi d’Ohm, loi des nœuds, puissance active, réactive et apparente) ; - connaissance des couplages étoile (Y) et triangle (Δ) et des groupes de couplage (Dyn11, YNyn0, etc.) ; - utilisation d’un multimètre, d’un wattmètre et d’un mégohmmètre en toute sécurité ; - maîtrise des consignes de prévention du risque électrique (NF C 15-100, port des EPI, mise à la terre). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, les réseaux de distribution d’énergie électrique s’appuient largement sur des transformateurs de puissance (20 kV/0,4 kV) installés dans les postes de transformation des villes telles que Yaoundé, Douala ou Garoua. Leur bon fonctionnement conditionne la qualité de l’alimentation des industries, des commerces et des habitations. Un technicien en électrotechnique doit donc savoir reconnaître rapidement le type de transformateur auquel il a affaire, lire ses caractéristiques techniques et réaliser les essais de mise en service ou de maintenance conformément aux normes du MINESEC/IGE. Ce chapitre prépare l’élève à ces situations professionnelles réelles. --- ## I. Leçon 16 : Identification du transformateur monophasé / triphasé ### 1.1 Définition et rôle du transformateur Un transformateur est une machine statique qui transfère de l’énergie électrique d’un circuit à un autre par induction électromagnétique, tout en modifiant les niveaux de tension et de courant selon le rapport de ses enroulements. > **Un transformateur de distribution convertit la tension moyenne (ex. 20 kV) en basse tension (ex. 0,4 kV) pour l’alimentation des consommateurs finaux.** ### 1.2 Classification selon le nombre de phases - **Monophasé** : un enroulement primaire et un enroulement secondaire, utilisé pour l’alimentation d’appareils monophasés (éclairage, petits moteurs). - **Triphasé** : trois enroulements primaires et trois enroulements secondaires, couplés en étoile (Y) ou triangle (Δ), destiné à la distribution industrielle. ### 1.3 Lecture de la plaque signalétique La plaque signalétique fournit les données essentielles : | Élément | Signification | Unité | |---------|---------------|-------| | U₁ / U₂ | Tension primaire / secondaire | V | | Sₙ | Puissance apparente nominale | kVA | | f | Fréquence du réseau | Hz | | Classe d’isolation | Niveau de température admissible | Classe (A, E, B, F, H) | | Groupe de couplage | Configuration des enroulements (ex. Dyn11) | – | | N° de série | Identifiant du fabricant | – | | Poids | Masse totale | kg | > **La tension secondaire indiquée correspond à la tension à vide (sans charge) mesurée entre les bornes du secondaire.** ### 1.4 Symboles schématiques et représentation des couplages - **Étoile (Y)** : point neutre accessible, ligne de phase reliée à chaque enroulement. - **Triangle (Δ)** : pas de neutre, chaque enroulement relié en boucle fermée. - **Notation du groupe** : première lettre = couplage primaire (D = Δ, Y = Y), deuxième lettre = couplage secondaire, chiffre = déphasage en multiples de 30° (ex. 11 = 330°). ### 1.5 Méthode d’identification visuelle 1. Compter le nombre de borniers : 2 pour monophasé, 6 ou plus pour triphasé (avec éventuel neutre). 2. Rechercher le marquage « N » ou le symbole de terre pour identifier le neutre. 3. Observer la disposition des enroulements (enroulements en parallèle → étoile, en série → triangle). 4. Vérifier la présence d’un séparateur de phases (barre de neutre) sur le secondaire. ### 1.6 Exemple chiffré : lecture d’une plaque signalétique Un transformateur de distribution affiche : - U₁ = 20 000 V, U₂ = 400 V - Sₙ = 250 kVA - f = 50 Hz - Classe d’isolation = F - Groupe de couplage = Dyn11 - N° de série = TR2023-00158 Interprétation : couplage primaire en triangle (D), secondaire en étoile avec neutre accessible (Yn), déphasage de 330° (11 × 30°). ### 1.7 ACTIVITES D’INTEGRATION **Objectif** : permettre à l’élève de mettre en pratique l’identification sur des équipements réels. **Déroulement** (atelier de 2 h) : 1. Chaque groupe reçoit trois transformateurs (un monophasé de 5 kVA, un triphasé de 100 kVA en Dyn11, un triphasé de 250 kVA en YNyn0). 