Question sur magnétisation transformateur

Les groupes électrogènes, les onduleurs…
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Tipler
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Question sur magnétisation transformateur

Message par Tipler »

Bonsoir à tous,

lors d'une discussion sur un salon, mon homologue allemand m'a fait part d'une astuce afin de réduire la pointe magnétisante d'un transformateur alimenté par un groupe électrogène. La barrière de la langue m'a empêcher de tout comprendre et mon anglais est rouillé.
Je lui parlais du couplage à l'arrêt et il m'a fait comprendre que nous autres les français nous nous compliquons la vie pour gagner quelques secondes...
De ce que j'ai compris, il placerait une résistance au niveau du transformateur lors du démarrage du groupe afin de réduire la pointe, et une fois le régime atteint, celle ci serait courtcircuitée...

Quelqu'un voit t'il de quoi il s'agit?

Cdt, Tipler.
Candela
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Re: Question sur magnétisation transformateur

Message par Candela »

Bonjour,
C'est exactement le principe du démarrage statorique (avec un seul cran), ou du softstart. On réduit le courant magnétisant par insertion d'une résistance en série. S'il trouve ça plus simple et moins coûteux que le couplage à l'arrêt, c'est mon tour de ne pas comprendre...

Pour bien se comprendre, voici la description du couplage à l'arrêt, version moderne : on ne préexcite plus les alternateurs.

Cordialement

NB l'article parle du couplage de plusieurs groupes, mais le principe est évidemment le même pour un seul. Le transfo et l'alternateur sont électriquement liés, y compris au point de vue protection; c'est ce qu'on appelle le montage-bloc.
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nonolost
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Re: Question sur magnétisation transformateur

Message par nonolost »

Bonsoir,

Cela fait une petite tirée que je ne suis pas revenu sur le forum! Je regarde toutefois certains posts, mais je n'interagis pas, faute de temps! :(

Pour faire suite à ce post, je me posais une petite question:

Sauriez-vous m'expliquer en vulgarisant le langage technique ce qu'est un courant magnétisant ?

Tout ce que j'en sais, c'est qu'il correspond au courant d'appel (ou d'enclenchement) transitoire observé au démarrage de récepteurs ayant un circuit magnétique bobiné (transfo, moteurs ...). J'ai connaissance de l'existence d'un tel courant bien-sûr mais je voulais avoir une explication concernant l'origine de ce phénomène bien connu.

Par avance, merci ! ;-)
Cordialement,
Nonolost 8-)
Candela
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Re: Question sur magnétisation transformateur

Message par Candela »

Bonsoir,
Je suis très heureux de te retrouver ici...
Le courant magnétisant, c'est normalement le courant à vide (en tout cas pour un transfo qui n'a pas de pertes mécaniques).
On devrait donc plutôt parler de courant d'enclenchement.
Lorsque l'on interrompt le courant alternatif alimentant un électro-aimant (donc tout bobinage comportant un noyau magnétique), le noyau reste dans l'état magnétique où il se trouve à ce moment.
Lorsque le courant est rétabli, la sinusoïde se trouve à un angle quelconque par rapport à cet état. Si l'un et l'autre sont en opposition de phase, on observe pendant un temps assez court un courant très intense, qui décroît selon une exponentielle inverse.
On observe donc une série de "pics" toutes les 20 ms qui deviennent "suportables" au bout de 120 à 150 ms alors que le régime permanent n'est obtenu qu'au bout de 1 s.

Ce courant est unidirectionnel, et circule dans une phase; il est de sens opposé et de valeur moitié dans les deux autres.
Sur un transfo, il est à peu près deux fois plus intense quand la bobine magnétisante est la plus proche du noyau.
Plus le taux d'induction est élevé, plus ce courant est fort. Il dépend aussi du rémanent, et est donc maximum lorsque le temps de coupure est très bref.
Par exemple, lorsque l'on a un transfo de séparation ayant la même tension amont-aval dont le disjoncteur a du mal à tenir à la mise sous tension, on peut inverser les enroulements: on a ainsi une chance de replacer la bobine extérieure au primaire.
De même, les élévateurs BT/HTA sont souvent construits avec la HT sur le noyau, car le courant d'enclenchement BT est bien plus problématique qu'en HT.

En HT, ce courant a des effets pervers dur les TC, qui peuvent saturer, ce qui est particulièrement gênant s'ils alimentent des protections autonomes qui sont précisément gourmandes en énergie au moment de leur initialisation.

J'ai souvent constaté (confirmé par les équipes d'intervention) que des transfos HTA/BT totalement à vide étaientplus difficiles à mettre sous tension que s'ils sont chargés. Le mieux, c'est 15 % de charge ohmique...

Cordialement
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nonolost
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Re: Question sur magnétisation transformateur

Message par nonolost »

Bonjour!

