Transformateurs utilisés dans les mines (avec diagramme)

Après avoir lu cet article, vous en apprendrez plus sur les types et la maintenance des transformateurs utilisés dans les mines.

Transformers:

Les transformateurs sont largement utilisés dans les mines, en surface et sous terre. Afin de maintenir la chute de tension à une valeur basse sans utiliser de gros câbles, le courant électrique est distribué à 3 300 volts ou 6 600 volts.

Cette tension, bien que idéale pour la distribution, est trop élevée pour être utilisée sur des machines à charbon ou des machines plus petites situées ailleurs dans le sous-sol, aussi les transformateurs sont-ils utilisés pour transformer ces tensions élevées en 550 ou 1100 volts.

La tension la plus courante dans les mines est de 550 volts. Les panneaux de forage et les panneaux d'éclairage contiennent également des transformateurs pour obtenir les tensions plus faibles requises à partir de l'alimentation moyenne tension. Ces transformateurs sont appelés transformateurs abaisseur.

Dans les mines, les transformateurs élévateurs ne sont pas du tout utilisés à des fins communes. Un transformateur est en fait un dispositif permettant d'obtenir une alimentation en courant alternatif d'une tension requise à partir d'un courant alternatif d'une autre tension.

Les transformateurs sont de deux types:

(a) Transformateurs monophasés et

(b) Transformateurs polyphasés.

(a) Transformateurs monophasés:

Un transformateur monophasé est constitué de deux bobines, complètement isolées d'une autre bobine par un noyau stratifié de qualité silicone à base de fer doux. L'alimentation est connectée à un enroulement, appelé primaire, et la sortie à l'autre, appelée secondaire.

L'enroulement secondaire est généralement enroulé sur le noyau laminé, mais les bobines sont suffisamment isolées du noyau laminé. L'enroulement primaire est enroulé sur l'enroulement secondaire. Un cylindre isolant adéquat est prévu entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire.

La figure 12.1 montre la représentation électrique d'un transformateur monophasé:

(b) Transformateurs polyphasés:

Un transformateur destiné à modifier la tension d'une alimentation à plusieurs phases doit être équipé d'un enroulement primaire et d'un enroulement secondaire pour chaque phase. Un transformateur pour une alimentation triphasée a une structure de noyau similaire à celle illustrée à la Fig. 12.2. Un enroulement primaire est enroulé avec son enroulement secondaire correspondant, sur chaque bras du noyau.

Dans un transformateur polyphasé, tous les enroulements primaires sont interconnectés pour compléter le circuit primaire et, de la même manière, tous les enroulements secondaires sont connectés pour compléter le circuit secondaire. Les enroulements d'un transformateur triphasé peuvent être connectés en étoile ou en triangle.

Le principe du transformateur est basé sur le principe de base de l'induction mutuelle continue. Lorsqu'un courant alternatif est connecté à l'enroulement primaire d'un transformateur (le secondaire reste interconnecté), un courant circule dans le circuit primaire.

Le bobinage a une impédance inductive très élevée, de sorte que le courant qui circule est très faible. Étant donné que le bobinage a une faible résistance par rapport à cette inductance, le courant est en retard de presque 90 ° par rapport à la tension appliquée. Ce courant de retard est appelé courant magnétisant, car il a pour fonction de créer un champ magnétique en constante évolution.

L'enroulement secondaire du transformateur est situé dans ce champ magnétique, de sorte qu'une force électromotrice alternative y est induite. La force électromotrice induite est à 90 ° derrière le courant magnétisant qui l'induit. Par conséquent, cette force électromotrice est à 180 ° derrière la tension primaire, c'est-à-dire que la tension secondaire est en opposition de phase avec la tension primaire. La Fig. 12.3 explique cela.

Quelle que soit la tension appliquée à l’enroulement primaire d’un transformateur, celle induite au secondaire lui est proportionnelle, le rapport réel entre eux dépendant de la conception du transformateur.

Dans un transformateur monophasé, le rapport entre les tensions primaire et secondaire est le même que le rapport entre le nombre de tours dans l'enroulement primaire et le nombre de tours dans l'enroulement secondaire. La relation est exprimée par la formule

Tous les transformateurs abaisseur ont donc moins de tours dans l'enroulement secondaire que dans l'enroulement primaire. À l'inverse, les transformateurs élévateurs ont plus de tours dans l'enroulement secondaire que dans l'enroulement primaire. Si, par exemple, l'enroulement primaire a 50 tours et le secondaire 100, la tension de sortie sera le double de la tension d'entrée.

Le transformateur serait alors décrit comme un transformateur élévateur 2: 1. De même, si le primaire a 200 tours et le secondaire 100, la tension de sortie sera alors égale à la moitié de la tension d'entrée, ce qui donnera un transformateur abaisseur 2: 1.

