TRANSFORMATEURS (PROPREMENT DITS

Les appareils appartenant à cette classe constituent les transformateurs proprement dits, et sont de beaucoup les plus nombreux. Leur puissance varie entre quelques watts et 1 800 kw, et, pour ces derniers, le rendement atteint 98 pour 100 à pleine charge non inductive, ce qui fait du transformateur le meilleur appareil industriel actuellement connu.

Après avoir reçu bien des formes et bien des dispositions plus ou moins compliquées, le transformateur est devenu aujourd’hui un appareil très simple constitué, en principe, par un circuit magnétique entouré de deux circuits électriques, le circuit inducteur et le circuit induit. Le circuit magnétique est généralement constitué par deux noyaux en feuilles de tôle douce mince et isolées, réunis par des traverses constituées de la même façon. Le métal doit avoir un faible coefficient de Steinmetz. Ce circuit doit être le moins réluctant possible et offrir les plus grandes facilités de refroidissement.

Les circuits électriques, toujours en cuivre pour la haute tension, quelquefois en aluminium pour la basse tension, doivent s'imbriquer le mieux possible, afin de réduire la dispersion magnétique. Ils sont disposés concentriquement ou alternés, sandicichés. Le circuit à une tension est souvent en barres nues, séparées par du papier isolant ou de l’amiante, roulées directement sur le noyau, afin de réduire la longueur de l’enroulement.

Les transformateurs de petite puissance ont toujours une surface suffisante pour le refroidissement. Les transformateurs puissants, au contraire, malgré leur rendement plus élevé, s’échauffent davantage. On empêche un échauffement exagéré en prévoyant, dans la construction, une circulation d’air autour des noyaux et des bobines, en faisant de la ventilation artificielle, ou en plongeant le transformateur dans de l'huile de pétrole dense renfermée dans une cuve métallique ronde ou prismatique à ailettes, en vue de faciliter le rayonnement et la convection. L’huile sert à conduire la chaleur dégagée dans le transformateur sur les parois de la cuve qui la refroidit.

Proportions des transformateurs. — Un transformateur alimentant un réseau de lumière doit encore fournir une tension aussi constante que possible sous différentes charges; car les transformateurs sont des appareils qui ne doivent nécessiter aucun service. La constance de la tension sous charge variable est nécessaire par le fait qu’il n’arrive jamais que tous les transformateurs d’une installation soient également chargés, tandis que la tension primaire est tenue régulièrement constante à la station génératrice.

L’abaissement de tension des transformateurs d’éclairage n’est, suivant la puissance, que de 1,5 à 3 pour 100 entre marche à vide et pleine charge, la tension primaire supposée constante. Le rendement industriel est de 93 à 98 pour 100, la perte dans le fer variant entre 1 et 4 pour 100 suivant la grandeur. Le rendement journalier d’un transformateur constamment branché sur le réseau est donc très élevé comme force, ce qui est très important pour les installations utilisant la vapeur motrice.

Les transformateurs pour distribution d’énergie sont proportionnés autrement que les transformateurs d’éclairage. En effet, une mise en marche facile des moteurs exige que l’abaissement de tension produit par leur mise en circuit soit aussi faible que possible, même sous charge variable des moteurs, ür, ceci est d’autant plus difficile à obtenir que la chute de tension produite par le décalage de phase du courant est bien supérieure à celle causée par la résistance ohmique des bobines. Il est donc nécessaire de dimensionner largement les transformateurs et de les construire de façon que, même en cas de surcharge momentanée, la perte de tension soit aussi petite que possible ; on amoindrit ainsi le rendement du transformateur à faible charge ; ceci n’a toutefois qu'une importance secondaire, car, dans le transport et la distribution de l’énergie, c’est le rendement en charge normale qui entre sui tout en ligne de compte, ainsi que dans

TRANSFORMATEURS INSTANTANÉS OU IMMÉDIATS

toutes les applications pour lesquelles le transformateur fonctionne longtemps à pleine charge et peu de temps à vide.

