TRANSFORMATEUR MONOPHASE

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1 TRANSFORMATEUR MONOPHASE Les parties à préparer avant la séance sont encadrées. Au début de chaque séance, l enseignant vérifiera que ce travail de préparation a bien été réalisé. OBJECTIFS DE LA MANIPULATION Le but principal de cette manipulation est de valider expérimentalement un modèle pour un transformateur de tension en régime sinusoïdal établi, en vue de prévoir son comportement électrique externe autour du point de fonctionnement nominal. Le modèle étudié est précis pour décrire les transformateurs employés sur les réseaux alternatifs de distribution de l'énergie électrique travaillant à basses fréquences. Dans ce cas, leur fonctionnement reste proche de celui d'un transformateur idéal. Néanmoins, ce modèle peut aussi être utilisé, en première approximation, pour des transformateurs de petites puissances utilisés dans les alimentations de dispositifs électroniques, qu'il s'agisse d'alimentations linéaires pour lesquelles le transformateur est directement couplé au réseau, ou d'alimentations à découpage pour lesquelles le transformateur travaille en régime périodique non sinusoïdal à plus hautes fréquences. A l'issue de la manipulation (et après consultation du cours!), l'étudiant doit : - connaître la signification des différents paramètres du modèle d'un transformateur (schéma électrique équivalent) et les ordres de grandeurs comparés, - identifier ces paramètres au moyen de mesures à puissance réduite (essais à vide et en court circuit en régime harmonique), - utiliser ce modèle pour prévoir le comportement en charge (caractéristiques de sortie, courbes de rendement) et comparer aux mesures, - établir un bilan de puissance et détailler les différentes pertes. MATERIEL MIS A DISPOSITION La liste du matériel nécessaire pour effectuer cette manipulation est la suivante: - un transformateur monophasé démontable 0V/110V-400VA, N=440 spires S=1, m² - un générateur alternatif variable (autotransformateur) 0-0 V, - une alimentation continue 5V/5A (ou autre, fournie par l'enseignant), - un wattmètre numérique, utilisable aussi en voltmètre et ampèremètre, - une charge résistive constituée d'un (ou deux) rhéostats pouvant accepter un courant de 5A au moins, - une self à fer variables et pouvant accepter un courant de 5A, - un boîtier de commutation, qui permet d'utiliser les mêmes appareils de mesure au primaire et au secondaire du transformateur. PRECAUTIONS ET RECOMMANDATIONS Il est impératif : - de faire vérifier le montage à chaque modification de câblage, - de prendre soin de ne pas dépasser les valeurs nominales de courant et de tension, aussi bien au primaire qu au secondaire. Transfo - 1

2 MANIPULATION Le modèle du transformateur utilisé dans ce TP est celui vu en cours (figure 1). I 1 I 1 0 l j r I V 1 R0 Lj 0 m V 0 V Figure 1 : Schéma équivalent 1 - DETERMINATION DES PARAMETRES DU SCHEMA EQUIVALENT L'objet de cette partie de la manipulation est de montrer comment déterminer les paramètres du schéma équivalent sans devoir travailler à puissance nominale, à partir d'essais à puissance réduite. Le bon dimensionnement du transformateur peut ainsi être vérifié sans risque, avant sa mise en service. Cette démarche est absolument nécessaire sur les transformateurs de moyenne et forte puissance. Le caractère prédictif du modèle est ainsi utilisé. Il est bien sûr intéressant que ces essais soient les plus simples possibles. Le montage est toujours celui de la figure. Transformateur 0V/110V + Cordon 0 V Réseau 0 V Autotransformateur I1 V1 Primaire ENTRÉES I V Secondaire Charge variable I1 I V1 V CC A MESURES V I W Figure : Plan de câblage V Transfo -

