Types industriels de transformateurs statiques

La dépendance magnétique des deux circuits primaire et secondaire d'un transformateur, circuits complètement isolés l'un de l'autre, s'obtient en pratique au moyen d'un noyau feuilleté constituant le circuit magnétique. Il y a deux dispositions habituellement employées : dans Tune les circuits élec-

triques entourent le noyau de fer et alors le transformateur est dit à noyau; dans Tautre, le fer du circuit magnélique enveloppe les circuits électriques primaire et secondaire et Ton a un transformateur cmVass/^.

Dans le transformateur à noyau [fig. 143), les deux bobines sont exposées à Faction refroidissante de Tair; dans le transformateur cuirassé {fig, 144), elles sont presque complètement entourées par le fer.

FiG. 143.

Dans le type cuirassé, le circuit magnétique est dédoublé, sa réluctance est moindre et la production du champ nécessite un nombre d'ampères-tours plus faible pour obtenir une même intensité de champ que dans le transformateur à noyau de môme puissance et dans lequel les pertes sont les mêmes.

En général, il faut une plus grande quantité de cuivre dans le transformateur à noyau que dans le type cuirassé; en ce qui concerne la quantité de fer, c'est le contraire qui a lieu.

Dans les deux cas, le circuit magnétique est toujours fermé afin que le flux, abstraction faite des fuites magnétiques inévitables, passe entièrement par le fer. Il serait trop coûteux et peu pratique, au point de vue construction, de constituer entièrement le circuit magnétique en fer en employant des tôles d'une seule pièce. En outre, pour que la construction d'un transformateur soit rendue pratique, il est indispensable que les bobines soient faites sur le tour ou sur gabarit, ce qui oblige à avoir un circuit magnétique en plusieurs pièces et, par conséquent, avec des joints constituant des entrefers. C'est pourquoi les noyaux ou les cuirasses sont toujours faits en

deux OU plusieurs parties que Ton assemble après avoir mis en place les bobines.

Pour les transformateurs de faible puissance et, par conséquent, de petites dimensions, le noyau peut fttre constitué en deux pièces ayant la forme d'un L, disposées comme cela a été indiqué dans le paragraphe 50 pour les bobines de réactance. On peut également le constituer avec un paquet de tôles découpées en forme d'U et fermer ensuite le circuit magnétique avec un paquet de tôles droites posées par-dessus. Dans les transformateurs de grandes dimensions, le noyau est toujours constitué par 4 paquets de tôle et, naturellement, avec ce mode de construction, les joints sont plus nombreux.

En ce qui concerne les transformateurs cuirassés, le circuit magnétique peut être constitué par deux paquets de tôles découpées en forme d'E que Ton place ensuite, bout à bout, lun contre Fautre, après avoir au préalable glissé sur la branche centrale les deux bobines primaire et secondaire. C'est la

disposition ordinairement em- «^«"'Qttililililk ployée par la maison Ganz de Budapest.

On peut aussi procéder d'une autre manière : on découpe les feuilles de tôle de manière à leur donner la forme indiquée en A sur la figure 145; on coupe ensuite une des branches extérieures en /^ et /o de façon que Ton puisse relever les deux côtés /g et fj^. Chaque feuille de tôle ainsi préparée, on l'enfile dans les bobines et, cela fait, on abaisse sucessivement les côtés f^ et f,^ de chacune des feuilles de tôle en prenant le soin d'introduire alternativcmentune lame à droite, puis une à gauche des bobines, de façon à partager les joints sur les deux côtés du transformateur. A Taide d'étriers et de boulons appropriés, on serre convenablement les feuilles de tôle les unes contre les autres et le transformateur terminé a alors l'aspect extérieur que représente la figure 146.

Fio. 147.

FiG. i46.

Dans les transformateurs h noyau, on interpose dans chaque joint une mince feuille de papier afin d'éviter au point de contact la production de courants de Foucault

Il ne faut point songer, en effet, avec les tôles minces, n'ayant qu'une épaisseur de 4/10 de millimètre, d'obtenir au point de jonction une continuité parfaite; il n'est guère possible, en effet, d'obtenir que l'extrémité de chaque lame se trouve exactement en regard de l'extrémité de la lame correspondante {fig. 147). Dans ces conditions, les feuilles de papier, servant à isoler entre elles les feuilles de tôle constituant le noyau, setrouventégalementdéplacées par rapport aux feuilles correspondantes de l'autre face du joint à' effectuer et il se produirait à travers le joint des communications entre feuilles de tôle voisines, coqui aurait pour conséquence la production de courants parasites, si l'on ne prenait la précaution d'interposer une feuille de papier dans le joint.