2. À l’aide d’une fiche d’identification, relever : nombre de borniers, présence du neutre, lecture de la plaque, schéma de couplage déduit. 3. Comparer les résultats avec le corrigé fourni par le professeur et discuter des écarts éventuels. > **Lors de l’identification, toujours vérifier que le transformateur est hors tension et mis à la terre avant de toucher les borniers.** --- ## II. ACTIVITES D’INTEGRATION Cette partie constitue le pont entre la théorie de la leçon 16 et la pratique de la leçon 17. Elle vise à renforcer les compétences suivantes : - **Observation critique** : distinguer visuellement un transformateur monophasé d’un triphasé sans recourir uniquement à la plaque. - **Communication technique** : rédiger un rapport d’identification contenant schéma, données relevées et conclusion. - **Travail en équipe** : répartir les tâches (lecture de plaque, mesure de continuité, schéma) et vérifier mutuellement les résultats. **Matériel nécessaire** : jeux de clés isolées, tournevis VDE, multimètre numérique, ruban isolant, fiches d’identification, affiches de consignes de sécurité. **Évaluation** : la fiche d’identification est notée sur 20 points (5 points pour la lecture correcte de la plaque, 5 pour le schéma de couplage, 5 pour la complétude du rapport, 5 pour le respect des consignes de sécurité). > **Toute anomalie (ex. borniers endommagés, isolation craquelée) doit être signalée immédiatement au responsable d’atelier.** --- ## III. Leçon 17 : Utilisation des appareils de mesure sur le transformateur ### 2.1 Appareils de mesure usuels | Appareil | Grandeur mesurée | Précision typique | Remarque d’usage | |----------|------------------|-------------------|------------------| | Voltmètre alternatif (V‑AC) | Tension U | ±0,5 % | Brancher en parallèle, respecter la catégorie de tension | | Ampèremètre alternatif (A‑AC) | Courant I | ±0,5 % | Brancher en série, utiliser un shunt ou une pince ampèremétrique | | Wattmètre | Puissance active P | ±1 % | Mesure simultanée de U et I, facteur de puissance intégré | | Ohmmètre de faible courant | Résistance d’enroulement R | ±1 % | Appliquer un courant de mesure < 10 mA pour éviter l’échauffement | | Mégohmmètre (500 V) | Résistance d’isolement R_iso | ±5 % | Tester entre enroulement et masse, valeur > 1 MΩ requise | | Analyseur de puissance | P, Q, S, cos φ | ±0,5 % | Utile pour les essais à vide et en court‑circuit | ### 2.2 Essai à vide (tension U₀, courant d’excitation I₀, perte P₀) 1. **Mise en place** : primaire alimenté à la tension nominale U₁, secondaire laissé en circuit ouvert. 2. **Mesure** : - U₀ mesurée aux bornes du secondaire avec le voltmètre. - I₀ mesurée dans le primaire avec l’ampèremètre. - P₀ mesurée avec le wattmètre (en série avec le primaire). 3. **Calcul** : - Courant d’excitation : \( I_0 = \frac{P_0}{U_1 \cos\varphi_0} \) (on mesure directement I₀, donc on vérifie la cohérence). - Pérte à vide : \( P_0 \) (en W). > **Lors de l’essai à vide, s’assurer que le secondaire est réellement ouvert (pas de charge résiduelle) afin d’éviter des courants de parasites.** ### 2.3 Mesure de la résistance d’enroulement (méthode du pont de Wheatstone ou ohmmètre à faible courant) - **Principe** : injecter un faible courant continu (I_mes) dans l’enroulement et mesurer la chute de tension (V_mes). - **Formule** : \( R = \frac{V_{mes}}{I_{mes}} \). - **Procédure** : 1. Déconnecter le transformateur du réseau. 2. Relier les bornes de l’enroulement à tester au ohmmètre (ou au montage pont). 3. Noter la valeur moyenne de plusieurs mesures (en changeant le sens du courant pour compenser les effets thermiques). > **La résistance mesurée doit être corrigée à la température de référence (20 °C) à l’aide du coefficient de température du cuivre (α ≈ 0,00393 / °C) : \( R_{20} = R_{mes} / [1 + α (T_{mes} - 20)] \).