LYCEE LOUIS DE CORMONTIGNE. 1 Place Cormontaigne BP 7064. 57010 METZ Cedex 1 Tél.: 03 87 31 85 31 Fax : 03 87 31 85 36 Sciences ppliquées. Savoir-faire expérimentaux.. Référentiel.. :. S5 Sciences. ppliquées...... C1 : Transformateurs. TP Sciences Physique N 14 : Transformateur monophasé. Support Matériel : Transformateurs monophasés 3 K Matériel spécifique : Pince Chauvin rnoux F 7 Objectifs : alider le modèle d un transformateur monophasé. Détermination des grandeurs réduites. Mesure du rendement par une méthode d opposition STS_14 Transformateur monophasé.doc Page 1 / 6.
TRNSFORMTEUR MONOPHSE Introduction La distribution de l'énergie électrique en alternatif 50Hz se fait sous différentes valeurs efficaces de tension. Le transformateur a pour but l'adaptation entre deux réseaux de tension différente. Le second intérêt du transformateur et d'isoler électriquement les deux réseaux. Le transformateur peut fonctionner indifféremment en abaisseur ou en élévateur de tension. 1 - But du TP Le but du TP est d'appréhender les principes de fonctionnement et la modélisation des transformateurs monophasés. - Le transformateur monophasé 1 - Description Un transformateur monophasé est constitué d'un circuit magnétique sur lequel sont bobinés des enroulements caractérisés par leur nombre de spires. Le circuit magnétique, destiné à canaliser le flux magnétique, est constitué de tôles feuilletées ( isolées entre-elles ) enrichies en silicium afin de limiter les pertes par hystérésis et courant de Foucault. Le côté source constitue le primaire et le côté récepteur le. J1 J Φ source recepteur 1 N1 N - Modèle du transformateur avec impédance de fuites ramenée au En fonctionnement normal tensions, courants et flux sont sinusoïdaux. Le transformateur peut être modélisé par : un transformateur idéal parcouru par un flux φ une inductance de magnétisation Lm une résistance équivalente aux pertes fer Rf une inductance de fuites magnétiques Ls ramenée au une résistance équivalente aux pertes joules totales (primaire et ) ramené au Les équations de fonctionnement en régime sinusoïdal sont : STS_14 Transformateur monophasé.doc Page / 6.
1 = jωn1φ = jωnφ rapport de transformation ' m = = 1 N N équation des ampère-tours N 1 J 10 = N 1 J 1 - N J 1 impédance de fuites ramené au J1 mj J J1o Rs Ls 1 Rf Lm N1 N ' transformateur parfait impédance de magnétisation 3 - Préparation 3-1 Détermination du rapport de transformation et de l impédance de magnétisation à partir d un essai à vide Le principe de l essai à vide est décrit ci dessous. Les mesures effectuées lors de cet essai sont affectées de l indice «0» L impédance du voltmètre placé au est considérée comme infinie. Montrer que la mesure de la tension à vide primaire 10 et de la tension à vide 0 permet de déterminer le rapport du nombre de spires du transformateur. Montrer que la mesure de la puissance active P 10 et de la puissance réactive Q 10 permet de déterminer l impédance de magnétisation. J10 P10 transformateur 10 Q10 primaire 0 3 Détermination des impédances de fuite à partir d un essai en court-circuit Les mesures effectuées lors de cet essai sont affectées de l indice «cc» L essai en court-circuit se fait sous une tension réduite 1cc = qq % 1nom. tel que le courant J cc soit très proche de sa valeur nominale J n Montrer que les puissances consommées dans l impédance de magnétisation sont négligeables. Montrer que les mesures permettent de déterminer Rs, Ls STS_14 Transformateur monophasé.doc Page 3 / 6.