Ne pouvant décrire ici tous les transformateurs exposés, nous insisterons plus particulièrement sur les types pour lesquels nous avons pu obtenir des détails de construction ou de fonctionnement.

Transformateurs Schnaider et Gic. — Ces transformateurs (fig. 3, 4, 5 et 6) sont du lype cuirassé à circuit magnétique fermé. La partie fer de ces appareils est constituée par deux

Fig. 3, 4 et 3. — Transformateur à courants alternatifs simples de 10 kilovolts-ampères Schneider et C‘\

Fig. 5. — Vue en plan.

paquets de tôle en forme d’E, les bras des E étant en regard. Les bobines primaires et secondaires, très aplaties, sont disposées verticalement et embrassent le bras médian du faisceau de tôles, de manière à remplir l’espace laissé libre à l’intérieur du faisceau. Les deux paquets de tôle sont maintenus serrés l’un contre l’autre au moyen de boulons s’appuyant sur quatre montants en fer forgé appliqués deux par deux sur les grands côtés des E. Une gaine en tôle fixée contre les montants protège le transformateur et facilite la ventilation en formant cheminée d’appel.

L’ELECTRICITE A L’EXPOSITJON

Une plaque en fonte placée à la partie supérieure supporte les bornes par l'intermédiaire d'une plaque isolante; des manilles de levage sont fixées aux montants ; lorsque le transforma¬

teur doit être isolé du sol, on scelle les pieds des montants dans des isolateurs en porcelaine.

Les bobines primaires sont ordinairement en fil, les bobines secondaires en ruban de cuivre utilisant mieux l’espace disponible. L’isolement de ces bobines, direclement en

Fig. 6. — Transformateurs Schneider.

contact avec le noyau, est très soigné, et elles peuvent supporter sans inconvénient une tension

double de celle normale.

La série courante de ces transformateurs comprend 11 types, dont les puissances varient de 0,5 à 30 kilovoltsampères.

Le rendement à pleine charge est de 0,90 pour le plus petit modèle, de 0,98 pour le plus gros ; la chute de tension totale entre la marche en charge et celle à vide ne dépasse pas 2 pour 100 pour cos œ — 1, et 4 pour 100 pour cos (j> — 0,7.

Les figures 3, 4 et 5 se rapportent à un transformateur de ce type d’une puissance de 10 kilovolts-ampères. Le primaire prend normalement

IndxcctiOfi/ rnaJCÙmCL en c/cllc&s' .

Fig. 7. — Transformateur à courants alternatifs simples de 10 kilovolts-ampères.

. Rendement en fonction delà puissance utile. — 0 1, Élévation de température des tôles en fonction du temps. — 0/., Élévation de température des bobines en fonction du temps. — Pu, Puissance absorbée à vide en fonction de l’induction maxima.

une intensité de 3,4 ampères sous une différence de potentiels de 2 875 volts, le secondaire

TRANSFORMATEURS INSTANTANÉS OU IMMEDIATS 1-Ii

fournissant, une intensité de 86 ampères, sous une différence de potentiel de 115 volts; la fréquence est de 42 périodes par seconde. L’induction maxima est de 7 350 gauss.

L'enroulement primaire comprend 3 bobines de chacune 283 spires d’un fil guipé de 2 mm nu. L’enroulement secondaire est constitué par 2 bobines de chacune 34 spires d’un ruban ayant 22 mm de largeur et 1,8 mm d’épaisseur.

f^es courbes de la figure 21 sont relatives aux essais effectués sur cet appareil.

Fig. S. — Transformateurs à courants alternatifs simples Schneider et O.

Pour les puissances supérieures à 30 kw, et jusqu'à 100 kw, les transformateurs sont étudiés spécialement suivant les besoins et sont soit du type à colonnes, soit du type à noyaux multiples.

