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  1. 1. IEPF-FichePrisme-Transformateurs 07/10/04 08:36 Page 1 Les transformateurs de distribution efficaces Problématique Ensuite, étant donné que la plupart des installations électriques fonctionnent à de plus basses tensions, il est nécessaire de Les transformateurs sont des équipements à relativement convertir la haute tension des lignes de transport électrique haute efficacité.Toutefois, en raison de leur fonctionnement en niveaux de tensions plus bas. La première phase de continu et de leur longue durée de vie, une légère augmen- transformation consiste donc à convertir l’électricité à une tation en efficacité peut se traduire par d’importantes tension de 110 à 150 kV. C’est souvent le niveau auquel les économies au fil des ans. Ainsi, le coût supplémentaire des compagnies de production d’électricité vendent l’électricité transformateurs « à haute efficacité » – des transformateurs aux compagnies de distribution locales. C’est aussi à ce niveau conçus en portant une attention particulière à la réduction que l’électricité est fournie aux clients industriels importants, des pertes énergétiques – pourra être remboursé facilement les usines chimiques ou les aciéries, par exemple. Les au cours de la durée de vie utile des transformateurs. De compagnies de distribution locales et les principales usines nombreuses entreprises peuvent ainsi réduire leurs dépenses transforment ensuite une partie de l’électricité, jusqu’à ce que en optant pour des transformateurs à haute efficacité, et si les la tension soit abaissée au niveau de tension du réseau national gestionnaires tenaient systématiquement compte du calcul des de consommation (400 / 230 V en Europe). coûts de durée de vie en achetant un transformateur, leur entreprise pourrait réaliser d’importantes économies d’éner- Ainsi, l’électricité passe par une moyenne de quatre phases de gie et améliorer sa performance environnementale. transformation avant d’être consommée. Ce réseau d’approvi- sionnement exige un grand nombre de transformateurs de Les transformateurs à haute efficacité existent déjà depuis des différentes classes et capacités, offrant une grande gamme de décennies, et cette technologie a déjà été éprouvée. Les tensions de fonctionnement. Outre leurs différentes tensions de normes classifient les transformateurs selon des catégories service, les transformateurs se caractérisent aussi par leur d’efficacité, ce qui simplifie le choix du transformateur adéquat capacité, c’est-à-dire la quantité d’électricité maximale qu’ils nº 5 selon l’utilisation voulue. Ainsi, on peut dire qu’il existe un peuvent traiter, exprimée en volts-ampères (VA). type de transformateur optimal pour chaque site industriel. La présente fiche, en présentant les caractéristiques des Les gros transformateurs pour hautes tensions s’appellent des Thématique: Les technologies à haute performance énergétique « transformateurs système ». La dernière phase de P R I S M E différents types de transformateurs, notamment leurs caractéristiques du point de vue des pertes énergétiques transformation de l’électricité à la tension du réseau de associées, vise à encourager et faciliter le choix des consommation est effectuée par un « transformateur de transformateurs efficaces. distribution » (voir figure 1), désigné ainsi qu’il soit exploité par une compagnie publique de distribution d’électricité ou au sein d’un réseau industriel privé. Principes de base Les transformateurs constituent une partie essentielle du Figure 1 : Transformateur de distribution t e c h n i q u e réseau d’approvisionnement en électricité, car ils permettent (lignes ferroviaires) de convertir lénergie électrique dune certaine tension à une autre. Il existe deux types de transformateurs, présentés ci- après, à savoir les transformateurs refroidis à l’huile et les transformateurs refroidis à l’air. Le réseau d’approvisionnement en électricité Une fois l’électricité générée par les grosses centrales, celle- ci doit être transportée jusqu’aux régions où elle sera F i c h e consommée. Ce transport d’électricité étant plus efficace à haute tension, les transformateurs convertissent en tensions de 270 kV à 400 kV, l’énergie électrique générée à des tensions de 10 à 20 kV.