Une relation similaire existe entre les tensions d'entrée et de sortie des transformateurs triphasés, à condition que les deux ensembles d'enroulements soient connectés de la même manière, c'est-à-dire que les deux soient connectés en étoile ou que les deux soient connectés en triangle, comme illustré à la Fig. 12.4.

Si les deux ensembles d'enroulements sont connectés différemment, le rapport entre les tensions des enroulements correspondants est maintenu, mais le rapport entre les bornes d'entrée et de sortie est différent, comme illustré à la Fig. 12.4.

Mais dans un transformateur idéal, il est assuré que la totalité du flux généré par la force alternative alternée dans le primaire relie tous les tours de l’enroulement secondaire. En fait, dans la pratique, un coefficient de fuite doit être pris en compte. Cependant, la relation établie entre la tension et le flux développé est

Circuit équivalent au transformateur:

Examinons maintenant brièvement le circuit équivalent réel d’un transformateur qui a X ₁ et R ₁ comme réactance et résistance primaires et X ₂ et R ₂ comme réactance et résistance secondaires. La figure 12.4 montre un circuit équivalent simplifié avec la résistance R et la réactance X, référée au primaire. Les valeurs de R et X sont données comme

À partir du test de court-circuit (ce qui signifie que le courant passe à pleine charge dans le transformateur avec le primaire ou le secondaire en court-circuit), les valeurs de R et X peuvent être déterminées. En fait, en raison du court-circuit de l'un des enroulements, une tension réduite sera nécessaire. Cette tension s'appelle également la tension d'impédance.

Maintenant, lorsque le transformateur est chargé, il y aura une chute de tension due à la résistance des enroulements primaire et secondaire et également à un flux de fuite magnétique, qui augmente en fait avec l'augmentation de la charge. En fait, à partir de ce raisonnement, la régulation augmente avec l'augmentation de la charge.

Transformateur de courant:

Un transformateur de courant est un type de transformateur conçu pour fournir une tension de sortie proportionnelle au courant circulant dans l'enroulement primaire. Le primaire d'un tel transformateur serait connecté en série avec une charge dans un circuit d'alimentation tel qu'un moteur, et la sortie secondaire utilisée dans le but de l'utiliser dans un système de protection contre les surcharges.

Le courant circulant dans le primaire est donc déterminé par la charge alimentée et le circuit de puissance n’est pratiquement pas affecté par la quantité relativement faible de puissance absorbée par le transformateur.

Le primaire d’un transformateur de courant consiste généralement en une ou deux spires formées d’un lourd conducteur en cuivre. L'enroulement secondaire a généralement un très grand nombre de tours et les deux enroulements sont formés sur un noyau de laminage.

Certains transformateurs de courant sont constitués d'un enroulement secondaire qui est fixé sur l'isolation d'un seul noyau. Le champ magnétique produit par le courant traversant le centre du noyau suffit à induire une sortie dans le secondaire.

Le transformateur de courant fonctionne sur le même principe que le transformateur de tension ordinaire, mais le principe est appliqué de manière différente. Comme la tension et la fréquence de l'alimentation du circuit dans son ensemble sont constantes, le courant ne varie que si l'impédance totale du circuit varie.

Si le courant augmente, l'impédance totale a diminué et l'impédance du primaire du transformateur, bien que très faible, représente une proportion plus importante de l'impédance totale du circuit. La différence de potentiel aux bornes du primaire est donc augmentée et la tension de la sortie secondaire est augmentée proportionnellement. Le système est expliqué à la Fig. 12.5 pour une référence et une réalisation faciles.

Transformateur automatique:

Un autotransformateur fonctionne sur un principe similaire à celui d'un transformateur ordinaire, mais ne comporte qu'un seul enroulement, commun aux circuits primaire et secondaire, comme illustré à la Fig. 12.6. Il est généralement conçu comme un transformateur abaisseur avec une différence relativement faible entre les tensions primaire et secondaire.

Sa seule utilisation dans les mines est le démarrage de moteurs à courant alternatif. Il n'est jamais utilisé pour fournir une alimentation continue pour un circuit à tension inférieure, car il existe un risque qu'en cas de mauvaise connexion, la totalité de la tension primaire soit appliquée au circuit secondaire.

Transformateur souterrain:

Auparavant, tous les transformateurs de puissance utilisés sous terre étaient du type à bain d'huile, allant de 75 KVA à environ 250 KVA, mais ils sont maintenant remplacés par des transformateurs de type sec certifiés ignifuges, allant de 300 à 750 KVA.

