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Schéma des principaux composants du transformateur

Processus de fabrication des transformateurs

Noyau du transformateur

Le contenu principal de cette introduction sur le noyau du transformateur porte sur la découpe, l'empilage, la fixation du noyau et les dernières technologies d'empilage visant à réduire les pertes à vide.

2. Noyau du transformateur

Le noyau est l'élément de base du transformateur. Il se compose d'un conducteur magnétique et d'un dispositif de fixation. Il remplit deux fonctions : en principe, le conducteur magnétique du noyau de fer constitue le circuit magnétique du transformateur, convertissant l'énergie électrique du circuit primaire en énergie magnétique, puis de sa propre énergie magnétique en énergie électrique pour le circuit secondaire, qui est le fluide caloporteur. Structurellement, le noyau de fer supporte tous les composants internes du transformateur, tels que le bâti et les conducteurs.

Le noyau de fer du transformateur est une structure fermée en forme de cadre. La partie qui recouvre la bobine est appelée colonne du noyau. La partie qui ne recouvre pas la bobine et qui assure uniquement la fermeture du circuit magnétique est appelée noyau de fer.

Types de noyaux de fer

Selon la position relative de l'enroulement et du noyau de fer, ce dernier se divise en deux catégories : à noyau central et à noyau tubulaire. Seul le noyau à noyau central est présenté ici. Pour les transformateurs monophasés, le noyau de fer peut présenter plusieurs configurations : à deux colonnes, à une ou quatre colonnes, ou à deux ou quatre colonnes.

Pour les transformateurs triphasés, le noyau de fer présente plusieurs configurations : à deux colonnes (triphasé à trois colonnes), à trois colonnes et à quatre colonnes (triphasé à cinq colonnes). Le choix de la structure du noyau dépend de plusieurs facteurs, tels que l’agencement optimal des enroulements, l’économie de matériaux et les contraintes de hauteur pour le transport. Un système de dérivation permet de réduire les cinquième et septième ondes du flux de fuite et du courant de magnétisation.

Bande d'acier électrique (tôle d'acier au silicium) :

Le matériau utilisé pour le conducteur magnétique à noyau de fer est une bande d'acier électrique à haute teneur en silicium, également connue sous le nom de tôle d'acier au silicium.

Il existe deux types de tôles d'acier au silicium : laminées à froid et laminées à chaud. Les tôles d'acier au silicium laminées à froid se divisent en deux catégories : non orientées et orientées.

Les propriétés magnétiques des tôles d'acier au silicium laminées à chaud sont médiocres : leur induction magnétique n'atteint que 1,5 T et leurs pertes unitaires sont trop importantes, ce qui explique leur abandon. En revanche, les tôles d'acier au silicium à grains orientés laminées à froid présentent une forte directivité, une induction magnétique à saturation élevée, de faibles pertes unitaires et une capacité d'excitation unitaire élevée, ce qui explique leur large utilisation actuelle.

L'épaisseur des tôles d'acier au silicium à grains orientés laminées à froid présente plusieurs spécifications, telles que 0,35 mm, 0,3 mm, 0,27 mm, 0,23 mm, etc. La plus couramment utilisée est de 0,3 mm, et elle est de plus en plus réduite, son principal objectif étant de réduire les pertes transversales à vide.

·Actuellement, les principales zones de production de tôles d'acier au silicium sont le Japon, l'Europe occidentale, la Russie, la Corée du Sud et l'usine sidérurgique chinoise de Wuhan.

Les spécifications des tôles d'acier au silicium à grains orientés laminées à froid sont principalement représentées par l'épaisseur et la perte unitaire (W/kg) lorsque la densité de flux magnétique de 50 Hz est de 1,7 T, par exemple :

• Nouvelle tôle d'acier au silicium développée grâce à une technologie d'irradiation laser et de gravure mécanique

Cisaillement de la tôle d'acier au silicium du noyau de transformateur :

À son arrivée en usine, la tôle d'acier au silicium se présente sous forme de bobine d'environ 1 000 mm de large. Elle doit être découpée à la forme requise à l'aide d'un équipement de cisaillement spécial (tel que la cisaille à fil Georger allemande). L'ébavurage de chaque tôle ne doit pas excéder 0,02 mm.