Transformateur à courants alternatifs simples à noyaux multiples de 50 kilovolts-ampères.

— Ce transformateur (/îg. 9, 10 et 11) possède 4 noyaux de tôles indépendants placés en croix; chacun des noyaux est formé de deux paquets de tôles en forme d’U, appliqués l'un contre l’autre par les extrémités des branches des U ; on obtient ainsi un circuit magnétique fermé avec un vide intérieur pour loger les enroulements.

Les bobines primaires et secondaires, en forme de couronnes de section rectangulaire, sont alternées : il y a deux bobines secondaires en ruban de cuivre et trois bobines primaires en fil.

Le sectionnement en deux parties des noyaux rend aisée la mise en place des bobines ; les noyaux sont fortement serrés l’un contre l’autre entre une embase et un couvercle en fonte au moyen de quatre boulons.

Une tige centrale fixée à l’embase traverse le couvercle et est munie d’un anneau de levage ; une tôle perforée entoure le transformateur latéralement.

Ce transformateur présente une grande surface de refroidissement pour un faible volume de tôles; la disposition adoptée permet en outre de réaliser des appareils puissants avec un nombre de bobines réduit et d’obtenir un montage facile.

Le transformateur exposé de 50 kilovolts-ampères présente les constantes suivantes :

Tension, en volts .

Intensité, en ampères .

Nombre de bobines .

Diamètre du fil nu, en mm. . . .

Dimensions du ruban, en mm Nombre de spires par bobine.

Rapport de transformation . . .

Induction maxima, en gauss..

Fréquence, en périodes : s...

Primaire.

3 en tension

Secondaire.

2 en parallèle.

Élévation et coupe partielle.

Coupe horizontale.

Fig. 9. — Transformateur à courants alternatifs simples à noyaux multiples de 50 kilovolts-ampères.

Les figures donnent une vue de face avec coupe verticale partielle et une coupe horizontale de ce transformateur. La figure 10 en est une vue d’ensemble.

1 es courbes de la figure 11 se rapportent à des résultats d’essais effectués sur cet appareil.

TRANSFORMATEURS INSTANTANES OU IMMEDIATS

Nous ferons remarquer, à propos de ces résultats, que l'on retrouve d’ailleurs, dans tous les transformateurs de construction récente à un degré équivalent, (pie le rendement reste très

Fig. 10. — Vue d’ensemble du transformateur Schneider à noyaux multiples de 50 kilovoll s-ampères.

élevé à toutes les charges, ce qui est favorable à une bonne utilisation journalière, même lorsque l’appareil reste toujours en circuit. Les progrès dans cette voie doivent être attribués, d’une

Picûrsance, uXzLe, eru kCLozoatùr .

o 2000 zooo 3ooo booo Sooo 6ooo 7000 8000

IndiLctiorv mascûncu en, g azurs

Fin. 11, — Transformateur à courants alternatifs simples à noyaux multiples de 50 kilovolts-ampères.

r,, Rendement en fonction de la puissance utile. — Ot, Élévation do température des tôles en fonction du temps. — 0//, Élévation de température des bobines en fonction du temp«. — A\<, Puissance absorbée à vide en fonction de l'induction maxima.

part, à la qualité excellente des lôles livrées par l’industrie métallurgique, d’autre part à de judicieuses proportions entre les éléments qui entrent dans la construction des transformateurs.

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Fio. 12. — Transformateur de la Société alsacienne de Constructions mécaniques.

électrolytique, sont soigneusement isolés, et fixés sur les carcasses de ces bobines, faites d’une matière isolante. L’appareil est monté sur un socle en fonte, et protégé par une chemise en tôle perforée.

Transformateurs des ateliers d’Oerlikon. — Ces transformateurs ont des noyaux verticaux formés de leuilles de tôle de 0,i! mm d’épaisseur, isolées par des feuilles de papier. Les enroulements sont constitués par des bobines cylindriques concentriques séparées par un manchon en matière isolante. La bobine de grosse intensité est toujours à l'intérieur, afin de réduire la longueur du circuit électrique et, par suite, sa résistance. Voici les données relatives aux types courants exposés :

Fréquence . 50 périodes par seconde.