  2. 2. IEPF-FichePrisme-Transformateurs 07/10/04 08:36 Page 2 Les transformateurs de distribution efficaces Le principe de fonctionnement Si un transformateur sec est placé dans un bâtiment, la chaleur qu’il produit doit être évacuée à l’extérieur, donc, outre le Un transformateur de distribution comporte généralement refroidissement « naturel » effectuée par l’huile ou par l’air, il un noyau de fer, auquel sont rattachées des tiges, chacune exige un refroidissement actif forcé, au moyen d’un ventilateur, correspondant à l’une des trois phases de transformation par exemple. (voir figure 2). Réseaux publics ou industriels Figure 2 : Schéma de l’intérieur d’un transformateur de distribution Il existe des différences importantes entre les transformateurs Spires de distribution des réseaux de distribution locaux et publics, basse tension (400/230V) Spires et ceux des réseaux industriels privés: haute tension Noyau de fer (10 kV) – Les transformateurs industriels ont une plus grande capacité, d’habitude 1 000 à 4 000 kVA, alors que les Séparateur Insulating transformateurs publics ont une capacité comprise entre Separator isolant 50 et 1000 kVA. – En général, la charge moyenne d’un transformateur industriel est plus élevée que celle d’un transformateur dans un réseau de distribution. – Dans l’industrie, les transformateurs secs sont beaucoup plus répandus que chez les compagnies de distribution publiques. Deux bobines sont enroulées autour de chaque tige : une – Dans l’industrie, il est assez fréquent de relever des niveaux bobine comporte plusieurs spires qui sont reliées au réseau à élevés de pollution harmonique dans le réseau (voir haute tension, l’autre bobine comporte moins de spires, reliées section suivante). à la tension plus basse. Les deux spires sont séparées par un – Le parc de transformateurs de l’industrie est un peu plus matériau isolant. La différence de potentiel dans l’une des jeune. bobines crée un champ magnétique dans le noyau de fer, et ce champ magnétique crée un courant électrique dans l’autre bobine. La différence de tension entre les deux bobines est Problèmes observés déterminée par la différence du nombre de spires. et solutions techniques nº 5 Transformateurs immergés ou secs ? Les transformateurs sont des appareils relativement efficaces par rapport à d’autres équipements électriques, ce qui ne signifie L’une des principales façons de classer les transformateurs de toutefois pas que les pertes occasionnées sont négligeables. Les distribution est de les répartir selon leur technique de Thématique: Les technologies à haute performance énergétique P R I S M E transformateurs à haute efficacité permettent de diminuer ces refroidissement. La plupart des transformateurs sont placés pertes afin d’atteindre un optimum économique. dans une citerne remplie d’huile. L’huile refroidit les bobines et sert en même temps d’isolant électrique. Types de pertes Autrefois, l’huile de BPC était l’une des huiles isolantes les plus Un transformateur peut occasionner les types de pertes courantes à utiliser pour les transformateurs, grâce à sa grande d’énergie suivants: résistance au feu et à ses excellentes qualités électriques. Toutefois, les BPC ne se décomposent pas facilement; ils – Perte à vide (aussi appelée perte par le fer, ou perte par t e c h n i q u e peuvent donc s’accumuler dans la chaîne alimentaire et le noyau): Provoquée par un courant magnétisant dans le représenter ainsi un danger pour la santé publique. Par ailleurs, noyau. Cette perte est toujours présente lorsque le les émissions dégagées lorsqu’on brûle des BPC peuvent transformateur est connecté, mais elle demeure indépen- contenir des dioxines. Par conséquent, la plupart des pays ont dante de la charge. Il peut s’agir d’une perte d’énergie imposé un programme visant à mettre hors service tous les constante – et donc importante. transformateurs remplis avec des BPC. Aujourd’hui, presque – Perte en charge (ou perte par le cuivre, perte par court- toutes les huiles isolantes à base de BPC ont été remplacées circuit) : Provoquée par la perte en résistance dans les par de l’huile minérale ou de l’huile de silicone. spires et les raccordements, ainsi que par les courants de Les transformateurs refroidis à l’huile sont les plus efficaces,mais Foucault dans la structure métallique et les spires. Elle varie ils sont interdits dans les environnements à risque d’incendie en fonction du carré du courant de charge. F i c h e élevé. Dans ces endroits, on utilise plutôt des transformateurs – Perte due au refroidissement (seulement pour les refroidis à l’air (ou «transformateurs secs»). Le refroidissement transformateurs refroidis par ventilateur): Provoquée par à air peut se combiner à une résine époxyde ou à du papier la consommation d’énergie du ventilateur. Plus les autres vernissé pour assurer l’isolation électrique. 2