Empilement des noyaux de fer :

●Comme la bobine d'un transformateur à noyau est circulaire, la section du noyau devrait l'être également. Cependant, sa fabrication étant complexe et coûteuse, on opte pour une structure cylindrique étagée. Chaque gradin forme un rectangle dont la limite extérieure se situe sur le même cercle circonscrit. Le nombre de gradins étant limité, il convient de l'évaluer en fonction des avantages économiques.

●Lors de l'empilement des noyaux de fer, la colonne du noyau et les éléments du noyau de fer de la culasse sont assemblés par recouvrement alterné, à l'aide d'une ou plusieurs pièces, de sorte que les joints bout à bout des couches supérieures et inférieures de tôles d'acier au silicium soient décalés et se recouvrent mutuellement. Le courant d'excitation et les pertes à vide sont ainsi réduits, tout en améliorant la résistance.

Assemblage par recouvrement d'une pièce à noyau de fer :

Actuellement, le noyau du transformateur est assemblé par un joint oblique complet, c'est-à-dire que l'angle entre la colonne du noyau et la culasse est de 45°. Ce type d'assemblage est parfaitement adapté aux caractéristiques des tôles d'acier au silicium orienté à haute perméabilité magnétique couramment utilisées. Il permet d'obtenir un circuit magnétique aussi homogène que possible.

Pour les noyaux de transformateurs de grande taille à joints d'onglet complets, l'empilement est généralement réalisé en deux étapes. Afin d'améliorer encore les caractéristiques à vide du noyau, on utilise une structure à joints multiples, appelée noyau StepLap.

Dans le noyau feuilleté, les joints des tôles d'acier au silicium sont décalés. Lorsque le flux magnétique d'une tôle rencontre l'entrefer au niveau du joint, la résistance magnétique de cet entrefer est plusieurs milliers de fois supérieure à celle de la tôle d'acier au silicium. La majeure partie du flux traverse les tôles adjacentes qui pontent ce joint. Le flux magnétique initial des tôles au niveau des pontages et les flux magnétiques de pontage se superposent. La densité de courant peut atteindre la saturation, ce qui entraîne une forte augmentation des pertes à vide et du courant à vide dans la zone du joint (localement), et donc une augmentation des pertes à vide globales.

Le recouvrement étagé est une nouvelle technologie de lamination adoptée cette année, qui permet d'améliorer la densité magnétique de la tôle d'acier au silicium dans la zone de jointure, réduisant ainsi efficacement les pertes à vide et le bruit de la partie centrale.

Isolation du noyau :

L'isolation du noyau de fer influe directement sur la qualité du produit. Cette isolation se divise en deux parties : l'isolation entre les tôles et l'isolation entre les tôles et les éléments de structure.

L'isolation entre les puces est principalement réalisée par deux moyens : d'une part, le revêtement de la surface de la feuille laminée, et d'autre part, le placement d'une couche de carton isolant d'une certaine épaisseur dans chaque pile lors du processus d'empilement, qui sert également de canal d'évacuation de l'huile thermique.

Dans les transformateurs de grande capacité, afin que la chaleur générée dans le noyau de fer soit évacuée par l'huile de transformateur en circulation, des canaux d'huile de refroidissement sont aménagés dans la colonne du noyau et la culasse. Ces canaux peuvent être réalisés en tôle d'acier au silicium découpée en plaques ondulées ou en barres d'acier soudées sur des tôles d'acier au silicium. Pour les noyaux de transformateurs à joints obliques complets, des lamelles en matériau non métallique sont utilisées pour séparer les canaux d'huile afin de réduire les pertes.

Mise à la terre du noyau de fer :

Lors du fonctionnement d'un transformateur, les potentiels générés varient en fonction de la position du noyau de fer et de ses structures métalliques dans le champ électrique. Lorsque la différence de potentiel entre deux points atteint une certaine valeur, un phénomène de décharge se produit. Cette décharge peut entraîner la décomposition de l'huile du transformateur ou l'endommagement de l'isolation solide. Afin d'éviter ce phénomène, le noyau de fer et ses éléments métalliques doivent être efficacement mis à la terre.