Ëctuiuffement accepté du fer . 00° C.

— fd gros . 60° G.

— fil fin . 40° C.

Le transformateur est constitué par deux colonnes verticales et deux traverses verticales, dont la longueur est égale à 8 S étant la section des colonnes en tôles sur lesquelles sont disposés les enroulements.

Dans le tableau ci-après :

P est la puissance utile, en kilowatts ;

93, l'induçtion, en kilogauss ;

*S, la section des noyaux, en cm2;

l, la longueur des noyaux, en cm ;

Transformateurs de la Société alsacienne de Constructions mécaniques ( fig . 12). — Les noyaux du transformateur sont constitués par des tôles de grande perméabilité magnétique solidement assemblées, sur lesquelles sont montées les bobines primaires et secondaires. Les enroulements haute et basse tension, constitués tantôt par du fil, tantôt par du ruban de cuivre

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WAvAVéVAV*****

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TRANSFORMATEURS INSTANTANES OU IMMEDIATS

— > la densité du courant dans le gros fil, en a : mm2 ;

—, la densité du courant dans le fil fin, en a : mm2 ; s2

NI

— la force magnétisante à vide,en ampères-tours par cm ; ». le rendement, en pour 100, à pleine charge non inductive.

*^max

kilowatts

kilog-auss

cm-

cm

a : mm-

a : mm-

A-t : cm

En pour 100

la

Enroulement basse tension seul.

Avec les deux enroulements concentriques.

Fie. 13. — Transformateur à courants alternatifs simples des ateliers d'Oerlikon.

Transformateur Farcot de 250 kilowatts. — Cet appareil transforme une tension de 88 volts en une tension de 6 000 volts. 11 se compose de noyaux verticaux de 1,2 m de hauteur, disposés dans le même plan et réunis par deux traverses horizontales dans lesquelles ils s’encastrent. Ces traverses sont serrées dans des bâtis en fonte; le bâti inférieur forme socle et est

réuni au bâti supérieur par des tirants. Les noyaux extrêmes et les traverses ont une section utile de 790 cm2, le noyau central de 790 \/2 = 1 110 m2 ; ces noyaux sont formés de tôles de 0,6 mm d’épaisseur isolées au papier goudron.

La basse tension comporte deux bobines de 14 spires de 15 câbles de 93 mm2 de section, reliés en parallèle par des cercles de cuivre. Chaque bobine est montée sur un des noyaux.

Fig. 14. — Transformateur Farcot, 230 kilowatts, 6 000 volts.

Le circuit à haute tension est formé, pour chaque noyau, de six bobines isolées au mica, superposées autour de la bobine de basse tension. Chaque bobine se compose de 161 spires de fil de 5,5 mm de diamètre.

Le rendement relevé de cet appareil est de 97,5 pour 100, et réchauffement maximum des parties les moins refroidies de 45° C. au-dessus de la température ambiante.

Transformateurs de la Compagnie générale électrique de Nancy [fig. 15). — Ces transformateurs ne comportent qu’un seul bobinage à haute tension et un seul bobinage à basse tension ; on les emploie pour la transformation des courants alternatifs simples ou diphasés; dans ce dernier cas, ils sont groupés par deux, un pour chaque phase.

Les bobines primaires de haute tension sont constituées par une série de bobines élémentaires superposées, isolées les unes des autres et couplées en tension.

Le noyau en fer est formé de tôles très minces isolées soigneusement, serrées et maintenues entre des flasques en fonte boulonnées entre elles.