L'interposition dans le joint d'une feuille isolante est doublement nécessaire fig. i48.

lorsque les feuilles de tôle constituant le noyau se coupent à angle droitdans les joints, comme c'est le cas dans certains trans-

formateurs triphasés tels que celui que représente la figure 148, qui est un transformateur du type Siemens et Halske.

Il est vrai que l'interposition dans le joint d'une feuille isolante, ayant généralement 0,03 millimètre d'épaisseur, augmente la réluctance du circuit, mais les avantages que présente cette disposition au point de vue des facilités de constructioncompensent largement ce petit inconvénient.

Le papier servant à isoler les tôles Tune de l'autre, au lieu» d'être interposé entre elles au moment où Ton constitue le paquet, est collé d'avance sur une des faces des tôles avant que cesdernières soient découpées àla machine. Mais, commedansce genre de construction on cherche toujours à simplifier et aussi à réaliser des économies, on a essayé de supprimer le papier interposé entre chaque feuille de tôle en plongeant les tôles dans une dissolution alcoolique concentrée de gomme-laque (d'un emploi journalier dans les usines de constructions électriques); après les avoir séchées, on en forme des paquets. Toutefois, ce mode de procéder présente un inconvénient qui ne se manifeste qu'après un certain temps de fonctionnement du transformateur : on sait que, lorsqu'il est en charge, un transformateur développe une assez grande quantité de chaleur, suffisante pour amener la fusion de la gomme-laque qui, sous l'action de la pression exercée parles boulons, s'échappe par les bords libres; dans ces conditions, au bout d'un certain temps, la compacité du circuit magnétique n'existe plus. Cette compacité est pourtant indispensable si l'on ne veut pas perdre un espace utile pour la section du fer et si l'on veut éviter les vibrations et la résonance du circuit magnétique.

Les boulons qui servent h maintenir pressées les lames de tôle les unes contre les autres doivent être complètement isolés de ces dernières dans toute leur longueur ; ils doivent, en outre, être serrés à refus ; certains constructeurs rivent les têtes de ces boulons.

Les constructeurs doivent avoir la précaution de donner au périmètre des bobines, pour une section de flux déterminée, le moins de développement possible ; la forme circulaire est

FiG. 149.

celle qui répond le mieux à ce but; mais il n'est pas toujours possi-ble de remployer. En général, toutes les fois que les tôles sont découpées en forme de L, d'U ou d'E, le circuit magnétique est naturellement parallélipipédique. Au lieu de donner dans ce cas une forme rectangulaire aux bobines, forme qui serait la plus rationnelle parce que. Ton emploierait moins de cuivre, on donne aux bobines une forme circulaire [fig. 149), d*abord à cause des facilités qu*il y a pour effectuer Ten roulement, mais principalement pour laisser, entre le noyau et les bobines, un espace vide où Tair puisse facilement circuler, de manière à constituer des canaux de ventilation lorsque les noyaux sont disposés verticalement.

En consentant à établir un plus grand nombre de joints, on peut concilier les deux exigences : section minimum des bobines et facilité de ventilation, mais seulement pour des transformateurs de grandes dimensions, car, pour les petits

transformateurs, il est indispensable de n'avoir que le moins de joints possible, si Ton veut que leur fonctionnement à vide soit économique, c'est-à-dire si Ton veut réduire au minimum Tiotensité du courant magnétisant.

Pour établir de grands transformateurs, conciliant les deux exigences, on procède de la manière suivante : avec des séries successives de paquets de tôles p{/igA50), de dimensions différentes, on constitue une sorte de colonne dont la section a la forme indiquée sur la figure 150 et sur ce noyau on enfile des bobines circulaires /. Avec cette disposition, on conserve en c, c... des canaux de ventilation permettant la circulation de Thuile lorsque le transformateur est refroidi

Fio. 150.

artificiellement. Les diverses colonnes sont reliées magnétiquement entre elles par un paquet de lôles à section rectangulaire.

