Les transformateurs monophasés

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1 monophasés Un transformateur électrique est une machine électrique qui permet de de modifier les valeurs de tension et d'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, sans modifier la forme ou la fréquence. Le rendement de transformation est excellent. Circuit magnétique feuilleté de grande perméabilité «Transformateur monophasé» original téléversé par BillC sur Wikipedia français On distingue les transformateurs statiques et les commutatrices : - Dans un transformateur statique, l'énergie est transférée du primaire au secondaire par l'intermédiaire du circuit magnétique que constitue la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alors magnétiquement couplés. Ceci permet de réaliser un isolement galvanique entre les deux circuits. - Dans une commutatrice, l'énergie est transmise de manière mécanique entre une génératrice et un moteur électrique. 1

2 I. Le transformateur parfait - e 1, e 2 : (f.e.m) forces électromotrices ; - 1, 2 : (f.m.m) forces magnétomotrices. On désigne par un transformateur parfait lorsqu'il possède les caractéristiques suivantes : - une réluctance du circuit magnétique très faible, telle que =. 0 ; - une résistance du circuit électrique pratiquement nulle, telle que R 0 ; - les pertes joules sont nulles P j = 0 ; - les pertes fer sont nulles P f = 0 ; - l induction magnétique B est uniforme dans le transformateur - Les flux de fuites sont nuls P F = 0 et P H = 0 (pertes par courant de Foucault et par hystérésis) 2

3 Les courants de Foucault sont des courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu (le flux du champ à travers le milieu), soit par un déplacement de cette masse dans un champ magnétique constant. Ils sont une conséquence de l'induction électromagnétique. Ces courants sont responsables d'une partie des pertes (pertes par courants de Foucault) dans les circuits magnétiques des machines électriques alternatives et des transformateurs. C'est la raison pour laquelle les circuits magnétiques sont feuilletés afin de limiter ces courants et les pertes par effet Joule, ce qui améliore ainsi le rendement global des transformateurs. Les pertes par courant de Foucault sont liées directement à la variation temporelle du champ magnétique : =... (m) (.m) (W.kg -1 ) 3,5 < K F < 17 (Hz) (T) Les pertes par hystérésis sont liées au changement de direction permanent du flux qui oblige le fer à se réorienter lui aussi en permanence, cela ne se fait pas sans frottement ce qui crée ces pertes. Elles sont minimisées par l'utilisation d'un matériau ferromagnétique doux. En effet, elles sont proportionnelles à l'aire du cycle d'hystérésis, celui-ci doit donc être le plus étroit possible, d'où les matériaux doux. Ces pertes sont de plus proportionnelles à la fréquence et à la nature des matériaux : =.. (W.m -3 ) 1,6 < K H < 5 (Hz) (T) 3

4 I.1. Schéma équivalent Un transformateur parfait sera représenté par le schéma suivant : La loi de Faraday : = Schéma équivalent d'un transformateur parfait : le flux élémentaire à travers une spire : le flux total dans n spires, tel que = n. e 1 : la f.e.m, convention récepteur = + e 2 : la f.e.m, convention générateur = On a alors : V 1 = e 1 = + = +. et V 2 = e 2 = =. Puisque l'induction magnétique est uniforme dans le circuit magnétique (B 1 = B 2 = B), et le flux élémentaire dans une spire = et = alors 1 = 2 = 4

5 Si on considère le flux sous sa forme mathématique : =. On a =. et =. Ce qui donne la relation suivante : = = On désigne par m le rapport de transformation et le signe (-) par un déphasage de entre les vecteurs tensions et. si m =1: le transformateur est un transformateur d'isolement. m >1: le transformateur est un transformateur élévateur. m <1: le transformateur est un transformateur abaisseur. Remarque : pour qu'il y ait "transformation", il faut que le flux soit variable en fonction du temps, soit, par exemple, un flux sinusoïdal tel que 0. Relation de Boucherot : =. avec 1 = 2 = = Soit : V 1 = 4,44.n 1.f. B max.s 5

6 I.2. Equation aux intensités : Théorème d'ampère (Relation d'hopkinson) Le nombre d'ampère-tours sera égal à la somme des forces magnétomotrices "f.m.m". Lorsque la perméabilité du circuit magnétique µ r étant infinie, la réluctance est nulle. Ce qui implique : n 1.I 1 = - n 2.I 2 Soit : = = 6

7 I.3. Propriétés des transformateurs parfaits I.3.1. Equivalence des puissances 7

8 I.3.2. Impédance ramenée 8

9 I Impédance ramenée au secondaire (1) (2) (3) (4) Schéma équivalent des impédances ramenées au secondaire (1) (5) (5) (6) (6) 9

10 I Impédance ramenée au primaire On a les relations suivantes : (1), (2), (3) et (4) (1) (7) (2) (7) Schéma équivalent des impédances ramenées au primaire 10

11 I Exemple Soient les impédances complexes Z 1 = r 1 + j.x 1 et Z 2 = r 2 + j.x 2 respectivement de l'entrée et de la sortie. Déterminez les impédances ramenées (formes algébriques et polaires). Forme algébrique Forme polaire 11

12 II. Le transformateur monophasé réel 12

13 II.1. Equation aux tensions Chaque enroulement admet son propre résistance, telles que r 1 premier enroulement et r 2 a résistance du second enroulement. la résistance du II.1.1. L'enroulement primaire (8) (9) (10) (11) 13

14 II.1.2. L'enroulement secondaire (12) (13) (14) (15) 14

15 II.2. Equation des Ampère-tours (16) (16) 15

16 II.3.1. Schéma équivalent I 10 est le courant de fuite dans la réluctance, qui est l'association électrique de deux composantes, une résistance désigné par R f et une inductance nommée X µ, telles que ces deux derniers termes font l'objet d'une impédance magnétisante fictive. On a les relations ci-dessous des tensions et des courants, qui font l'objet du schéma équivalent un transformateur parfait. (11) (15) (16) Schéma équivalent d'un transformateur réel 16

17 II.3.1. Etude avec l hypothèse de Kapp Cette hypothèse consiste à négliger I 10 à vide devant le courant de charge, ce qui revient à supposer que le circuit à une réluctance nulle, = = Cette hypothèse permet d éliminer dans le schéma l impédance fictive magnétisante Z m, telle qu elle est l association d une résistance R f et d une inductance X µ en parallèle. 17

18 Etude des pertes Les transformateurs Les pertes dans le cuivre 18

19 Rendement Les transformateurs Étude du rendement maximal 19

20 Bilan des puissances 20

21 Transformateur en triphasé 21

22 Symbol et orientation 22

23 23

24 Exercices d application Les transformateurs

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