PIFFRET JBS TRANSFORMATEUR COURS 7 T CAP E Elec Objectif terminal : Connaître, définir et savoir déterminer les grandeurs caractéristiques d'un transformateur monophasé et d'un transformateur triphasé. Domaine : S0.3, Appareils électromagnétiques, transformateur monophasé et transformateur triphasé. 1. ROLE DU TRANSFORMATEUR Le transformateur permet de modifier une tension alternative, avec un excellent rendement surtout pour les fortes puissances. Il existe trois types de transformateurs monophasés ou triphasés : - Les transformateurs abaisseurs (230V / 24V). - Les transformateurs élévateurs (24V / 230V). - Les transformateurs d'isolement (230V / 230V). Il faut savoir que tout transformateur est réversible. 2. TRANSFORMATEUR MONOPHASE a. Symboles b. Description d'un transformateur 1
Un transformateur monophasé comporte : - Un circuit magnétique feuilleté, qui réduit les pertes par courants de Foucault (perte d'énergie due à l'échauffement des tôles). - Deux enroulements isolés électriquement l'un de l'autre, un des enroulements est alimenté par le réseau, il est récepteur, c'est l'enroulement primaire et l'autre enroulement fournit une tension au circuit d'utilisation, il est générateur, c'est l'enroulement secondaire. Circuit électrique primaire Circuit électrique secondaire Circuit magnétique c. Principe Une tension alternative U 1 est appliquée aux bornes de l'enroulement primaire, un champ magnétique est créé par le circuit électrique primaire. Ce champ ainsi créé se propage et circule dans le circuit magnétique du transformateur et passe au travers du circuit électrique secondaire créant ainsi une tension alternative induite U 2 à ses bornes. La valeur de la tension induite dépendra du nombre de spires de la bobine du circuit secondaire. d. Rapport de transformation : Le rapport de transformation est le coefficient entre le primaire et le secondaire du transformateur. Il est caractérisé par m et n'a pas d'unité. m = N 2 N 1 N 1 Nombre de spires au primaire. N 2 Nombre de spires au secondaire. 2
- Rapport de transformation pour un transformateur parfait Un transformateur parfait est un transformateur dans lequel il n'y a pas de perte. R 1 = R 2 = 0 Ω, pas de perte magnétique, donc : P 1 = P 2 ; Q 1 = Q 2 ; S 1 = S 2 ; cos ϕ 1 = cos ϕ 2. η = 1 m = U 2 = N 2 = I 1 U 1 N 1 I 2 U 1 Tension au primaire en volts (V). U 2 Tension au secondaire en volts (V). I 1 Intensité dans le primaire en ampères (A). I 2 Intensité dans le secondaire en ampères (A). - Caractéristiques d'un transformateur réel Un transformateur réel a des pertes. Pf, Puissance perdue dans le circuit magnétique (pertes fer). P 1, Puissance électrique P 2, Puissance absorbée au primaire. Transformateur électrique utile au secondaire. - Bilan des puissances : Pj, Puissance perdue par effet joule due à R 1 et R 2 (pertes joule). P 1 = P 2 + Pj + Pf - Pertes joule (Pj en watt) : Pj 1 = R 1. I 1 ² Pj 2 = R 2. I 2 ² Pj = Pj 1 + Pj 2 On peut écrire que : Pj = R 1. I 1 ² + R 2. I 2 ² 3
Les pertes joule totales sont appelées pertes cuivre. On peut aussi déterminer les pertes cuivre à partir d'un essai en court circuit : Pj = P 1CC - Pertes fer (Pf en watt) : Elles comprennent les pertes par Hystérésis (échauffement dû au changement de polarité du champ magnétique dans les tôles) et les pertes par courants de Foucault (échauffement dû aux courants créés dans le circuit magnétique). Les pertes fer sont déterminées par un essai à vide : Pf = P 1V - Rendement : - Méthode directe : η = P 2 P 1 - Méthode des pertes séparées : η = P 2 = P 1 Pf Pj P 2 + Pf + Pj P 1 avec P 2 = U 2. I 2. cos ϕ 2 Le rendement sera maximum lorsque : Pf = Pj - Chutes de tension : C'est l'écart entre la tension à vide et la tension en charge au secondaire. - Absolue : U 2 = U 2V U 2 - Relative : U = U 2V U 2 U 2V La tension à vide peut s'écrire de deux façons : U 20 et U 2V. 4
- Rapport de transformation pour un transformateur réel - Dans l'essai à vide, le transformateur est parfait pour les tensions : m = U 2V U 1 - Dans l'essai en court circuit, le transformateur est parfait pour les courants : m = I 1CC I 2CC I 2CC Intensité de court circuit au secondaire correspondant au courant nominal du secondaire. - Rapport de transformation généralisé : m = U 2V = I 1CC = N 2 U 1 I 2CC N 1 3. TRANSFORMATEUR TRIPHASE Les transformateurs triphasés sont utilisés pour le transport d'énergie (20KV / 400KV) et la distribution d'énergie (20KV / 400V). a. Constitution 5
Un transformateur triphasé est constitué d'enroulements bobinés sur trois colonnes d'un circuit magnétique commun. Sur chaque colonne sont disposés un enroulement primaire et un enroulement secondaire. Circuit magnétique Circuit électrique primaire et secondaire de la phase 2. Les trois enroulements primaires peuvent être couplés en triangle ( D ) ou en étoile ( Y ). Les trois enroulements secondaires peuvent être couplés en triangle ( d ), en étoile ( y ) ou en zig-zag ( z ). Il existe 6 possibilités de couplage : Yy, Yd, Yz, Dy, Dd, Dz. b. Rapport de transformation On a m par colonne et on pose M = U 2V /U 1 entre phase. Couplage Primaire Secondaire Rapport de transformation Y d m = U 2V / V 1 = M. 3 = N 2 / N 1 Y y m = V 2V / V 1 = M = N 2 / N 1 D d m = U 2V / U 1 = M = N 2 / N 1 D y m = V 2V / U 1 = M / 3 = N 2 / N 1 6
c. Rendement - Méthode directe : η = P 2 P 1 - Méthode des pertes séparées : η = P 2 = P 1 Pf Pj P 2 + Pf + Pj P 1 avec P 1 = U 1. I 1. 3. cos ϕ 1 P 2 = U 2. I 2. 3. cos ϕ 2 Pf = P 1V Essai à vide Pj = 1,5. R 1. I 1 ² + 1,5. R 2. I 2 ² Essai en court circuit. avec R 1 et R 2 entre phase. Quelque soit le couplage : U Tension composée. I Intensité en ligne. R Résistance entre phase. 4. EXERCICES Transformateur monophasé 7
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Transformateur triphasé 10