TP Conversion de puissance 2 Transformateur I Introduction 1 1 Présentation 1 2 Matériel utilisé 1 II Étude du transformateur à vide 1 1 Transformateur de tension 1 2 Intensité au primaire 3 3 Mesure des pertes fer 4 III Étude du transformateur en court-circuit 7 1 Transformateur de courant 7 2 Mesure des pertes cuivre 9 IV Étude en charge 1 I Introduction 1 Présentation Les objectifs de ce T.P. sont : Mettre en œuvre un transformateur de tension à vide afin de mesurer son rapport de transformation. Mesurer la somme des pertes par hystérésis et par courant de Foucault dans le noyau par la méthode d Epstein. Mettre en œuvre un transformateur de courante afin de mesurer son rapport de transformation. Mesure les pertes par effet Joule dans les enroulements primaire et secondaire. déterminer le rendement d un transformateur en charge. 2 Matériel utilisé Le transformateur étudié (M6X) comporte N 1 = 2 spires au primaire. Le secondaire peut comporter 2, 4 ou 6 spires. La tension nominale d entrée et de 12 V. L intensité nominale est de 12 ma. Contrairement à un transformateur utilisé dans l industrie, le transformateur étudié à un mauvais rendement : la mesure des pertes en sera plus facile. II Étude du transformateur à vide 1 Transformateur de tension Montage 1 : Transformateur de tension Le générateur est un alternostat qui délivre une tension sinusoïdale, de fréquence f = 5 Hz, d amplitude variable entre et 12 V. Le bobinage primaire comporte N 1 = 2 spires. Le bobinage secondaire comporte N 2 = 4 spires. Les voltmètres mesurent les valeurs efficaces des tensions d entrée et de sortie U 1 et U 2 e(t) V u 1 u 2 V Tracer la caractéristique du transformateur à vide : U 2 en fonction de U 1
2/11 Transformateur
Transformateur 3/11 24 à vide en charge 22 2 18 16 U 2 /V 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 U 1 /V Régler le rhéostat pour que sa résistance soit de 2 Ω, puis placer le rhéostat à la sortie du transformateur. Tracer la caractéristique du transformateur avec cette charge. Un transformateur réel à vide se comporte comme un transformateur parfait pour les tensions. 2 Intensité au primaire Montage 2 : Intensité au primaire Le générateur est un alternostat qui délivre une tension sinusoïdale, de fréquence f = 5 Hz, d amplitude variable entre et 12 V. Le circuit secondaire est ouvert. Y 1 R i 1 R = 1 Ω e(t) u 1 u 2
4/11 Transformateur Faire l observation de l intensité à vide avec une résistance de 1 ohm au primaire. Relever l oscillogramme. Le transformateur se comporte-t-il comme un dipôle linéaire? L intensité n est pas une fonction sinusoïdale du temps : le primaire du transformateur ne se comporte pas comme un dipôle linéaire. intensité Base de temps : Sensibilité vert. voie 1 : Sensibilité vert. voie 2 : 3 Mesure des pertes fer Les pertes fer désignent les pertes d énergie par hystérésis dans le circuit magnétique. La puissance moyenne pertes fer sont données par : P u = ls T u HdB = ls T u H(t) db dt dt En notant l le périmètre moyen du circuit magnétique et s sa section moyenne. Montage 3 : Méthode d Epstein Y 1 R Y2 x y e(t) V u 1 u 2 u u (t) V Le générateur est un alternostat qui délivre une tension sinusoïdale, de fréquence f = 5 Hz, d amplitude variable entre et 12 V. Le bobinage primaire comporte N 1 = 2 spires. Le bobinage secondaire comporte N 2 = 2 spires. R = 1 Ω On utilisera l oscilloscope pour s assurer que les tensions d entrée du multiplieur ne dépassent pas 1 V. Le voltmètre au primaire mesure la valeur efficace U 1 de u 1 (t). Le voltmètre en sortie du multiplieur mesure la valeur moyenne U u de u u (t).
Transformateur 5/11 Étude théorique Montrer que la valeur moyenne de la tension u u (t) est liée à la puissance des pertes fer P u par : U u = u u = krp u Pour mesurer cette puissance, le transformateur doit être en sortie ouverte : i 2 =. Alors : lh = N 1 i 1 La tension au secondaire est : Alors : u 2 = N 2 s db dt u 2 (t)i 1 (t) = N 2 slh db N 1 dt Sur le montage 3, le multiplieur permet de réaliser Avec k =,1 V 1 la constante du multiplieur. Si on choisit N 1 = N 2 : u 1 T u 2 (t)i 1 (t)dt = N 2 P N u 1 u u (t) = kri 1 (t)u 2 (t) U u = u u = krp u Étude expérimentale Réaliser le montage 3. Le multiplieur doit être relié à l alimentation continue ±15 V avant tout autre branchement. Il faut faire attention aux branchements des masses (ne pas oublier de relier la borne Z du multiplieur à la masse). On note k =,1 V 1 la constante du multiplieur. Tracer la coure donnant P u = U u kr en fonction de U 1 2. Il faut prendre garde à ce que les tensions à l entrée du multiplieur ne dépassent pas 1 V.