Merci Candela pour ces explications ;-)

Si j'ai bien compris, le phénomène a une origine purement "électromagnétique".
Etonnant d'apprendre que le circuit magnétique reste dans un état tel qu'il a été laissé après rupture d'un courant. Ne s'agirait-il pas de cette fameuse notion de "rémanence" ?
Pourrait-on calculer cette surintensité en étayant le calcul avec un exemple simple: comme la mise sous tension d"un électroaimant ? (j'imagine qu'il faut avoir pour cela quelques notions en magnétisme :( )

Ce que j'en sais:

A la mise sous tension d'une bobine (tension alternative), celle-ci s'oppose à la variation de courant qui la traverse et le laisse passer après un certain temps.
Dès que l'on interrompt cette tension, le courant ne s'interrompt pas tout de suite mais seulement au bout d'un certain temps également.
La bobine emmagasine donc une énergie sous forme magnétique qu'elle est capable de restituer en courant.

Je sais comment calculer le courant qui s'établit à l'intérieur de la bobine, mais qu'en version "instantanée": I= U/Xc sachant que Xc=Lw (oméga) (je néglige ici une éventuelle résistance) ... c'est bien beau, mais cette formule ne m'en dit pas plus sur le courant magnétisant ... :(

Merci pour vos détails... :-)
Cordialement,
Nonolost 8-)
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Re: Question sur magnétisation transformateur

Message par Candela »

Bonjour,
nonolost a écrit :
Si j'ai bien compris, le phénomène a une origine purement "électromagnétique".
Etonnant d'apprendre que le circuit magnétique reste dans un état tel qu'il a été laissé après rupture d'un courant. Ne s'agirait-il pas de cette fameuse notion de "rémanence" ?
Un circuit magnétique 50 Hz, ce n'est jamais qu'un aimant que l'on magnétise N-S puis S-N 50 fois par seconde. Et justement pour éviter d'y dépenser trop d'énergie, on choisit un matériau ayant une rémanence assez faible, ce qui le distingue d'un aimant permanent.
Je ne trouve pas de formules quantifiant l'intensité de crête. Simplement, elle dépend
-des caractéristiques du circuit magnétique et des enroulements(section de fer, induction nominale, nombre de spires, géométrie des enroulements...)
-des caractéristiques de la tôle magnétique utilisée (induction rémanente, saturation)
-de l'état magnétique du noyau et de la valeur de la tension alternative du réseau au moment de l'enclenchement
Un (précieux) document CEM indique:
"Dans le cas le plus défavorable, Ie peut atteindre 3 (rac2) à 8 (rac2)IN en valeur crête" donc 12 In en gros. Mais ce commentaire figure dans un ouvrage dédié aux transfos de puissance. Il est bien connu que sur de petits transfos BT/BT, on atteint jusqu'à 25 In.
nonolost a écrit : A la mise sous tension d'une bobine (tension alternative), celle-ci s'oppose à la variation de courant qui la traverse et le laisse passer après un certain temps.
Le bobinage d'un transfo est un électro-aimant. Mais ici ce n'est pas la self qui est en jeu (elle s'oppose effectivement -et pas très efficacement- à cette brutale surintensité). Il s'agit d'un phénomène transitoire au cours duquel la valeur de la self est mal déterminée justement parce que l'état magnétique n'est pas stable.

Cordialement
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nonolost
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Re: Question sur magnétisation transformateur

Message par nonolost »

Bonjour,
Un circuit magnétique 50 Hz, ce n'est jamais qu'un aimant que l'on magnétise N-S puis S-N 50 fois par seconde. Et justement pour éviter d'y dépenser trop d'énergie, on choisit un matériau ayant une rémanence assez faible, ce qui le distingue d'un aimant permanent.
De quelle énergie s'agit-il ? Est-ce l'énergie nécessaire pour créer le champ d'induction magnétique ? Energie électrique ou magnétique ?

Merci!
Cordialement,
Nonolost 8-)
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Re: Question sur magnétisation transformateur

Message par Candela »

Bonjour,
nonolost a écrit : De quelle énergie s'agit-il ? Est-ce l'énergie nécessaire pour créer le champ d'induction magnétique ? Energie électrique ou magnétique ?
Un solénoïde transforme l'énergie électrique en énergie magnétique et réciproquement. C'est le cycle d'hystérésis (voir ICI en fin d'article sur le Ferromagnétisme) qui matérialise l'énergie nécessaire à chaque opération d'inversion du champ. Les matériaux utilisées pour les électro-aimants sont en général "doux" afin de limiter l'énergie dépensée à chaque cycle. C'est bien le rémanent qui caractérise cette énergie.