Pratiquement tous les équipements de charbon sont alimentés par ces transformateurs antidéflagrants utilisés pour alimenter des circuits à sécurité intrinsèque tels que des circuits de signalisation. Ils sont spécialement conçus avec un écran mis à la terre entre les enroulements primaire et secondaire, afin que la tension primaire ne puisse pas être connectée au circuit secondaire, même en cas de défaillance complète de l'isolation.

Transformateurs à bain d'huile:

Les transformateurs conçus pour supporter des charges de puissance importantes sont généralement remplis d'une huile isolante afin que tous les enroulements et le noyau soient immergés. L'huile empêche l'infiltration d'humidité (ce qui réduit considérablement la rigidité diélectrique de l'isolation de l'air) et maintient donc une résistance d'isolation supérieure entre les enroulements et entre les pièces sous tension et la terre.

L'huile aide également à refroidir le transformateur. De forts courants électriques traversant les enroulements provoquent une augmentation considérable de la température. Lorsque l'huile environnante est chauffée, des courants de convection sont établis dans l'huile, ce qui aide à évacuer la chaleur des enroulements.

Certains transformateurs sont construits avec des tubes de refroidissement faisant saillie sur les côtés du boîtier ou du réservoir. L'huile circulant dans les tubes est refroidie plus rapidement, ce qui rend le refroidissement du transformateur plus efficace. Les grands transformateurs remplis d'huile sont équipés d'un reniflard afin que l'air puisse entrer et sortir lorsque l'huile se dilate ou se contracte lorsqu'elle est chauffée ou refroidie.

Un reniflard contient normalement un produit chimique absorbant l'humidité, tel que le gel de silice, pour empêcher l'humidité d'être aspirée et de contaminer l'huile. Les gels de silice, une fois secs, auront une couleur bleue et une fois hydratés, leur couleur virera au rose.

Transformateurs antidéflagrants et refroidis à l'air:

Avec l'introduction de la mécanisation à la surface du charbon, le nombre et la taille des machines à la surface du charbon ont considérablement augmenté et il est devenu nécessaire d'installer de plus gros transformateurs près du charbon pour réduire au minimum la chute de tension entre le transformateur et le moteur.

Ces transformateurs sont de type sec, c'est-à-dire que le réservoir est plein d'air. Les réservoirs sont des constructions en acier soudées et sont certifiés antidéflagrants. Le tableau HV contrôlant le transformateur est également antidéflagrant et est monté sur le transformateur.

Il y a une chambre antidéflagrante sur le BT et sur le transformateur qui abrite l'équipement de protection contre les fuites à la terre et contre les courts-circuits. Si le système de protection contre les fuites à la terre ou le système de protection contre les courts-circuits détecte le défaut sur le circuit BT sortant, il déclenche automatiquement le commutateur HT. Le commutateur HT assure également la protection contre la surcharge et la mise à la terre des transformateurs.

Puissance dans le transformateur:

Si l'enroulement secondaire est connecté à un circuit avec une charge, la tension induite entraînera un courant dans la charge. Le secondaire du transformateur alimente donc son circuit. L’alimentation fournie par le secondaire ne peut provenir que de la source d’alimentation du circuit primaire. Dès que le courant circule dans le circuit secondaire, un courant correspondant circule dans le primaire.

La puissance est transférée du circuit primaire au circuit secondaire au moyen du champ magnétique en constante évolution qui relie les deux. Le noyau laminé intensifiait le champ et l'imbrication du bobinage rend le lien le plus proche possible. Dans un transformateur bien conçu, très peu de puissance est dissipée dans le transformateur lui-même.

La puissance extraite du transformateur par le circuit secondaire est donc presque identique à celle absorbée par le transformateur du circuit primaire. En effet, le courant passe de la source principale d’alimentation par l’intermédiaire du transformateur à l’appareil qui l’utilise. Le transformateur a simplement pour effet de modifier la tension à laquelle l’alimentation est fournie.

La puissance transmise par un circuit est déterminée à la fois par la tension qui lui est appliquée et par le courant qui y circule. Puisque la puissance absorbée par le circuit secondaire est égale à la puissance délivrée par le circuit primaire, le courant nécessaire pour transmettre une quantité donnée de puissance dans les deux circuits dépend des tensions auxquelles le circuit fonctionne.

Le rapport entre le courant primaire et le courant secondaire est donc l'inverse du rapport entre les tensions. Le courant magnétisant est si faible par rapport à la puissance transmise que, dans la plupart des cas, ses effets peuvent être ignorés.

Bien que les enroulements du transformateur soient hautement inductifs, le courant qui y circule lorsque le transformateur est en charge n'est pas nécessairement à la traîne par rapport à leurs tensions. Si, par exemple, la charge dans le circuit secondaire était capacitive, les courants dans les deux circuits entraîneraient des tensions.