  3. 3. IEPF-FichePrisme-Transformateurs 07/10/04 08:36 Page 3 Les transformateurs de distribution efficaces types de pertes sont importants, plus le refroidissement – Différentes techniques de revêtement et de traitement est nécessaire, et plus la perte en refroidissement sera ainsi qu’un contenu réduit en silicone ont permis de créer élevée. les aciers à grains hautement perméables (HiB). Ceux-ci demeurent aujourd’hui la matière première pour la – Pertes supplémentaires, produites par les harmoniques. fabrication de transformateurs de distribution en Europe. Pertes supplémentaires générées – De nouvelles techniques d’amélioration par le laser de la par les harmoniques technologie des grains de fer ont été initiées au cours des années 1980. Les charges non linéaires du réseau, telles que les différentes vitesses des systèmes à moteur, les ordinateurs et les systèmes – La récente élaboration du fer amorphe constitue un dalimentation non interruptible (UPS), provoquent des progrès important, qui permet de réduire les pertes par harmoniques dans le réseau: il s’agit de petits courants, dont le fer dans les transformateurs. la fréquence est un multiple de la fréquence principale. Figure 3 : Aperçu et évaluation Les harmoniques ont deux impacts négatifs sur les transforma- des différents aciers magnétiques teurs : dune part, ils augmentent la perte en charge, dautre part, ils augmentent la température des spires et de la struc- 0.35 0.30 0.27 0.23 0.18 ture métallique, réduisant la durée de vie du transformateur Perte à vide W17/50 (W/kg) Début de la production CGO Les répercussions concrètes des courants harmoniques 3.0 dépendent en grande partie de leur fréquence, de la conception et de la charge du transformateur. C G O 0. 35 Les pertes provoquées par les harmoniques augmentent de façon 2.0 CG plus que proportionnelle avec l’augmentation de la charge. Par O0 .30 conséquent, dans un transformateur très chargé, les harmoniques CGO 0.23 Début de la production HiB HiB HiB 0.23 peuvent provoquer une perte tellement importante que la 1.0 0.30 température devient trop élevée à certains endroits dans les Irridiation au laser HiB spires. Cela peut nettement réduire la durée de vie d’un 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Année transformateur, et peut même causer des dommages immédiats. Solutions techniques Outre la sélection de l’acier, la façon de concevoir, de couper, de fabriquer et d’assembler les noyaux des transformateurs nº 5 Il est possible d’adapter deux éléments de construction afin de distribution joue un rôle essentiel sur le plan de l’efficacité de réduire les pertes des transformateurs : le noyau et les énergétique. L’augmentation de la taille du noyau permet ainsi spires.Toutefois, la conception de transformateurs est une de réduire la densité du champ magnétique, ce qui améliore Thématique: Les technologies à haute performance énergétique P R I S M E tâche extrêmement spécialisée, qui nécessite une équipe de l’efficacité énergétique du transformateur. concepteurs compétents et expérimentés. La plupart des Une technologie intéressante en matière d’efficacité est le caractéristiques des transformateurs de distribution sont transformateur à noyau supraconducteur refroidi au nitrogène. spécifiées par des normes nationales ou internationales. Dans Beaucoup de transformateurs de distribution de ce type ont certains pays, le respect de ces normes est requis par la loi. déjà été construits; toutefois, ils demeurent nettement plus Dans d’autres pays, les normes servent uniquement de coûteux que les transformateurs traditionnels, et semblent donc référence dans les contrats d’achat. prometteurs uniquement pour des applications spécialisées. t e c h n i q u e Le noyau Les spires Il est possible de diminuer les pertes à vide en choisissant un Il est possible de réduire les pertes en cuivre en augmentant acier plus performant pour fabriquer le noyau.Au fil des ans, la taille du conducteur comportant les spires, ce qui diminue davantage d’aciers spécialisés ont été élaborés pour les noyaux la densité de courant et, par conséquent, l’importance de la de transformateurs: perte. Les pertes par le cuivre (en charge) sont proportion- nelles au carré du courant de la charge; il est donc essentiel – Vers 1900, l’acier laminé à chaud est devenu la matière de de prendre aussi en compte la répartition dans le temps de base pour construire le noyau, qui était constitué de feuilles la charge du transformateur. isolantes individuelles servant à réduire les pertes à vide. L’acier laminé à froid et des techniques d’isolation plus Les matières qui servent à fabriquer les spires n’ont pas connu perfectionnées ont progressivement été développés par la les mêmes améliorations importantes dans les dernières années F i c h e suite afin d’améliorer le rendement. que les aciers utilisés pour construire les noyaux. Néanmoins, le processus continu de laminage à froid, désormais utilisé pour – Les aciers de silicone à grains laminés à froid (CGO) ont la production, peut offrir une qualité plus uniforme. été mis en marché dans les années 1950. Il s’agit d’un premier pas important vers la réduction des pertes à vide. 3