Dans les transformateurs de grande puissance, on ménage des canaux de ventilation entre les divers paquets de tôles

{fig. 151), comme on le fait, du ' reste, pour les noyaux d'induit

■ ' ■ ' ^^ des grands alternateurs. On uli-

' lise à cet effet, pour séparer les

FxG. 151. paquets de tôles, des bandes de

bronze, mais il est plus économique de placer au-dessus de chaque paquet une feuille de tôle de 1,5 mm d'épaisseur, dans laquelle on découpe plusieurs fenêtres, mais en ayant soin de laisser attaché un des côtés du carré, de manière qu'en repliant à angle droit la partie découpée, comme le montre la

figure 152, on puisse ménager un in- '^^^

tervalle entre ce paquet et le suivant.

Les surfaces en présence dans les joints doivent ôtre soigneusement dressées et les diverses parties du circuit magnétique doivent, une fois le transformateur monté, être solidement serrées entre elles à l'aide d'étriers fixés à la carcasse, afin d'empêcher les vibrations et le ronflement de l'appareil lors de son fonctionnement.

En ce qui concerne la partie électrique du transformateur le but à atteindre est de disposer la bobine secondaire de manière qu'elle soit complètement embrassée par le flux que produit le courant magnétisant. Mais il n'est pas possible d'éviter une dispersion du flux, spécialement si les deux circuits primaire et secondaire sont placés dans deux parties distinctes du circuit magnétique, et cela parce que le flux antagoniste, développé par la bobine secondaire, oblige une faible partie du flux principal à se fermer à travers l'air [fig. 153).

On pourrait éviter cet inconvénient en enroulant simultanément les deux circuits sur une bobine unique, mais cela n'est pas réalisable à cause de Tisolement insuffisant obtenu dans ces conditions. On peut toutefois obtenir un meilleur résultat en plaçant les deux bobines concentriquement [fig, 154), mais il faut alors apporter un soin tout particulier pour réaliser un excellent isolement entre les deux bobines. Cette disposition

FiG. 153.

Kk*. I.-.4.

est utilisée quelquefois dans les petits transformateurs, quoiqu'elle entraîne à employer plus de fil qu'il ne serait nécessaire pour Tenroulement de la bobine extérieure.

Quant à la disposition que représentent les figures 143 et 153, elle n'est pas à recommander ; du reste, elle n'est jamais employée.

Aujourd'hui, les transformateurs de 10 kilowatts et au-dessus et môme parfois les transformateurs de faible puissance, lorsqu'ils sont alimentés par des courants à haute tension, sont constitués par des séries de petites bobines alternativement primaires et secondaires [fig, 155). Dans ces conditions, la dispersion du flux est réduite au minimum, parce que le flux suit plus facilement le circuit magnétique ; en outre, la construction du transformateur est simplifiée, Tisolement est plus facile à assurer et les réparations sont rendues plus commodes.

Chacune de ces bobines élémentaires est soigneusement

isolée de ses voisines et est fixe'e sur le noyau à laide de coins en bois afin d'éviter tout déplacement. Les bobines sont

enroulées sur le tour et enveloppées de ruban soigneusement recouvert de gomme-laque. Onleur donne ainsi la rigidité mécanique nécessaire pour qu'on puisse les mettre en place, sans avoir recours à des supports spéciaux qui ne pourraient être qu'en matière isolante, car, s'ils étaient métalliques, ils donneraient lieu à la production de courants de Foucault très intenses.

Les bobines sont généralement doubles, c'est-à-dire constituées par deux bobines reliées électriquement par les extrémités de Tenroulemcnt qui se trouvent vers l'intérieur [fig. .156). Cette disposition présente cet avantage que le commencement et la fin de l'enroulement se trouvent placés extérieurement, ce qui facilite beaucoup l'établissement des connexions des diverses bobines du transformateur. Mais l'avantage plus important que présente cette disposition consiste surtout dans la répartition de la tension entre deux fils ou parties de fil consécutifs. Soil, par exemple, une bobine comportant cinq couches de spires et 20 spires par couche; si la différence de potentiel entre les deux extrémités de Tenrouiement est de 500 volts, la différence de potentiel maximum entre deux fils voisins, le premier et le quarantième dans Tordre d'enroule-

FiG. 155.

Fig. 156.