TRANSFORMATEURS INSTANTANÉS OU IMMÉDIATS 1-17

Les bobines primaires et les bobines secondaires sont enroulées mécaniquement et isolées par un procédé spécial. Les transformateurs sont construits normalement pour des tensions allant jusqua 7 500 volts pour courants alternatifs simples, et jusqu a 10 000 volts pour courants triphasés ; ils sont calculés pour une fréquence de 40 à 60 périodes par seconde.

La puissance maxima d’un transformateur est atteinte lorsqu'il fonctionne sur charge non inductive. Quand le transformateur alimente des moteurs asynchrones, sa puissance réelle diminue et diffère de la puissance apparente d une quantité correspondant au facteur de puissance, ainsi que le rendement.

Pour charge inductive, ces rendements diminuent dans la proportion de :

3 pour 100 pour des transformateurs dont le rendement est entre 91 et 92 pour 100 2 — — — 93 et 95 —

i — — — 96 et 97 —

Transformateur Ganz et Gie. — La puissance apparente de ce transformateur est de 300 kilovolts-ampères, pour une tension de 5 000 volts au primaire, de 430 volts au secondaire et une fréquence de 42 périodes par seconde. Le noyau de ce transformateur (fîg. 16) se compose de deux colonnes verticales lamellées d’une section circulaire et de deux culasses horizontales lamellées ; le noyau forme donc un circuit magnétique simple. Tout le transformateur repose sur un support en fonte partagé en deux, qui contient la pièce de jonction inférieure du noyau. Les deux parties sont liées à la construction supérieure en fonte par de forts boulons, tandis que la partie supérieure du noyau est tenue ensemble par des barreaux, de sorte que la construction de fer forme un tout compact. Sur le noyau sont enfilées directement les bobines primaires: celles-ci sont entourées des bobines secondaires, laissant entre elles un espace favorable à la ventilation. Dans le même but, le noyau est aussi muni d’espaces d’air dans le sens de la lamellation, qui rendent possible une ventilation efficace. Les bobines secondaires sont des barres de cuivre nu d'une section carrée de 25 mm de côté. Avec cette disposition des bobines, les fuites magnétiques sont ainsi plus faibles qu’en disposant les enroulements primaire et secondaire à

Fig. 13. — Transformateurs de la Compagnie générale électrique de Nancy.

la suile l'un «le l'autre; néanmoins un contact avec les bobines à haute tension est rendu tout à l'ait impossible.

Avec une ventilation artificielle par un ventilateur centrifuge de 750 watts et à une charge de 300 kilovolls-ampères, aucune partie du transformateur ne s’échauffe de plus de 25° C. au-dessus de la température ambiante. Le transformateur pèse 4 000 kg et a un rendement de 98,3 pour 100 à pleine charge.

Fu;. l(i. — Transformateur à courants alternatifs simples de 300 kilowatts, de la maison Ganz et C'° de Budapest.

Les deux bobines primaires en série ont en tout 840 spires en cuivre à section rectangulaire de 10 mm sur 5 mm. Les deux bobines secondaires en série ont en tout 75 spires en cuivre de 25 sur 25 mm.

Résistances à 20° C. de la bobine primaire 0,36 ohm ; de la bobine secondaire 0,0032 ohm.

A 25 périodes par seconde et 5 000 volts primaires, le transformateur prend 1,3 ampère, représentant 3 100 watts de pertes dans le fer ; le cos «p du courant à vide est de 0,49.

Les pertes dans le fer et dans les bobines s’élèvent donc à peu près exactement à 1 pour 100 chacune, le rendement sous une charge de 300 kw est de 98 pour 100.

Les fuites magnétiques sous pleine charge s’élèvent à 4,8 pour 100.

En maintenant le transformateur sous pleine charge et appliquant une ventilation artificielle sous une pression de 8 à 10 mm d'eau seulement, ce qui représente environ 0,4 m3 d'air par

î i{ A N S F 0 H M A T E U H S 1 N S T A N T A X ESC U I M M É D I A T S

seconde par transformateur, celui-ci atteint une température stationnaire après cinq heures. Les éehauffements au delà de la température ambiante mesurés au thermomètre aux points accessibles donnant les maxima relatifs, sont:

Pour le fer, de . 22° C.