  4. 4. IEPF-FichePrisme-Transformateurs 07/10/04 08:36 Page 4 Les transformateurs de distribution efficaces Le processus d’enroulement des bobines du conducteur, puis que les pertes en charge ont tendance à coïncider avec les d’assemblage avec le noyau,détermine en grande partie l’efficacité charges de pointe, pendant lesquelles un kWh coûte du transformateur. Il s’agit d’un processus exigeant en main- généralement plus cher. Ainsi, il faudrait en fait calculer les dœuvre, qui nécessite des travailleurs qualifiés. De nos jours, on valeurs Wpertes et CITpertes en tenant compte de l’évolution de utilise davantage un enroulement automatisé et contrôlé par un la charge et du prix de l’électricité au fil du temps. opérateur, surtout pour les plus petits transformateurs. Mise en œuvre : Résultats attendus et catégories de transformateurs stratégies de mise en œuvre Il existe différents types et catégories de transformateurs de distribution.Tel que discuté à la section «Principes de base», En procédant à l’évaluation économique d’un transformateur, les transformateurs sont principalement divisés entre les l’acheteur devrait toujours tenir compte du coût global de transformateurs immergés dans l’huile et ceux refroidis à l’air. cycle de vie (parfois appelé coût total de possession) de Par ailleurs, les transformateurs de distribution immergés dans l’appareil. Les pertes d’énergie contribuent généralement à l’huile pouvant atteindre 24 kV et 2 500 kVA sont divisés en deux tiers des coûts de durée de vie d’un transformateur. En catégories normalisées, en fonction de leurs pertes. Pour chaque raison de la longue durée de vie des transformateurs, les gamme de puissance, la première lettre indique la perte en pertes peuvent s’accumuler et atteindre des niveaux considé- charge, et la deuxième lettre indique la perte à vide.Toutes les rables. En général, il est plus rentable d’opter pour un transfor- combinaisons entre les spécifications reliées à la charge et à mateur plus efficace, sans compter que c’est également un vide sont possibles, il existe donc au total neuf catégories pour choix avantageux pour l’environnement. chaque gamme de puissance. Les lettres sont définies en tant que valeurs de perte maximales, en tenant compte d’une Coût des pertes de charge tolérance spécifiée. Le transformateur de classe B-A’ subit les Les pertes de charge annuelles d’un transformateur sont plus grandes pertes, et le transformateur C-C’ subit les pertes exprimées en kWh, et peuvent être évaluées à l’aide de la les moins importantes. Ces spécifications sont établies par formule suivante: l’Union européenne (Harmonisation Document 428). Il existe une différence importante d’efficacité à pleine charge, par Wpertes = (P0 + Pk x L2) x 8760 h exemple, entre un transformateur A-A’ et un transformateur Où: C-C, soit environ 1,5 kW pour une unité de 630 kVA. Dans cette fiche, un transformateur efficace correspond aux modèles – P0 correspond à la perte à vide, exprimée en kW. Ce qui enregistrent des pertes de classe C-C ou moins. facteur est indiqué dans les spécifications techniques du nº 5 Les pertes à vide peuvent être réduites à des niveaux encore transformateur, ou bien il peut être mesuré. plus bas que ceux des modèles de type C’, en utilisant des – Pk correspond à la perte par court-circuit (ou perte en matériaux magnétiques de pointe. Dans le cas d’un transfor- charge), exprimée en kW. Ce facteur est indiqué dans les mateur à noyau amorphe, les pertes à vide sont environ 75% Thématique: Les technologies à haute performance énergétique P R I S M E spécifications techniques du transformateur, ou bien il peut moins importantes que dans un transformateur de classe A’. être mesuré. Dans le cas des transformateurs de 1 000 à 4 000 kVA, les – L correspond à la charge moyenne du transformateur, pertes définies sont de classe D-D’, avec environ 15% moins divisée par la charge maximale. de pertes que les transformateurs de type C-C’.Toutefois, – 8760 correspond au nombre d’heures dans une année. cette catégorie ne comprend pas officiellement de définition normalisée. Dans cette fiche, les transformateurs à haute Le coût de ces pertes, étalé dans le temps, doit être actualisé efficacité correspondent aux transformateur D-D. pour être ajouté au prix d’achat. Ce calcul est désigné le coût t e c h n i q u e Comme le