. 40 = 200 volts.

ment, est de

Avec la disposition de bobines doubles, reliées comme il a été indiqué, la différence de potentiel maximum entre deux spires appartenant à deux couches consécutives est réduite de moitié. Pour plus de précaution, on interpose entre les deux bobines élémentaires, au moment de leur juxtaposition, un disque en matière isolante et on les vernit à la gomme-laque en les maintenant solidement par un ruban.

Les connexions destinées à relier les bobines primaires sont établies sur un des côtés du transformateur et celles des bobines secondaires sur le côté opposé.

Généralement, les bobines du circuit à haute tension sont reliées en tension, tandis quecelles qui fburnissent le courant à basse tension sont couplées en '

quantité. Le couplage en quan- p^^ ^^^

tité pour les bobines à basse tension présente des avantages au point de vue de la construction, car on comprend qu'il est plus commode de faire dix bobines ayant chacune 200 spires de fil de 4 mm^ de section que d'enrouler sur une seule bobine 200 spires de fil de 40 mm^ de section ou, encore, de faire dix bobines de 20 spires chacune, plutôt que d'en faire une seule de 200 spires avec du fil de même section.

Lorsque les transformateurs doivent fournir un courant de grande intensité, c'est-à-dire de quelques milliers d'ampères, comme c'est le cas pour l'alimentation de fours électriques, les conducteurs du courant sont constitués par des lames disposées en chicane [fig. 157) et maintenues à la distance voulue par l'interposition d'isolateurs, afin de réduire au minimum le flux produit par le circuit, car ce flux, à cause des variations qu'il subit, donne naissance à une force contre-électromotrice considérable de self-induction par suite de l'énorme intensité du courant. Cette remarque s'applique du reste toujours à tous les

circuits dans lesquels passent des courants alternatifs d'intensité élevée.

Dans les installations industrielles à courants triphasés, on

peut utiliser trois transformateurs simples en couplant leurs enroulements soit en triangle, soit en étoile, suivant la disposition qui convient le mieux.

Toutefois, lorsque cela est possible, il est préférable d'employer des transformateurs triphasés, qui ne diffèrent des transformateurs simples que par ce fait que les divers enroulements primaires et secondaires sont montés ^ir un noyau magnétique unique de forme appropriée. On réalise une économie notable dans le prix d'achat, parce qu'un transformateur triphasé de 300 kilowatts, par exemple, est d'un prix moins élevé que trois transformateurs simples de 100 kilowatts chacun; de plus, on obtient ainsi un certain équilibre des tensions lorsque les charges sont différentes sur les trois circuits, parce que le flux dans le noyau est la résultante des flux développés dans les deux autres; ces flux étant alternatifs deviennent sensiblement égaux. Les transformateurs triphasés peuvent être à noyau ou cuirassés ;'mais ceux à noyaux sont préférables.

Fui. 158.

Sur les trois colonnes constituant les noyaux, on enfile les bobines primaires et secondaires ; chaque colonne correspond à une phase et on les relie magnétiquement ensemble, en haut et en bas, au moyen de traverses feuilletées solidement boulonnées (fig, 148).

On obtient une meilleure répartition du (lux en disposant les trois colonnes suivant les sommets d'un triangle équilaléral et <;n les reliant ensuite à Taide d'une traverse à trois branches [fig. 158) ; cette disposition est également préférable à la précédente en ce qui concerne le refroidissement.

On peut éjçalement relier magnétiquement les trois colonnes en entourant leurs trois exlrémités, en haut et en bas, d'une «orle d'enroulement fait en rubans de fer de largeur convenable et comportant un nombre de tours suffisant ; les spires ainsi constituées sont isolées entre elles par interposition de papier.

Toutefois, il est h remarquer que les deux dernières dispositions qui viennent d'ôtre décrites nécessitent une plus grande quantité do fer, ce qui fait que les pertes par hystérésis sont plus considérables.

Pour les petits transformateurs triphasés, la dernière disposition appliquée par la maison (lanz de Budapest consiste a modifier le type de transformateur lîimple cuirassé en transformateur triphasé à noyau {fig, 159).

Il existe beaucoup d'autres dispositifs de transformateurs triphasés; mais on n'a décrit ici que les principaux types.

Fio. I.V.).