Pour la bobine primaire, de . 31° C.

Pour la bobine secondaire, de . 21° C.

Pour la bobine primaire . 37° C.

Pour la bobine secondaire . 25° C.

Avec une pression d'air de 15 à 20mm d'eau, aucune partie du transformateur ne s'échauffe de plus de 25° C.

Après avoir chauffé le transformateur à (50° C., il a été soumis pendant une demi-heure à une tension de 9 000 volts aux bornes primaires. Chacune des bobines primaires avait préalablement été soumise pendant plusieurs heures à une tension de G 000 volts.

Le poids total du transformateur est de 4 000 kg. Sur ce poids 2 300 kg sont à compter pour le noyau en tôles de fer de 0,5 mm, 1 050 kg pour les enroulements en cuivre el le reste pour la carcasse et les accessoires.

A 50 périodes par seconde, la puissance du transformateur atteint 400 kw, avec un rendement de 98,4 pour 100. Le quotient de son poids par sa puissance n’est que de 10 kg par kilowatt.

Transformateurs Packard. — Ces appareils, construits par la New-York and Ohio C°, de Warren (Ohio, U. S. A.), sont du type à noyaux en colonne et isolement à l’huile [Jig. 17 à 20).

Vue de face.

Fig. 17. — Transformateur Packard.

Vue latérale.

Chacune des deux bobines primaires est établie pour 1000 volts et chacune des bobines secondaires pour 110 volts. Par des couplages convenables, on peut donc fonctionner à 1000 ou 2000 volts sur le primaire, à 110, à 220 ou à 3 fils (2 fois 110) sur le secondaire. Les plombs fusibles et les connexions se font à l’extérieur du transformateur, qui se trouve ainsi hermétiquement fermé et peut se placer à l’extérieur, en un point quelconque. Les types courants ont une

puissance qui varie de O,o à 50 kw, et un eoeflicient de régulation de 5 pour 100 pour les plus

Fig. 19. — Plan.

petits types et de 1,8 pour 100 pour les lypes puissants. Les figures 17 à 20 montrent suffisamment la disposition de çes appareils pour qu'il soit inutile d’insister.

Autotransformateurs. — On désigne sous ce nom peu explicite un dispositif qui permet de fractionner, en partieségales ou inégales, une différence de potentiel alternative donnée. L’aulotransformateur est constitué par une bobine de self-induction branchée sur une différence de potentiel : en certains points convenablement choisis de l’enroulement de cette bobine, sont élablies des dérivations sur lesquelles se branchent les appareils d’utilisation qui reçoivent ainsi une différence de potentiel telle que son rapport à la différence de potentiel totale soit sensiblement égal au rapport du nombre de spires comprises entre les deux points au nombre total de spires de la bobine. L’enroulement unique joue donc à la fois le rôle de circuit inducteur et de circuit induit: de là le nom à' ciuLoLrans formateur .

Les autotransformateurs étaient employés à l’Exposition pour le démarrage des moteurs asynchrones par les Ateliers' de construction d'Oerlikon et par M. Weismann pour son système d'éclairage électrique par lampes à basse tension. Dans ce dernier cas, la bobine de l'autotransfonnateur est divisée en cinq parties égales. La différence de potentiel totale de 110 volts fournie à ses bornes se trouve divisée eu cinq parties indépendantes de 22 volts chacune, ce qui permet d’alimenter à volonté 1, 2, 5, 4 ou 5 lampes, et d’en éteindre un nombre quelconque sans perturber le régime des lampes restantes. Dans ce cas, l’autotransformateur joue le même rôle que les compensatrices ou régulatrices dans les distributions à courant continu.

TRANSFORMATEURS INSTANTANES OU IMMEDIATS