** ### 2.4 Essai de court‑circuit (tension V_sc, courant I_sc, perte P_sc) 1. **Mise en place** : court‑circuiter le secondaire (relier les trois phases entre elles, éventuellement avec une résistance de mesure connue pour limiter le courant). 2. **Alimentation** : appliquer une tension réduite sur le primaire jusqu’à ce que le courant du secondaire atteigne sa valeur nominale (ou une valeur de test prédéfinie). 3. **Mesure** : - V_sc : tension primaire nécessaire pour produire le courant de court‑circuit. - I_sc : courant secondaire mesuré avec la pince ampèremétrique. - P_sc : puissance mesurée par le wattmètre en primaire. 4. **Calcul** : - Impédance équivalente vue du primaire : \( Z_{eq} = \frac{V_{sc}}{I_{sc}} \) (si V_sc et I_sc sont référés au même côté). - Résistance équivalente : \( R_{eq} = \frac{P_{sc}}{I_{sc}^2} \). - Réactance équivalente : \( X_{eq} = \sqrt{Z_{eq}^2 - R_{eq}^2} \). > **L’essai de court‑circuit doit être réalisé avec un dispositif de limitation de courant (réactance ou résistance de démarrage) afin de protéger les appareils de mesure et le transformateur.** ### 2.5 Détermination des paramètres du modèle équivalent Le modèle T (ou π) du transformateur référé au primaire comporte : - Résistance d’enroulement primaire référée : \( R_1' = R_1 + a^2 R_2 \) (a = rapport de transformation). - Réactance de fuite primaire référée : \( X_1' = X_1 + a^2 X_2 \). - Pérte à vide : \( P_0 \) (correspond à la conductance du noyau G₀ et à la susceptance B₀). - Pérte en charge : \( P_{cc} = 3 I_{sc}^2 R_{eq} \). ### 2.6 Exemple chiffré complet **Données d’un transformateur 250 kVA, Dyn11, 20 kV/0,4 kV, 50 Hz** | Mesure | Valeur | Unité | |--------|--------|-------| | Tension à vide secondaire \(U_0\) | 400 | V | | Courant d’excitation primaire \(I_0\) | 5,0 | A | | Pérte à vide \(P_0\) | 1 200 | W | | Tension de court‑circuit secondaire \(V_{sc}\) | 40 | V | | Courant de court‑circuit secondaire \(I_{sc}\) | 625 | A | | Pérte en court‑circuit secondaire \(P_{sc}\) | 4 500 | W | **Étapes** 1. **Rapport de transformation** : \( a = \frac{U_1}{U_2} = \frac{20 000}{400} = 50 \). 2. **Impédance équivalente référée au secondaire** : \[ Z_{eq(sc)} = \frac{V_{sc}}{I_{sc}} = \frac{40}{625} = 0,064\;Ω \] \[ R_{eq(sc)} = \frac{P_{sc}}{I_{sc}^2} = \frac{4500}{625^2} = \frac{4500}{390 625} ≈ 0,0115\;Ω \] \[ X_{eq(sc)} = \sqrt{Z_{eq(sc)}^2 - R_{eq(sc)}^2} = \sqrt{0,064^2 - 0,0115^2} ≈ 0,063\;Ω \] 3. **Pour référer ces valeurs au primaire, on multiplie par \(a^2\)** : \[ Z_{eq} = a^2 \, Z_{eq(sc)} = 2500 × 0,064 = 160\;Ω \] \[ R_{eq} = a^2 \, R_{eq(sc)} = 2500 × 0,0115 ≈ 28,8\;Ω \] \[ X_{eq} = a^2 \, X_{eq(sc)} = 2500 × 0,063 ≈ 157,5\;Ω \] 4. **Pertes à vide** : déjà mesurée \(P_0 = 1,2\;kW\). **Pertes en charge (triphasée)** : \[ P_{cc} = 3 I_{sc}^2 R_{eq(sc)} = 3 × 625^2 × 0,0115 ≈ 13,5\;kW \] (Équivalentement, référée au primaire : \( P_{cc} = 3 I_{1(sc)}^2 R_{eq} \) avec \( I_{1(sc)} = I_{sc}/a = 12,5\;A \), donnant le même résultat.) > **Les valeurs obtenues (R_eq ≈ 0,0115 Ω côté secondaire, ≈ 28,8 Ω côté primaire ; X_eq ≈ 0,063 Ω côté secondaire, ≈ 157,5 Ω côté primaire) sont typiques pour un transformateur de distribution de cette puissance.** ### 2.7 Procédure pas à pas avec consignes de sécurité 1. **Mise hors tension** : ouvrir le disjoncteur upstream, vérifier l’absence de tension avec un voltmètre. 2. **Mise à la terre** : relier les masses du transformateur à la terre de l’atelier à l’aide d’une tresse de cuivre. 3. **Isolation des zones de travail** : utiliser des tapis isolants et des barrières de sécurité. 4. **Port des EPI** : gants isolants (classe 0), lunettes de protection, chaussures de sécurité. 5. **Vérification du matériel** : s’assurer que les cordons de mesure sont en bon état, que les pinces ampèremétriques sont adaptées au courant à mesurer. 6. **Réalisation des mesures** : suivre l’ordre recommandé (vide → résistance → court‑circuit) pour minimiser les échauffements. 