Les courants primaire et secondaire, comme les tensions primaire et secondaire, sont en opposition de phase. Toute force rétrograde induite dans le bobinage secondaire par le courant secondaire est annulée par la force électromotrice directe mutuellement induite dans le bobinage par le courant primaire. De la même manière, toute rétroprojection induite dans l'enroulement primaire est annulée par une emf directe mutuellement induite par le courant secondaire.

Si, toutefois, la charge secondaire a un facteur de puissance en retard ou en avance, ce facteur de puissance est renvoyé du circuit secondaire au primaire. Les courants primaire et secondaire restent en opposition de phase et chacun décale ou avance sa tension de la même quantité.

Il est important de noter que le courant magnétisant dans le circuit primaire, étant un courant inductif, a un faible effet en ce sens qu'il entraîne un léger retard du courant primaire total par rapport au courant secondaire. Les transformateurs contribuent donc au facteur de puissance en retard dans un système de puits, mais l’effet d’un transformateur sur le facteur de puissance est assez faible comparé à celui du moteur à induction qu’il fournit.

Maintenance du transformateur:

Contrairement aux moteurs, les transformateurs étant dépourvus de pièces mobiles, ils nécessitent très peu d’entretien, s’ils sont correctement adaptés à l’application de la charge, et le système d’alimentation et de contrôle est efficace. Cependant, les tâches principales impliquées dans la maintenance du transformateur sont décrites ci-dessous.

Le calendrier de maintenance de chaque transformateur indiquant la fréquence des inspections et les contrôles à effectuer à chaque occasion seront définis par l'ingénieur électricien des mines. Ils devront être suivis attentivement.

1. Général:

Inspectez soigneusement le transformateur de temps en temps pour vous assurer que les connexions, les enroulements et le noyau sont en bon état. Le cas d'un transformateur antidéflagrant doit être vérifié pour les fissures et le maintien des espaces de joint corrects.

2. température:

Notez la température des enroulements pour vous assurer que le transformateur ne surchauffe pas. Le contrôle de la température est plus fiable s’il est effectué après que le transformateur ait été en pleine charge pendant plusieurs heures.

La surchauffe est probablement due à une surcharge électrique, mais elle pourrait également être provoquée par une défaillance de l'isolation entre le laminage du noyau ou, dans le cas d'un transformateur rempli d'huile, par une détérioration de l'huile ou une défaillance de l'isolation entre les conducteurs. couches ou les tours de l'enroulement du transformateur.

3. isolation:

Inspectez régulièrement l'isolant pour vous assurer qu'il ne s'est pas détérioré physiquement, par exemple qu'il ne soit pas devenu fragile. Mesurez la résistance d'isolement entre les enroulements primaire et secondaire et entre chaque enroulement et la terre à l'aide d'un testeur approprié.

Pour tester la résistance d'isolement de l'enroulement secondaire par rapport à la terre, il est nécessaire de retirer la liaison à la terre du point neutre, le cas échéant. Il est important de s'assurer que le lien de mise à la terre est remplacé après le test.

4. Résistance à l'enroulement:

Mesurez la résistance des enroulements avec un pont et comparez les lectures de temps en temps avec les valeurs données dans les spécifications. Un écart marqué par rapport à la valeur attendue et spécifiée, en particulier s’il ne se produit que dans une phase d’un enroulement, indique un défaut, par exemple un court-circuit entre spires.

5. Niveau d'huile:

Notez le niveau d'huile et ajoutez de l'huile fraîche si nécessaire pour maintenir le niveau correct. Le boîtier ou le réservoir doit être inspecté pour détecter d'éventuelles fuites d'huile.

6. État de l'huile:

Examiner l'huile pour des signes de luge. La boue sera considérée comme un dépôt collant sur les enroulements et les côtés ou le fond du réservoir. Sa présence recouvre les enroulements et empêche l'huile de les refroidir. Si des boues sont trouvées, le transformateur doit être vidangé, nettoyé à fond de l'huile et rempli à nouveau avec de l'huile fraîche et testée.

7. Essais d'huile:

Une fois par an, ou plus fréquemment si nécessaire ou en cas de doute, un échantillon d'huile est prélevé sur le transformateur et envoyé à un laboratoire pour analyse. Les tests ont pour but de s'assurer que l'huile n'a pas absorbé d'eau et qu'elle n'est pas devenue acide. La présence d'humidité dans l'huile diminue sa rigidité diélectrique et peut entraîner une rupture de l'isolation. L'acidité provoque la corrosion à l'intérieur de l'enroulement du transformateur.

8. Respiration:

Si le transformateur est rempli d'un reniflard, notez l'état du gel de silice et renouvelez le produit chimique lorsqu'il est saturé. Le gel de silice est généralement coloré pour indiquer son état. Il passe du bleu au rose en absorbant l'humidité.