81. Transformateurs pour hautes tendions. ~ Les tensions de quelques milliers de volts sont bien suffisantes pour effectuer économiquement une distribution électrique d'énergie dçins un rayon de quelques kilomètres, mais ces tensions

226 LA TECHNIQUE DES COUIlA^TS ALTERNATIFS

deviennent insuffisantes lorsqu'il s'agit de transporter à de grandes distances de considérables puantités d'énergie, barcequ€y dans ces conditions, il faut limiter nécessairement l'intensité du courant à transporter pour qu'il soit possible d utiliser des conducteurs de section relativement faible et, par conséquent, économiques, ce qui entraîne l'obligation d'adopter des tensions considérables. On a de nombreux exemples de transmissions électriques d'énergie dans lesquelles la tension du courant alternatif atteint 40000 volts, et il est à prévoir que l'on arrivera à utiliser des tensions encore plus élevées, quoique, jadis, dans les installations à 40000 volts, on ait constaté des phénomènes secondaires qui peuvent avoir des effets fâcheux au point de vue de la bonne marche de l'installation.

11 n'est certainement pas impossible de construire des alternateurs pouvant directement fournir de Ténergie électrique sous des tensions aussi élevées ; mais le coût de la construction d'un tel alternateur serait excessif et présenterait de grandes difficultés et des dangers pendant son fonctionnement. Dans ces conditions, il est préférable que l'alternateur ou les alternateurs débitent le courant sous une tension modérée et d'utiliser au départ des transformateurs qui élèvent la tension à la valeur voulue, tandis qu'à l'arrivée d'autres transformateurs abaissent la tension pour desservir les centres d'utilisation du courant.

Les constructeurs ont constaté que les matières isolantes telles que le bois, le papier, les presspahn, etc., qui donnent d'excellents résultats au point de vue de leur emploi dans les transformateurs à tension assez limitée, ne peuvent plus être employées pour des tensions supérieures à 10000 ou 15000 volts. D'autre part, le remplacement de ces matières isolantes par d'autres plus efficaces, telles que le mica, la micanite, l'ambroïne, etc., rende les frais de construction plus élevés, ce qui diminue dans une assez large mesure les avantages inhérents à l'emploi de très hautes tensions.

On a évité cet inconvénient en profitant de ce que tous les organes du transformateur sont fixes pour l'immerger complè-

tement dans l'huile en employant d'autres matières isolantes cuites dans Thuile.

Le pouvoir isolant de Thuile est de beaucoup supérieur à celui de l'air. Pour donner une idée de la valeur du pouvoir isolant de l'huile, il suffit de citer ce fait que la distance explosive entre deux pointes placées dans l'air est de 100 mm pour une différence de potentiel de 50000 volts, distance qui est

Fio. 100.

réduiteà50 mm lorsque les pointes sont immergées dans l'huile Bciinérale lourde et à 25 mm seulement dans l'huile légère de colza. D'autre part, il convient de constater que les matières isolantes d'usage courant, immergées dans l'huile ou mieux chauffées à 125° dans un bain d'huile, acquièrent un pouvoir isolant beaucoup plus élevé. Ainsi, par exemple, si l'on appuie deux pôles sur les faces opposées d'une planchette de hêtre sec desséché de 10 mm d'épaisseur et que l'on fasse aboutir à ces pôles les deux conducteurs d'un alternateur ou d'un transformateur en charge, on constate qu'il y a production d'étincelles avec une tension de 20 000 volls efficaces; en soumettant la plan-

cbette à un traitement permettant de lui enlever toute trace d'humidité et de sève (à l'aide d'un dispositif thermo-pneumatique)^ puis en la chauffant dans un bain d'huile, Tétîncelle ne ge produit que lorsque la difTérence de potentiel atteint 60000 volts.

Dans ces conditions, il était naturel que les constructeurs utilisent l'immersion dans l'huile pour éviter l'emploi de matières isolantes d'un prix élevé et l'on a ainsi réalisé des transformateurs dans lesquels on a employé du bois, du papier, du presspahn, etc. comme isolants, transformateurs placés ensuite dans une enveloppe en fer ou en fonte remplie d'huile et qui, ainsi constitués, peuvent supporter sans inconvénient des tensions de 100000 volts efficaces. La figure 160 représente un transformateur à bain d'huile pour très hautes tensions, construit par la maison Brown, Boveri et C**.

En outre, l'huile est un bien meilleur conducteur de la chaleur que l'air, ce qui facilite beaucoup le refroidissement du transformateur. Ce point sera, du reste, examiné plus loin, dans le paragraphe 84.