7. **Remise en service** : retirer les mises à la terre, refermer le disjoncteur, effectuer un essai de tension sous charge légère avant de reprendre la pleine charge. > **Toute détection d’odeur de brûlé, de fumée ou de bruit anormal doit entraîner l’arrêt immédiat de l’essai et la notification du responsable de maintenance.** ### 2.8 Tableau récapitulatif des appareils et grandeurs mesurées | Essai | Appareil principal | Grandeur mesurée | Formule d’exploitation | |-------|-------------------|------------------|------------------------| | À vide | Voltmètre + Ampèremètre + Wattmètre | U₀, I₀, P₀ | \(P_0 = U_1 I_0 \cos\varphi_0\) | | Résistance d’enroulement | Ohmmètre faible courant | R₁, R₂ | \(R = V_{mes}/I_{mes}\) | | Court‑circuit | Voltmètre + Ampèremètre + Wattmètre | V_sc, I_sc, P_sc | \(Z_{eq}=V_{sc}/I_{sc}\), \(R_{eq}=P_{sc}/I_{sc}^2\) | | Isolement | Mégohmmètre | R_iso | \(R_{iso}>1 MΩ\) (acceptabilité) | --- ## Synthèse du chapitre - **Identification** : lire la plaque signalétique, compter les borniers, reconnaître le couplage (Y/Δ) et le groupe (ex. Dyn11). - **Essai à vide** : mesurer U₀, I₀, P₀ → déterminer les pertes noyau et le courant d’excitation. - **Résistance d’enroulement** : mesurer R₁, R₂ à faible courant, corriger à 20 °C. - **Essai de court‑circuit** : mesurer V_sc, I_sc, P_sc → calculer Z_eq, R_eq, X_eq. - **Paramètres équivalents** : R_eq, X_eq, P₀, P_{cc} permettent de modéliser le transformateur en régime permanent. - **Sécurité** : mise hors tension, mise à la terre, EPI, vérification du matériel, surveillance des anomalies. - **Documents** : fiche d’identification, feuille de relevé d’essais, rapport de conformité. > **Le rapport d’essai doit contenir : date, lieu, référence du transformateur, valeurs mesurées, calculs effectués, conclusion (conforme / non conforme) et signature du technicien.** --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Transformateur | Machine statique transférant de l’énergie électrique par induction, modifiant tension et courant selon le rapport des enroulements. | | Plaque signalétique | Étiquette fixée sur le transformateur indiquant ses caractéristiques électriques (tensions, puissance, fréquence, groupe, classe d’isolation, etc.). | | Groupe de couplage | Notation (ex. Dyn11) décrivant le type de couplage primaire/secondaire et le déphasage entre les tensions. | | Courant d’excitation (I₀) | Courant primaire nécessaire pour établir le flux magnétique à vide, responsable des pertes noyau. | | Pérte à vide (P₀) | Puissance active consommée par le noyau à tension nominale et secondaire ouvert. | | Résistance d’enroulement (R) | Résistance ohmsique des conducteurs des enroulements primaires et secondaires. | | Impédance équivalente (Z_eq) | Combinaison de résistance et de réactance vue du primaire, représentant les pertes en charge et la fuite de flux. | | Réactance équivalente (X_eq) | Composante imaginaire de Z_eq, due à la fuite du flux magnétique. | | Mégohmmètre | Appareil mesurant la résistance d’isolement (souvent à 500 V ou 1 kV) entre enroulements et masse. | | Court‑circuit (essai) | Condition où le secondaire est court‑circuité afin de mesurer la chute de tension nécessaire à faire circuler le courant nominal. | | Facteur de puissance (cos φ) | Rapport entre puissance active et puissance apparente, indicateur de l’efficacité de l’utilisation du courant. | | EPI | Équipements de Protection Individuelle (gants isolants, lunettes, chaussures de sécurité) obligatoires lors des interventions électriques. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Identification d’un transformateur de poste **Situation** : Vous intervenez sur un poste de transformation situé à Yaoundé. Le transformateur porte la plaque suivante : - U₁ = 15 000 V, U₂ = 400 V - Sₙ = 100 kVA - f = 50 Hz - Classe d’isolation = H - Groupe de couplage = YNyn0 - N° de série = POST-2022-0456 **Questions** : 1. Quel est le type de couplage primaire et secondaire ? 