3 1-1 Plaque signalétique Au moyen de la plaque signalétique du transformateur, relever ou déterminer les valeurs nominales pour la puissance apparente fournie au secondaires n, la tension secondairev n et le courant secondairei, la tension primaire V et le courant primairei. n 1 n 1 n 1- Mesure de la résistance des enroulements primaire et secondaire Mesurer les résistances des enroulements primaire et secondaire (r 1 et r ) par une méthode voltampèremétrique : préciser le type de montage (courte ou longue dérivation) à utiliser. 1-3 Essai à vide Lorsque le transformateur fonctionne à vide, le schéma équivalent proposé correspond à celui de la figure 3. Le transformateur étant alimenté au primaire sous tension nominale et le secondaire étant non chargé (à vide), mesurer la tension secondaire V 0, le courant primaire I 10 et la puissance active absorbée au primaire P 10. Donner les formules permettant de calculer R 0 et L 0 en fonction de V 1n et P 10 (ou Q 10 ). Quel type de pertes représente donc effectivement la résistance R 0? A partir de ces mesures, déterminer le rapport de transformation m, la résistance R 0 permettant de représenter les pertes à vide et l'inductance magnétisantel 0. Donner l expression des pertes joules à vide dans le bobinage primaire. Calculer les pertes cuivre à vide dans le bobinage primaire et comparer à P 10. Observer à l aide de l oscilloscope le courant et la tension au primaire du transformateur pour V 1 =70 V, 110 V, 160V et 0 V. Donner la relation entre la valeur efficace de la tension appliquée au primaire, sa fréquence, l induction dans le circuit magnétique, le nombre de spires du bobinage et section du circuit magnétique (relation de Boucherot). A partir de la relation de Boucherot, calculer le champ d induction maximal dans le circuit magnétique pour chacune des tensions étudiées. Connaissant le cycle d hystérésis du matériau magnétique (figure 3), interpréter l allure du courant mesuré et son évolution en fonction de la tension appliquée. Figure 3 : Cycle d hystérésis du matériau magnétique Transfo - 3

4 1-4 Essai en court-circuit Dans cet essai, le secondaire est en court circuit et la tension primaire est réglée de façon à obtenir le courant nominal au secondairei n. Le schéma équivalent se réduit alors à celui de la figure 4. On justifiera dans la suite pourquoi les influences de R 0 et L 0 sont négligées. I 1 cc I cc + l j r V 1 cc m Figure 4 : Schéma équivalent pour l'essai en court-circuit Régler la tension primaire à 0 Volts et placer le secondaire en court circuit. En augmentant progressivement la tension primaire, amener le courant secondaire au courant nominal. Relever alors V1 cc, I1 cc et P1 cc. Donner les formules permettant de calculer r et l en fonction de V 1cc et P 1cc (ou Q 1cc ). A partir de ces mesures, déterminer la résistance r et l'inductance de fuite l. Comparer r à r m r1. Donner l expression des puissances actives et réactives absorbées par R 0 et L 0. Afin de vérifier que les influences de R 0 et L 0 sont effectivement négligeables dans cet essai, évaluer par le calcul les puissances active et réactive absorbées par ces éléments et les comparer à P1 cc et Q 1. cc - FONCTIONNEMENT SUR CHARGE R-L Le schéma équivalent du montage étudié correspond à la figure 5. La charge variable est constituée d'un rhéostat et d'une self réglable en parallèle. + Source V 1 I 1 R0 I 1 0 Lj 0 m l V 0 j r I V Charge Transformateur Figure 5-1 Approximation de Kapp de la chute de tension - Rendement Rappeler l approximation de KAPP de la chute de tension au secondaire du transformateur. En déduire la relation entre V et cos lorsque I est fixé. Transfo - 4

5 Déterminer l expression du rendement du transformateur différentes pertes dans le transformateur. Donner l allure de autres grandeurs sont fixées. en fonction de V, I, cos et des en fonction de cos lorsque toutes les - Etude du fonctionnement nominal Pour V1 V1 n et I I n, tracer expérimentalement les courbes V (cos ) et (cos ). Pour cela, mesurer I 1, P 1, P et V pour quelques valeurs de (5points suffisent). Tracer la courbe expérimentale de la tension délivrée par le transformateur en fonction cos, puis la courbe V (cos ) théorique pour V1 V1 n et I I n dans la gamme mesurée de. Conclusion. Tracer la courbe expérimentale du rendement en fonction cos, puis la courbe (cos ) théorique pour V1 V1 n et I I n dans la gamme mesurée de. Conclusion. Transfo - 5

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