6/11 Transformateur 45 4 35 3 P u /mw 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Commenter la courbe obtenue. U 2 1 /V2
Transformateur 7/11 Les pertes fer sont proportionnelles au carrés de U 1 : P u = αu 2 1 III Étude du transformateur en court-circuit 1 Transformateur de courant Montage 4 : Transformateur de courant Le générateur est un alternostat qui délivre une tension sinusoïdale, de fréquence f = 5 Hz, d amplitude variable entre et 12 V. Le bobinage primaire comporte N 1 = 2 spires. Le bobinage secondaire comporte N 2 = 4 spires. e(t) Les ampèremètres mesurent les valeurs efficaces I 1 et I 2 des intensités au primaire et au secondaire. A i 1 u 1 u 2 i 2 A Réaliser le montage 4. Le secondaire étant en court-circuit, il faut prendre garde à ne pas faire circuler d intensité trop importante dans le circuit : la valeur efficace I 1 devra toujours être inférieure 5 ma. On veillera à faire circuler des courants de plus de 3 ma le moins longtemps possible. Tracer la courbe représentant I 2 en fonction de I 1.
8/11 Transformateur 26 24 22 2 18 16 I 2 /ma 14 12 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 I 1 /ma
Transformateur 9/11 Un transformateur réel en court-circuit se comporte comme un transformateur parfait pour les intensités. 2 Mesure des pertes cuivre Les pertes cuivre désignent les pertes par effet Joule dans les bobinages du primaires et du secondaire : P u = r 1 I 2 1 + r 2I 2 2 en notant r 1 et r 2 les résistances des bobinages, I 1 et I 2 les valeurs efficaces des intensités au primaire et au secondaire. On note P 1 la puissance moyenne totale reçue par le transformateur et P u la puissance moyenne dissipée dans les instruments de mesure. Le bilan énergétique s écrit, lorsque la transformateur est en circuit ouvert : P 1 = P u + P u + P u Montage 5 : Mesure des pertes cuivre Le générateur est un alternostat qui délivre une tension sinusoïdale, de fréquence f = 5 Hz, d amplitude variable entre et 12 V. Le bobinage primaire comporte N 1 = 2 spires. Le bobinage secondaire comporte N 2 = 2 spires. R = 1 Ω Le voltmètre mesure la valeur moyenne U u de u u (t). Il sera ensuite utilisé pour mesurer différentes grandeurs électriques. L ampèremètre mesure la valeur efficace I 2 du cou-e(trant i 2. R x y u u (t) u 1 u 2 i 2 V A Étude expérimentale Réaliser le montage 5. Régler la tension d entrée pour que la valeur efficace du courant de sortie soit I 2 = 12 ma. La valeur moyenne U u de la tension de sortie du multiplieur est liée à la puissance moyenne totale P 1 reçue par le transformateur : U u = krp 1. Mesurer P 1. On mesure P 1 = 249 mw Mesurer la valeur efficace U 1 de la tension au primaire. En déduire les pertes fer P u en utilisant les résultats du I.3. On mesure U 1 = 2,2 V On en déduit P u = 3,5 mw Mesurer la valeur efficace U u de la tension aux bornes de l ampèremètre. En déduire les pertes dans l ampèremètre P u. On mesure U u = 24 mv La puissance dissipée dans l ampèremètre est alors Donc P u = 28,8 mw P u = U u I u Déduire des résultats précédents la valeur des pertes cuivre P u.
1/11 Transformateur Avec P u = P 1 P u P u On trouve P u = 217 mw On se propose de vérifier ce résultat en mesurant les résistances des bobinages primaire r 1 et secondaire r 2 à l ohmmètre. Les pertes cuivres sont alors : P u = r 1 I 2 1 + r 2I 2 2 = (m2 r 1 + r 2 )I 2 2. En déduire une nouvelle détermination de P u et comparer à la valeur mesurée précédemment. On mesure r 1 = 8,3 Ω et r 2 = 6,57 Ω Avec m = 1, P u = (r 1 + r 2 )I 2 2 On mesure P u = 214 mw Cette valeur est très proche de celle mesurée précédemment
Transformateur 11/11 IV Étude en charge L étude précédente a permis de déterminer les pertes fer P u et les pertes cuivre P u lorsque le transformateur est à son fonctionnement nominal. La puissance que le transformateur fournit à une charge est alors : P 2 = P 1 P u P u Le rendement du transformateur est alors : η = P 2 P 1 = 1 P u + P u P 1 Montage 6 : Mesure du rendement en charge x y u u (t) V R i 2 e(t) u 1 u 2 R u V Le générateur est un alternostat qui délivre une tension sinusoïdale, de fréquence f = 5 Hz, d amplitude variable entre et 12 V. Le bobinage primaire comporte N 1 = 2 spires. Le bobinage secondaire comporte N 2 = 2 spires. R = 1 Ω L oscilloscope est utilisé pour vérifier que la tension à l entrée du multiplieur ne dépasse 1 V. La charge R u est un rhéostat dont la résistance varie entre 2 Ω et 2 Ω. Le voltmètre au secondaire mesure la valeur efficace U 2 de u 2. Le voltmètre en sortie du multiplieur mesure la valeur moyenne U u de u u (t). Y 1 Réaliser le montage 6. Régler la tension délivrée par l alternostat pour que la valeur maximale de u 1 (t) soit proche de 1 V sans dépasser cette valeur. Pour plusieurs valeurs de la charge R u comprises entre 2 Ω et 2 Ω, mesurer la puissance reçue au primaire par le transformateur P 1 ainsi que la puissance reçue par la charge P 2 = U 2 I 2 = U 2 2 R u. Remplir le tableau suivant : R u P 1 P 2 η = P 2 P 1 2,7 Ω 65 mw 358 mw,55 4, Ω 58 mw 344 mw 6, Ω 414 mw 35 mw 8, Ω 355 mw 266 mw 1 Ω 38 mw 235 mw Commenter les résultats obtenus.,677,737,75,764