présente le tableau 1, les transformateurs secs de type d’immobilisation total des pertes, soit le CITpertes. La formule standard sont généralement moins efficaces que les transfor- suivante permet de calculer ce coût: mateurs remplis d’huile. Les sites industriels qui ne peuvent pas (1+ r)n – 1 utiliser des transformateurs à huile,par exemple ceux caractérisés TCC pertes = W pertes * C * r*(1+ r)n par des conditions de travail particulières, tel qu’un risque Où: d’incendie élevé la circulation d’une grande quantité de courants harmoniques dans le réseau,devraient opter pour des transforma- – C = le coût moyen estimé par kWh pour chaque année. teurs secs mais faits sur mesure. La plus grande efficacité des – r = le taux d’actualisation estimé. transformateurs faits sur mesure peut ainsi permettre de réaliser – n = la durée de vie estimée du transformateur. d’importantes économies sur le coût global de cycle de vie. F i c h e Étant donné qu’il est impossible de prévoir exactement De même, dans le cas des plus gros transformateurs, plus de l’évolution du régime de charge ainsi que l’évolution du prix quelques MVA, les coûts totaux engendrés par les pertes d’un kWh, il s’agit uniquement d’une estimation du coût total deviennent suffisamment élevés avec le temps pour justifier des pertes. Il est également important de tenir compte du fait l’achat de machines faites sur mesure en fonction des pertes spécifiées dans la demande au fabricant. 4
  5. 5. IEPF-FichePrisme-Transformateurs 07/10/04 08:36 Page 5 Les transformateurs de distribution efficaces Tableau 1 : Pertes d’un transformateur (normes HD428 et HD538 du CENELEC1) Pertes en charge Pertes à vide Puissance À huile (HD428) jusqu’à 24kV2 Sec (HD538) À huile (HD428) jusqu’à 24kV2 Sec (HD538) évaluée Liste A Liste B Liste C 12kV primaire Liste A’ Liste B’ Liste C’ 12kV primaire (kVA) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) 50 1100 1350 875 N/A 190 145 125 N/A 100 1750 2150 1475 2000 320 260 210 440 160 2350 3100 2000 2700 460 375 300 610 250 3250 4200 2750 3500 650 530 425 820 400 4600 6000 3850 4900 930 750 610 1150 630 /4 %3 6500 8400 5400 7300 1300 1030 860 1500 630 /6%3 6750 8700 5600 7600 1200 940 800 1370 1000 10500 13000 9500 10000 1700 1400 1100 2000 1600 17000 20000 14000 14000 2600 2200 1700 2800 2500 26500 32000 22000 21000 3800 3200 2500 4300 1. CENELEC = Comité Européen de Normalisation Électrotechnique www.cenelec.org 2. Des valeurs différentes s’appliquent pour 36 kV 3. 4 % et 6 % réfèrent à l’impédance de court-circuit Économies d’énergie Le taux de rentabilité interne des transformateurs efficaces demeure toujours supérieur à 10%, et peut parfois atteindre Le tableau 2 démontre que les rendements énergétiques des trans- jusqu’à 70% par an. Étant donné le faible risque de l’investisse- formateurs de distribution varient entre environ 94% pour un petit ment et les taux de retour capitalisés du marché, ces résultats transformateur A-A’ à plus de 99% pour un transformateur C- devraient rendre les transformateurs efficaces plus rentables AMDT, le type standard le plus efficace sur le marché. à la fois pour les sociétés industrielles et les compagnies de En moyenne, un transformateur de distribution perd environ distribution publiques. 1,5% de l’énergie transmise, ce qui est assez élevé, si l’on tient compte du fait que les transformateurs fonctionnent presque Coût global de cycle de vie nº 5 24 h sur 24, 365 jours sur 365. En choisissant la technologie Le coût global de cycle de vie d’un transformateur est calculé adéquate,cette perte moyenne peut être réduite d’environ 70%. en additionnant plusieurs composantes : le prix d’achat, les On estime que cela représenterait une économie d’énergie coûts d’installation, la valeur des pertes d’énergie, les coûts Thématique: Les technologies à haute performance énergétique P R I S M E totale de plus de 27 TWh par an soit 1% de la consommation d’entretien et de réparation au long de sa durée de vie utile, annuelle d’électricité de l’Union européenne. ainsi que les coûts de déclassement. Ces deux derniers éléments sont relativement semblables pour tous les types de Économies de coûts transformateurs, et ils sont donc rarement pris en compte Comme le démontre le tableau 2, les délais de rentabilité des pour comparer des transformateurs. Le prix d’achat et les investissements en transformateurs à haute efficacité sont pertes énergétiques sont les deux principaux facteurs à courts, surtout relativement à leur longue durée de vie (25 à prendre en compte. Si l’on compare différentes technologies, par exemple les transformateurs secs et les transformateurs t e c h n i q u e 30 ans). Si l’on remplace un transformateur de 1600 kVA de type A-A’ par un transformateur de type C-C’ par exemple, le immergés dans l’huile, il faut également tenir compte des coûts délai de rentabilité ne dépassera pas 1,4 année. d’installation, qui peuvent sensiblement varier. Tableau 2 : Économies d’énergie Transformateur 400kVA Transformateur 1600kVA Efficacité Économies Coût Délai de Efficacité Économies Coût à Délai de à l’unité rentabilité l’unité rentabilité (%) (kWh) (€) (€) (années) (%) (kWh) (€) (€) (années) F i c h e A-A’ 98.04 – 4307 – 98.51 – – 9434 – C-C’ 98.64 3143 163 4762 2.8 98.99 9759 507 10147 1.4 A-AMDT 99.35 6833 355 6332 5.7 99.38 19447 1011 14953 5.5 C-AMDT 99.40 7085 368 6753 6.6 99.45 20972 1091 15469 5.5 5