2. Quel est le rapport de transformation ? 3. Quelle est la tension secondaire à vide attendue ? 4. Le transformateur possède‑t-il un neutre accessible sur le secondaire ? **Corrigé** : 1. Le groupe YNyn0 indique : primaire en étoile (Y) avec neutre accessible (Yn), secondaire en étoile (Y) avec neutre accessible (n), déphasage 0° (0×30°). Donc primaire Y avec neutre, secondaire Y avec neutre. 2. Rapport de transformation \( a = \frac{U_1}{U_2} = \frac{15 000}{400} = 37,5 \). 3. La tension secondaire à vide est égale à la valeur indiquée sur la plaque : 400 V (entre phase et neutre) ou 400 V × √3 ≈ 693 V entre phases si le neutre n’est pas utilisé. 4. Oui, la présence du « n » dans le groupe indique que le secondaire possède un neutre accessible. --- ### Exercice 2 – Essai à vide et calcul des pertes noyau **Situation** : Lors d’un essai à vide sur un transformateur de 50 kVA, 11 kV/0,4 kV, vous relevez : - Tension primaire appliquée : U₁ = 11 000 V - Courant primaire mesuré : I₀ = 2,8 A - Puissance active mesurée : P₀ = 850 W **Questions** : 1. Calculer le facteur de puissance à vide. 2. Déterminer la composante active du courant d’excitation (I₀ cos φ) et la composante réactive (I₀ sin φ). 3. En déduire la conductance du noyau G₀ et la susceptance B₀ (en siemens) sachant que \( P₀ = U₁² G₀ \) et \( Q₀ = U₁² B₀ \) avec \( Q₀ = U₁ I₀ \sin\varphi \). **Corrigé** : 1. Facteur de puissance : \( \cos\varphi = \frac{P₀}{U₁ I₀} = \frac{850}{11 000 \times 2,8} = \frac{850}{30 800} ≈ 0,0276 \). 2. Composante active : \( I₀ \cos\varphi = 2,8 \times 0,0276 ≈ 0,077 A \). Composante réactive : \( I₀ \sin\varphi \) avec \( \sin\varphi = \sqrt{1-\cos²\varphi} ≈ \sqrt{1-0,00076} ≈ 0,9996 \). Donc \( I₀ \sin\varphi ≈ 2,8 \times 0,9996 ≈ 2,799 A \). 3. Conductance du noyau : \( G₀ = \frac{P₀}{U₁²} = \frac{850}{(11 000)²} = \frac{850}{121 000 000} ≈ 7,02 × 10^{-6} S \). Puissance réactive : \( Q₀ = U₁ I₀ \sin\varphi = 11 000 \times 2,8 \times 0,9996 ≈ 30 770 VAR \). Susceptance : \( B₀ = \frac{Q₀}{U₁²} = \frac{30 770}{121 000 000} ≈ 2,54 × 10^{-4} S \). --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention | |------------------|-------------|---------------------| | **Ne pas mettre le transformateur à la terre avant de toucher les borniers** | Risque de choc électrique dû à des potentiels flottants ou à des courants de fuite. | Toujours relier la masse du transformateur à la terre de l’atelier avec une tresse de cuivre vérifiée avant toute intervention. | | **Utiliser un ampèremètre destiné aux courants faibles pour mesurer le courant d’excitation** | Surcharge de l’appareil, dégradation du shunt, lecture erronée. | Choisir un ampèremètre ou une pince ampèremétrique adaptée au courant à mesurer (généralement quelques ampères à plusieurs centaines d’ampères). | | **Effectuer un essai à vide avec le secondaire partiellement chargé (ex. résistance de charge laissée en place)** | Courant d’excitation faussé, surestimation des pertes noyau, risque de surchauffe. | Vérifier visuellement que le secondaire est réellement ouvert ; retirer toute charge ou résistance de mesure avant l’essai. | | **Ne pas corriger la résistance mesurée à la température de référence** | Valeur de R erronée leading to mauvais calcul des pertes en charge. | Appliquer la correction de température : \( R_{20} = R_{mes} / [1 + α (T_{mes} - 20)] \) avec α ≈ 0,00393 / °C pour le cuivre. | | **Oublier de vérifier l’isolement avant de remettre sous tension** | Court‑circuit interne, déclenchement de protection, dommages matériels. | Mesurer la résistance d’isolement avec un mégohmmètre (valeur > 1 MΩ) avant toute remise sous tension. | | **Utiliser un voltmètre de catégorie inférieure à la tension présente** | Surcharge de l’appareil, risque d’arc électrique, blessure. | Sélectionner un instrument de mesure adapté à la catégorie de tension (CAT III ou CAT IV selon l’installation) et vérifier son état avant usage. | --- *Fin du cours.*