Accessoires pour noyau de fer

Partie II. Enroulement du transformateur

La partie relative à l'enroulement du transformateur concerne principalement le fil et la méthode d'enroulement.

La bobine constitue le circuit électrique d'entrée et de sortie de l'énergie électrique du transformateur et en est le composant de base. Les bobines doivent être conçues pour répondre aux exigences fondamentales suivantes :

1. Force électrique

tension de tenue aux impulsions de foudre

tension de tenue aux impulsions de fonctionnement

tension de tenue à fréquence industrielle

2. résistance à la chaleur

Sous l'effet de la chaleur générée par le courant de fonctionnement à long terme, la durée de vie de l'isolation de la bobine ne doit pas être inférieure à 20 ans.

Dans les conditions de fonctionnement du transformateur, un court-circuit soudain se produit à n'importe quelle extrémité de la ligne, et la bobine doit pouvoir résister à la chaleur générée par le courant de court-circuit sans dommage.

3. Résistance mécanique

type de bobine ;

Le type de bobine est principalement choisi en fonction de sa capacité de relaxation, notamment sa tension, mais aussi de sa rigidité diélectrique, de sa résistance mécanique, de sa capacité de dissipation thermique et de la faisabilité du processus de fabrication. Le choix de la structure de la bobine n'est pas unique ; plusieurs configurations sont parfois possibles. Cela est lié aux pratiques traditionnelles des différents fabricants de transformateurs.

Les bobines de transformateur se divisent en deux grandes catégories : les bobines multicouches et les bobines en forme de galette. Les bobines à broches se déclinent en plusieurs types : spirales, continues, enchevêtrées, continues enchevêtrées, continues à blindage interne et à structure décalée.

Fil de bobine :

On distingue les fils de bobinage en cuivre et en aluminium selon leur matériau conducteur, les fils ronds et plats selon leur forme, et les fils de papier, de peinture et de verre selon leur matériau isolant. Les transformateurs de puissance utilisent généralement des fils d'acier plats gainés de papier.

Le fil d'acier plat recouvert de papier peut être classé en plusieurs types : fil recouvert de papier ordinaire, fil combiné, fil transposé et autres. Selon sa résistance à la traction, on distingue le fil ordinaire (0 ≤ 120 MPa) et le fil de cuivre semi-dur (120 MPa < 0,2 ≤ 210 MPa). Parmi ces derniers, on trouve également le fil transposé auto-adhésif, c'est-à-dire un fil plat unique recouvert d'une couche de résine époxy (l'épaisseur du film de peinture sur les deux faces est de…).

L'objectif (0,06 ± 0,02 mm) est de solidariser tous les petits fils après le durcissement thermique du film de peinture, afin d'améliorer la résistance aux courts-circuits de la bobine. Actuellement, la dernière technologie de câblage par transposition est utilisée et des lignes de production correspondantes ont été mises en place en Chine.

Les fils de bobinage peuvent être classés en fils de cuivre et d'aluminium selon le matériau conducteur, en fils ronds et fils plats selon leur forme, et en fils de papier, de peinture ou de verre selon le matériau isolant. Les transformateurs de puissance utilisent généralement des fils de cuivre plats gainés de papier.

Le fil de cuivre plat gainé de papier se divise en plusieurs types : fil gainé de papier ordinaire, fil combiné, fil transposé et autres. Selon la résistance à la traction du cuivre, on distingue le fil ordinaire (0,2 ≤ 120 MPa) et le fil de cuivre semi-dur (120 MPa < 0,00 ≤ 210 MPa). Parmi ces fils, on trouve également le fil transposé auto-adhésif : chaque fil plat est recouvert d’une couche de résine époxy (épaisseur du film : 0,06 ± 0,02 mm sur les deux faces). Après polymérisation, la résine colle les fils entre eux, augmentant ainsi la résistance aux courts-circuits de la bobine. Actuellement, le fil transposé en bobine est largement utilisé et des lignes de production correspondantes ont été mises en place en Chine.