  6. 6. IEPF-FichePrisme-Transformateurs 07/10/04 08:36 Page 6 Les transformateurs de distribution efficaces Avantages pour l’environnement Outre leur rentabilité économique, les transformateurs à haute efficacité procurent également un avantage environnemental important. Les centrales électriques sont parmi les principaux émetteurs de CO2. Les économies d’électricité permettent Où : donc aux pays de respecter une partie de leur engagement à l’égard du protocole de Kyoto. La quantité exacte des – e = perte attribuable aux courants de Foucault exprimée émissions produites dépend du carburant utilisé. Elle est par la fréquence fondamentale, divisée par la perte comprise entre 30 g/kWh en France, qui comprend de provoquée par un courant continu égal à la valeur efficace nombreuses centrales nucléaires, et plus de 1 kg/kWh dans les (RMS) du courant sinusoïdal à la température de référence. pays qui utilisent beaucoup de charbon dans leurs centrales. – n = rang de l’harmonique. La moyenne européenne est estimée à environ 0,4 kg/kWh. – I = valeur efficace (RMS) du courant sinusoïdal comprenant Évaluation des harmoniques tous les harmoniques calculés au moyen de la formule suivante: La question des courants harmoniques ne doit pas être prise à la légère. Le cycle de durée de vie d’un transformateur est fortement déterminé par la température de fonctionnement la plus élevée, et cette dernière augmente de façon significative avec les courants harmoniques. Il est difficile de déterminer le – In = intensité de la nème harmonique. taux de dégradation exact qui est attribuable aux harmoniques, – I1 = intensité du courant fondamental. mais l’expérience indique que les dommages peuvent être très graves. Si un transformateur comportait uniquement une charge – q = constante exponentielle qui dépend du type d’enroulement constituée d’un grand nombre d’ordinateurs, les harmoniques et de la fréquence.Par exemple,q=1,7 pour les transformateurs réduiraient sa durée de vie de 40 ans à 40 jours! Bien sûr, cette avec conducteurs de section plate arrondie dans les deux illustration représente le cas extrême, puisque dans la réalité, la enroulements, et q=1,5 pour les transformateurs avec charge dun transformateur varie dans le temps et est rarement enroulement basse tension en feuilles de cuivre enroulées. constituée dordinateurs seulement.Toutefois, la charge non Il existe des logiciels informatiques spécialisés qui permettent linéaire (produisant des harmoniques) représente facilement les de calculer rapidement cette formule. 2/3 de la charge des bâtiments à bureaux! Voici quelques conseils: Conclusion nº 5 – Si le réseau comporte des sources de courants harmoniques Les transformateurs à haute efficacité fonctionnent grâce à et que le transformateur est chargé à 75% ou plus de sa une technologie éprouvée et fiable qui existe déjà depuis des capacité nominale,il est recommandé de demander à un expert décennies. En choisissant les matériaux adéquats, des dimen de vérifier si les harmoniques endommagent le transformateur sions et une conception appropriées, Il est possible de réduire Thématique: Les technologies à haute performance énergétique P R I S M E et si sa durée de vie peut être alors significativement réduite. considérablement les pertes d’un transformateur, avec une – En achetant un nouveau transformateur, il est recommandé moyenne de 70%. Ainsi, les transformateurs industriels offrent d’informer le fabricant sur l’envergure des harmoniques du un grand potentiel d’économies de coûts et d’énergie. réseau, afin qu’il puisse en tenir compte en concevant ou En fait, en achetant un transformateur, il faut non seulement en choisissant le transformateur. prendre en compte le prix d’achat, mais aussi le coût global La formule ci-dessous permet de calculer la valeur des de cycle de vie. Ce coût comprend à la fois les pertes à vide courants harmoniques typiques d’une charge créés par un pont et les pertes en charge. Sur le plan économique, le transforma- t e c h n i q u e à semi-conducteurs: teur ayant le plus faible coût global représente la meilleure h=pxk±1 option. Dans la plupart des cas, il s’agit d’un modèle à haute efficacité. Il est ensuite essentiel de