Cordialement
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Mercure2
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Re: Question sur magnétisation transformateur

Message par Mercure2 »

Bonjour

oui c'est un probléme qu 'on vit lorsqu'on veut mettre sous tension des transformateurs méme a vide le déclenchement de la protection réagit , il faut réssayer plusieurs tentative d'enclenchement du disjoncteur hta/bt.
ci joint un complément d'information traiter dans un autre forum,
Depuis plusieurs décennies, les circuits magnétiques des transformateurs sont constitués de tôles à haute perméabilité permettant une augmentation importante de l’induction électromagnétique. Aujourd’hui, les transformateurs modernes sont construits pour fonctionner avec une induction maximale proche de la saturation. Cela permet de réduire les pertes fer et l’encombrement des transformateurs. La contrepartie réside dans le fait qu’une surexcitation, même faible (provoquée par une augmentation de la tension par exemple) est de nature à faire perdre au circuit magnétique ses propriétés et à amplifier les pertes.
Dans le cas de la mise sous tension d’un transformateur, la surexcitation est transitoire. Dans ces conditions la saturation peut apparaître pour des tensions assez faibles. En réalité, la saturation dépend de l’instant de la mise sous tension. Si la mise sous tension a lieu au passage par zéro de la tension, la saturation est maximale. Si la mise sous tension à lieu à la valeur maximale de la tension, l’enclenchement se passera en douceur. Il faut noter que les pré-amorçages dans l’appareil assurant la mise sous tension est de nature à atténuer les contraintes. C’est ainsi qu’une mise sous tension par un interrupteur sectionneur à coupure dans l’air permet de limiter fortement les courants d’enclenchement.
La mise sous tension d’un transformateur est susceptible de créer des perturbations sur le réseau primaire et le réseau secondaire. Sur les réseaux de distribution et les réseaux industriels, les courants d’enclenchements peuvent par exemple créer des déclenchements non justifiés et des à-coups de tension importants".

En conclusion, la valeur des courants d'enclenchement n'est pas maîtrisable. Elle dépend de l'instant de la mise sous tension. L'impact de ces courants sur la qualité de la tension dépend de la puissance de court-circuit au point considéré. Il est donc important de prévoir le plan de protection et l'architecture du réseau en conséquence. Dans le cas particulier d'un réseau de distribution ERDF, la PCC en tout point du réseau 20 kV est comprise entre 40 et 200 MVA.
Si le départ est dédié au réseau industriel, l'impact, sur les barres 20 kV du poste source, des courants d'enclenchement sera en principe modéré si la PCC sur les barres est supérieure à 120 MVA.
La durée de vie des courants d'enclenchement excède rarement 0,3 s. Si le départ comporte de l'aérien et que le réenclencheur au poste source effectue des cycles rapide et lent,la temporisation de la protection est de 0,1s pour le cycle rapide et 0,5s pour le cycle lent. Dans le premier cas il existe des risques de déclenchement non désiré par relais 51 et 51N.
Les creux de tension sur les barres du poste source dépendront quant à eux de l'instant de la mise sous tension et de la PCC.

Cordialement
je m'interesse à l'échange de l'information,le retour d'éxpérience

Crl
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Re: Question sur magnétisation transformateur

Message par Candela »

Bonjour,
Très bon argumentaire, auquel je pourrais ajouter une remarque concernant les protections. Les évolutions concernant la fabrication des transfos ont été accompagnées dans les années 80 par deux autres:
-le passage des interrupteurs et disjoncteurs d'abonnés au SF6, qui a limité fortement le phénomène de pré-arc. Le SF6 est bien plus isolant que l'air, et de plus il est enfermé: il n'est donc pas sensible à l'humidité ambiante.
-le passage des protections d'abonnés aux protections "statiques analogiques sans source". Ces protections nécessitent un temps d'initialisation (temps de chargement des capacités accumulant l'énergie", et saturation des TC lors des premières millisecondes) relativement important et coïncidant avec le courant maximal, ce qui masquait le phénomène. Lorsque sont apparues les protections numériques sans source, leur précision "diabolique*" et leur gourmandise en "VA"* a soudainement révélé le problème et nous (constructeurs et Edf) avons été confrontés à des mises en service problématiques, généralement sur des sites comportant plusieurs gros transfos avec protections d'abonnés.
Je signale en outre une petite imprécision: le courant maximal ne se produit pas systématiquement "Si la mise sous tension a lieu au passage par zéro de la tension", mais si en plus la sinusoïde au moment de la coupure était à son sommet de sens opposé. Il faut alors, en 1/2 période, fournir deux fois l'induction nominale.
Sur les très gros transfos de réseau ou industriels (HTB), une stratégie efficace consiste à effectuer l'enclenchement à un moment précis calculé en fonction du flux rémanent.

Cordialement

*aux problèmes purement liés au transfo, on ajoute ceux liés aux Tc et aux relais. Une stratégie très efficace a consisté à utiliser un Micom P124D au lieu d'un P124S : il possède un double alimentation, mais avec une "base" autonome identique. L'alimentation auxiliaire en 230V sur un réseau secouru ou ondulé permettait d'enclencher avec un relais déjà initialisé tout en conservant l'avantage de la protection sans source.
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