Les enroulements sont généralement divisés en deux types : les enroulements en couches et les enroulements en forme de tarte.

Les spires de l'enroulement sont disposées et enroulées en continu dans le sens axial, ce qui correspond à un enroulement multicouche. Chaque couche est semblable à un cylindre. Enroulement cylindrique.

Les spires de l'enroulement sont enroulées en continu dans le sens radial pour former une structure en forme de part de tarte (ou de segment). L'enroulement composé de nombreux segments disposés axialement est appelé enroulement en tarte. Ce type d'enroulement comprend les enroulements capacitifs continus, enchevêtrés et insérés.

Formes d'enroulement courantes :

Les enroulements courants sont cylindriques, spiralés, continus et enchevêtrés.

Le bobinage cylindrique est le plus simple et se compose généralement d'une ou plusieurs spires. Lors du bobinage, chaque spire est enroulée presque à la suite le long de l'axe du moule, à la manière d'un ressort hélicoïdal. Il se caractérise par un bobinage simple, une bonne finition et une bonne dissipation thermique grâce aux passages d'huile entre les couches, mais par de faibles surfaces d'appui aux extrémités et une faible résistance mécanique.

Le bobinage en spirale est réalisé avec un fil plat dont les spires, espacées d'un canal d'huile grâce à des entretoises isolantes, sont espacées de manière espacée, à la manière d'un ressort hélicoïdal. Ce procédé présente l'avantage d'une fabrication simple et d'un canal d'huile permettant la dissipation de la chaleur ; en revanche, il n'est pas adapté aux bobinages comportant un grand nombre de spires.

Le type spiralé est constitué de plusieurs fils enroulés en parallèle sur la chambre à air rigide du pneu. On peut réaliser un enroulement simple, double ou quadruple avec davantage de fils. Lors du raccordement de plusieurs fils en parallèle, il est impératif de les inverser afin d'éviter un courant de circulation dû à leur longueur inégale.

Le bobinage continu est constitué d'un ou plusieurs fils plats enroulés en continu, selon un procédé spécifique, en une pluralité de segments de fil en forme de part de tarte sur un cylindre isolant ou des supports de moule. Ses avantages résident dans sa haute résistance mécanique et ses bonnes performances de dissipation thermique. Cependant, le procédé de bobinage est plus complexe.

La connexion entre le fil continu et le fil enroulé se fait alternativement à l'intérieur et à l'extérieur de l'enroulement, de sorte que tant que la longueur du fil est suffisante, il peut être enroulé en un enroulement continu sans joints de soudure.

L'enroulement capacitif inséré est réalisé en insérant un fil (fil blindé) présentant une capacité longitudinale entre les spires, à l'intérieur de la face externe du bobinage continu. Le diamètre du bobinage et le nombre de spires insérées sont déterminés en fonction de la capacité requise. Le fil blindé étant isolant, on utilise généralement des fils très fins.

L'enroulement capacitif inséré est continu, ce qui permet de réduire considérablement le nombre de points de soudure par rapport à un enroulement enchevêtré. Le nombre de spires du fil de blindage inséré est ajustable, permettant ainsi de moduler la capacité longitudinale selon les besoins. Actuellement, il est largement utilisé dans les enroulements des transformateurs de grande puissance (110 kV et plus).

transposition de fil

Lorsque le courant du transformateur est important, les spires de la bobine sont constituées de plusieurs fils conducteurs parallèles. Sans intervention, le fil proche de l'axe central est court, tandis que celui éloigné de l'axe central est long. Du fait de ces différences de longueur et de position dans le champ magnétique, la résistance et la réactance inductive des fils sont déséquilibrées, ce qui entraîne une répartition inégale du courant entre les conducteurs. Afin d'assurer une répartition uniforme du courant et de réduire les pertes supplémentaires, il est nécessaire d'inverser la position des conducteurs parallèles ; cette opération est appelée « transposition ».