procéder à une étude du Où: réseau afin de déterminer les niveaux d’harmoniques du – p = nombre d’impulsions du pont (6, 12). réseau relié au transformateur, étant donné que ces harmo- – k = nombre entier arbitraire (1, 2 …, n). niques peuvent avoir de graves répercussions à la fois sur la durée de vie et sur les pertes du transformateur. – Pour un pont à 6 impulsions, les harmoniques sont: 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, etc. Les recommandations suivantes permettent d’éviter de façon simple les pertes importantes inutiles : – Pour un pont à 12 impulsions, les harmoniques sont : 11, 13, 23, 25, etc. – En achetant un transformateur, toujours demander au F i c h e fournisseur de préciser une alternative à haut rendement On peut calculer l’influence des courants harmoniques sur la énergétique en plus du modèle classique. charge du transformateur en multipliant cette charge par un facteur de déclassement, ou «facteur K». La formule suivante – Pour éviter d’effectuer une évaluation énergétique de chaque permet de calculer ce facteur K: transformateur acheté, il peut être souhaitable de mettre en place la politique visant à n’acquérir que des transformateurs 6
  7. 7. IEPF-FichePrisme-Transformateurs 07/10/04 08:36 Page 7 Les transformateurs de distribution efficaces à haute efficacité,par exemple:des transformateurs CC’ pour Sites Internet les types refroidis à l’huile, et des transformateurs HD538 Démonstration de transformateurs efficaces en opération: avec une réduction des pertes de 20% pour les types www.supertrafo.com refroidis à l’air. Une telle politique permettra de réduire de façon significative le coût global de cycle de vie de l’ensemble Site de référence sur les transformateurs efficaces: des transformateurs de l’entreprise. http://transformers.copperwire.org Outil de calcul du «facteur K»: – Si des transformateurs de 40 ans ou plus sont encore www.cda.org.uk/download/KFCalc.exe utilisés, il est sage, sur le plan économique, de les remplacer par de nouveaux transformateurs à haute efficacité, même s’ils n’ont pas atteint la fin de leur durée de vie. En effet, ces plus vieux transformateurs subissent de telles pertes qu’il Les fiches techniques PRISME est justifié de les remplacer immédiatement. (Programme International de Soutien à la En Europe, il a été calculé qu’en se conformant à cette Maîtrise de l’Énergie) sont publiées par l’IEPF. politique, l’Union européenne (UE-15) pourrait économiser Directeur de la publication : plus de 27 TWh par an, ce qui correspond à une réduction de El Habib Benessahraoui, directeur exécutif, IEPF 11 millions de tonnes de CO2. Pour résumer, les transforma- Comité éditorial : teurs à haute efficacité peuvent représenter un important Sibi Bonfils, directeur adjoint, IEPF avantage pour les sociétés industrielles, ainsi que pour Jean-Pierre Ndoutoum, responsable de programme, IEPF l’ensemble de l’économie et pour l’environnement. Supervision technique : Références Maryse Labriet, Environnement Énergie Consultants Rédaction : Ouvrages Hans De Keulenaer CENELEC, 1992. 3-phase oil-immersed distribution transfor- European Copper Institute mers 50 Hz, from 50 to 2500 kVA with highest voltage for Édition et réalisation graphique : equipment not exceeding 36, 12 pages. Communications Science-Impact CENELEC, 1992. 3-phase dry-type distribution transformers 50 Hz from 100 to 2500 kVA, with highest voltage for equipment not exceeding 36 kV, 11 pages. nº 5 Chaitkin, S. and D, Merritt, S Y., 2003. No-load versus load loss, IEEE Industry Applications, Nov-Dec/2003, 8 pages. Chaitkin, S D and Merritt, S Y., 2004. NEMA Class I L’Institut de l’énergie et de l’environnement Thématique: Les technologies à haute performance énergétique P R I S M E Transformers. Efficiency standards for low-voltage de la Francophonie est un organe subsidiaire substation transformers., IEEE Industry Applications, de l’Agence intergouvernementale de la Mar/Apr 04, 4 pages. Francophonie (AIF). Il a été créé en 1988 par la Conférence générale de l’Agence, suite aux De Keulenaer, H, Hurens, P, and Lebot, B., 2003. Energy-Efficient décisions des deux premiers Sommets des Distribution Transformers: a Hidden Opportunity for Large chefs d’État et de Gouvernement des pays Scale Energy Savings, ECEEE, 8 pages. ayant en commun l’usage du français. Son siège est situé à Québec, au Canada. Sa Declercq, J., 2003.Transformers for wind turbines - need for mission est de contribuer au renforcement new designs or business as usual, CIRED, 5 pages. des capacités nationales et au développement t e c h n i q u e des partenariats au sein de l’espace Hulshorst,W., 2002. Energy saving in industrial transformers, francophone dans les domaines de l’énergie KEMA, 59 pages. et de l’environnement. (available from http://transformers.copperwire.org) Institut de l’énergie et de l’environnement de la Francophonie (IEPF) NEMA TP1-2002, 2002. Guide for Determining Energy 56, rue Saint-Pierre, 3e étage Efficiency for Distribution Transformers, NEMA, 12 pages. Québec (QC) G1K 4A1 Canada Téléphone: (1 418) 692 5727 Sumereder, C., 2003. Life time management of power Télécopie: (1 418) 692 5644 transformers, CIRED, 4 pages. Courriel: iepf@iepf.org Site Web: www.iepf.org THERMIE, 1999. The scope for energy saving in the EU through the use of energy-efficient electricity distribution F i c h e transformers, European Copper Institute, 60 pages. 7