J1cc 1cc P1cc Q1cc primaire transformateur Jcc 3 3 Chute de tension en charge, définition des grandeurs réduites La chute de tension en charge représente la différence des valeurs efficaces entre la tension à vide et la tension en charge en maintenant la tension primaire constante. = 0 On utilise le modèle avec impédance de fuites ramenée au. On montre que si l impédance de fuite est faible ( transformateur de bonne qualité) la chute de tension s exprime : = R s J cos φ + X s J sin φ avec X s = L s ω ou φ représente le déphasage courant tension de la charge. La chute de tension est, en général, exprimée en % par rapport à la tension nominale % = 100 / n On pose J = k J n Si l essai en court-circuit est fait sous courant nominal on note les puissances mesurées P 1ccn et Q 1ccn. Par définition la puissance apparente nominal S n = n J n Montrer que % s exprime en fonction de R%, X%, k et φ avec : R% = 100 P 1ccn / S n X% = 100 Q 1ccn / S n R% et X% sont appelées : grandeurs réduites du transformateur. Ce sont ces grandeurs que définissent les constructeurs de transformateur. On utilisera un transformateur 3 K 0 / 110 Pour un transformateur de ce type le constructeur donne : pertes fer 70 w, R% = 1.7% et X% = 1. %. Tracer les caractéristiques de chute de tension % pour cos ϕ = 1, cos ϕ = 0.8 inductif et cos ϕ = 0.8 capacitif. 3 4 Rendement du transformateur On admet que la tension primaire reste constante, dans ce cas la tension = 0 et le rendement peut s exprimer par I cos ψ η = I cos ψ + P fer + P cuivre Donner l expression du rendement en fonction de k, R%, X%, ϕ et Pfer. On admet que le rendement η est maximum lorsque les pertes joules sont égales aux pertes fer. Calculer pour quel le valeur du courant J le rendement est maximum. Présenter sous forme de tableau Excel le calcul du rendement et tracer les courbes η = f(k) pour cos ϕ = 1, cos ϕ = 0.8 inductif et cos ϕ = 0.8 capacitif. STS_14 Transformateur monophasé.doc Page 4 / 6.
Manipulation Pour mesurer tension, courant et puissances on utilisera une pince analyseur de réseau F7. 1 Plaque signalétique du transformateur La plaque signalétique du transformateur donne : 3 K. 0 / 110 Calculer le courant nominal primaire et le courant nominal. Essai à vide Faire l essai à vide sous une tension 10 = 110. En déduire le rapport de transformation m et les éléments Rf, Lm. de l impédance de magnétisation. Faire un deuxième essai sous tension primaire nominale 0 et déterminer m,rf et Lm. Conclure sur la validité du modèle en fonction de la tension d alimentation. 3 Essai en court-circuit Mettre la table hors tension. Il faut utiliser une alimentation de la table MORS permettant de fournir le courant nominal au primaire du transformateur. Choisir l alimentation qui convient. Mettre en court-circuit l enroulement 110 en doublant le cordon de de court circuit TTENTION : le courant nominal est atteint pour une tension primaire de l ordre de 4 ou 5 Faire croître la tension primaire pour obtenir le courant nominal au. En déduire Rs, Ls, R% et X% 4 Essai en charge et mesure directe du rendement. J1 J transformateur 1n primaire rhéostat de charge 4 k 0 Le primaire est alimenté sous tension nominale qu il faut maintenir constante pendant toute la durée de l essai La charge est un rhéostat de 4 k 0. Quelle puissance maximum peut-on dissiper avec ce montage? Mettre le rhéostat sur 0% mesurer la tension à vide 0. Faire varier la charge et relever, J, P 1 et P. Tracer la caractéristique de chute de tension % = f (J ) et la caractéristique de rendement η = P /P 1 = f (J ) STS_14 Transformateur monophasé.doc Page 5 / 6.
5 - Prédétermination de la caractéristique de chute de tension partir de la valeur de R% et X% mesurées lors de l essai en court-circuit tracer la caractéristique % = f (J ) et comparer à la courbe expérimentale relevée dans l essai précédent. 6 Détermination des pertes d un transformateur par la méthode de récupération de yrton et Sumpner Pour déterminer les pertes cuivre et les pertes fer dans les conditions de fonctionnement normal il est nécessaire de mesurer ces pertes sous pleine tension. Pour cela on utilise deux transformateurs identiques T1 et T couplés en parallèle sur une même source d alimentation. Pour faire varier le courant I on utilise un troisième transformateur T 3 alimenté sous tension variable par un autotransformateur. Les tensions 1 et doivent être en phase afin de limiter le courant de circulation entre les deux transformateurs. L interrupteur K et le voltmètre permettent de contrôler cette condition. La puissance fournie par T3 représentent les pertes joules des transformateurs T1 et T. Le réseau fournit les pertes fer de T1 et T. Les transformateurs étant identiques : P1 = Pfer et P = Pcuivre. I P1 1 1 1 1 T1 P T s uto transformateur T3 Pour 0 < I < I n mesurer les pertes fer et les pertes joule. Prédéterminer la courbe η = f(k) pour cos ϕ = 1. Comparer à la courbe à la courbe relever lors de l essai directe. Cet essai est-il intéressant pour les transformateurs de grosse puissance ( > 10 K ) STS_14 Transformateur monophasé.doc Page 6 / 6.