  8. 8. IEPF-FichePrisme-Transformateurs 07/10/04 08:36 Page 8 Les transformateurs de distribution efficaces Étude de cas Transformateur de type C-C’ ou D-D’ ? Raisons et description du projet En supposant que la valeur du CO2 sur un marché international d’échanges de permis d’émissions atteigne Une usine de papier possède deux chaînes de production. 10 € par tonne de CO2, et en supposant un taux d’émission L’une, construite dans les années 1970, est alimentée par de la production d’électricité de 0,4 tonne CO2/MWh (ce des transformateurs de distribution immergés C-C’. L’autre, taux dépend évidemment des pays voire des régions), le construite dans les années 1980, utilise des transforma- remplacement du transformateur par un modèle D-D’ teurs immergés de type D-D’. Les transformateurs ont une (3150 KVA) a permis à l’usine de réduire ses émissions de capacité de 3 150 kVA. Ils sont chargés 24 heures/jour, CO2, ce qui représente un gain possible équivalent à : 7 jours/semaine, à environ 85 %. Il faut tenir compte des 840 MWh x 0,4 tonne/MWh × 10 €/tonne = 3 360 € harmoniques en raison des moteurs à 6 impulsions utilisés dans l’usine. Stratégie de mise en oeuvre Résultats techniques et financiers Le résultat précédent ne signifie pas qu’il fut une erreur de choisir des transformateurs efficaces de type standard dans Malgré son coût d’achat plus élevé, le transformateur à les années 1970. Les facteurs de choix d’un type de trans- haute efficacité s’avère finalement le meilleur choix (voir formateur peuvent en effet varier avec le temps, par tableau 1) : la perte à vide évaluée de ce dernier est exemple: l’investissement dans les installations de l’entre- légèrement plus élevée que pour un type standard, mais la prise, les prix de l’électricité, l’offre des fournisseurs. perte en charge est bien plus faible. Étant donné le régime Faudrait-il aussi remplacer les transformateurs de la de charge des transformateurs (24/24 h, 7/7 jours, 85 %), première chaîne de production? Non, il est plus sage, sur les l’économie d’énergie annuelle (46 816 kWh) ainsi que les plans économique et environnemental, de maintenir les économies en émissions de CO2, sont importantes pour transformateurs actuels, suffisamment efficaces, tant qu’ils les transformateurs à haute efficacité. Le coût capitalisé dun ne présentent pas de signes de dégradation grave. Il est transformateur à haute efficacité, sur 20 ans et incluant les recommandé de remplacer un transformateur avant la fin pertes, est de 82 233 € contre 96 415 € pour le type de son cycle de durée de vie pour des raisons d’efficacité standard. Grâce à la mise en oeuvre de transformateurs D- énergétique uniquement dans le cas de très vieux transfor- D’ sur la seconde chaîne de production, l’entreprise a nº 5 mateurs construits avec des aciers laminés à chaud. réalisé les économies suivantes entre 1986 et 2004: 18 ans * 46,8 MWh/a = 840 MWh par an, soit 33600 €. Thématique: Les technologies à haute performance énergétique P R I S M E Tableau 1 : Comparaison des deux transformateurs (sur 20 ans) Transformateur 3150 kVA Unité Transfo. 1978 Transfo. 1986 Différence Puissance kVA 3150 3150 Perte à vide évaluée P0 W 2870 3150 280 Perte en charge évaluée Pk W 24500 16800 –7700 Pertes totales annuelles Wperte 1 kWh/a 181908 135092 –46816 t e c h n i q u e Pertes financières annuelles CTAperte2 Euro/a 7276 5404 –1873 Émissions CO2 @ 0,4 kg/kWh tonne/a 72,8 54,0 –18,8 Prix d’achat Euro 19329 24987 5658 Valeur actualisée pertes à vide CT03 Euro 10654 11693 1039 Valeur actualisée pertes en charge CTk4 Euro 66432 45553 –20879 Coût total actualisé CTperte (20 ans) Euro 96415 82233 –14182 Délai de rentabilité5 Années – – 3,0 Taux de retour interne % – – 33% 1. Wperte = (P0 + Pk x L2) x 8 760 h avec L=0,85 F i c h e 2. CTAperte = Wperte * pélectricité avec pélectricité =0.04 euros / kWh 3. CT0 = Pk * pélectricité * [(1+r)n-1] / [r*(1+r)n] avec r = 7 % (taux d’actualisation) et n = 20 ans (durée de vie) 4. CTk = Pk * pélectricité * [(1+r)n-1] / [r*(1+r)n] 5. Délai de rentabilité (Payback) = Surcoût d’achat (5 658 euros) / Économies annuelles (1 873 euros/an) 8

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