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8/14/2019 chaptransfo-1

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04/05/98 Transformateurs Page 11-1

11 Transformateurs monophass

11.1 Tension induite dans une bobine.

Soit une bobine entourant un flux qui varie sinusodalement une frquence f [Hz], atteignantpriodiquement des valeurs positives ( MAX ) et ngatives (- MAX ).

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.031

0.5

0

0.5

1

U induiteFlux inducteur

ui( )t

( )t

t

Ce flux induit entre les bornes de la bobine, une tension alternative donne par lquation :

[ ]U f N Vi MAX= 4 44,

N : Nombre de spires [-]f : frquence [Hz]MAX : Flux magntique de crte [Wb]4,44 : Constante (valeur exacte = 2 )

Lquation ci-dessus dcoule de la loi de Faraday et de la loi de LENZ pour le signe ngatif

[ ]U Nti

= V ot est le taux de variation de flux.

Ainsi dans le graphique ci-dessus :

lorsque

test positif, le flux augmente et la tension induite est positive.

Lorsque le flux diminue,t est ngatif, et la tension induite est ngative.

Enfin au moment ot est nul, la tension induite est nulle.

Exemple :

Une bobine de 4000 spires entoure un flux alternatif dune frquence de 60 [Hz], dont la valeur decrte est de 2 milliWebers . Calculer la valeur de la tension induite.

Solution :[ ]U f Ni MAX= 4 44, = 4,44 60 4000 0,002 = 2131 V


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11.2 Transformateur lmentaire

On alimente une bobine noyau dair par une source de tension alternative U 1 [V]. Le courantmagntisant I m [A] produit un flux total [Wb] qui est dispers autour de lenroulement. Si lonapproche de ce montage une deuxime bobine, une partie du flux [Wb] est capte par les spires decette deuxime bobine et une faible tension induite U 2 [V] est prsente ses bornes.

Il existe une tension seulement entre les bornes 1-2 du primaire et les bornes 3-4 du secondaire. Ilnexiste aucune tension entre une des bornes primaires et secondaires. Il sensuit que le secondaire estlectriquement isol du primaire.Comme le flux transmis au secondaire est faible, il a fallu trouver un moyen damliorer ce couplage.Par lutilisation dun noyau ferromagntique, dont le but est de concentrer le flux magntique, on viteainsi la dispersion du flux gnr par la bobine primaire.


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11.3 Dfinition

Un transformateur est un appareil statique, bas sur le phnomne de l'induction lectromagntiquer

B .Il permet de convertir l'nergie lectrique alternative W [J] en une nergie de mme nature. Cetransfert d'nergie peut se faire avec des niveaux de tensions ou de courants diffrents. Usuellement,nous parlons d'appareil avec sparation galvanique, ce qui signifie : sans aucune liaison lectrique entreles 2 circuits (primaire et secondaire).

11.4 Utilisations du transformateur

Dans les rseaux de distribution lectrique, le but est de transfrer de l'nergie lectrique W[J] avec lemoins de pertes possibles entre la centrale et le consommateur.Les pertes sont dues essentiellement l'EFFET JOULE. Elles sont proportionnelles au carr del'intensit du courant lectrique I.

[ ]W R I tJ = 2

J

Au moyen dun transformateur, il est possible de modifier les grandeurs lectriques et de diminuer cespertes.

Exemple:Une petite centrale au fil de l'eau alimente une maison individuelle par un circuit monophas. Latension de l'alternateur est de 4 [kV]. La puissance apparente S demande est de 2 [kVA]. Larsistance de la ligne R est de 10 [ ]. Allez-vous imposer une tension d'alimentation de 110 [V] ou de230 [V] ?

Nous devons installer un transformateur pour abaisser la tension lectrique de 4 [kV] 230 [V], ou 110 [V].

Calculons les pertes Joule pendant une heure.

Donnes:S = 2 [kVA] U alternateur = 4 [kV] U rcepteur 1 = 110 [V] U rcepteur 2 = 230 [V]

Inconnues:Pertes Joule pendant une heure les plus petites possibles = ?

Relation :[ ]

[ ]W R I t

S U IJ = =

2 J

VA

Application numrique :

[ ] [ ] [ ]W RS

Ut WsJ

rcepteur=

=

2

1J et 1 J

Conclusion :Si U = 110 [V] ; W J = 3305.79 [Wh] et si U = 230 [V] ; W J = 756.14 [Wh]

Nous pouvons comprendre l'importance du transformateur. Le distributeur doit toujours amliorer lerendement de son rseau. Ces pertes ne sont pas factures au client.


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11.5 Exemples dutilisations

Les transformateurs sont utiliss dans les domaines suivantes:

Distribution industrielle modification de la tension Radio-TV alimentation tube image Scurit : transformateur de sparation galvanique Adaptation de l'impdance en tlcommunication (translateur) Rglage de la tension pour poste souder Mesure - transformateur de courant TI ou de tension TP Petit appareil-luminaire.

11.6 Constitution

Un transformateur comprend un circuit magntique constitue dun noyau ferromagntique.(voir caractristiques magntiques : volume 2)

Ce circuit est constitu de plusieurs tles d'acier au silicium lamines. Ces tles sont recouvertes dunvernis isolant afin de diminuer les pertes par courant de Foucault. (voir chapitre 7.3)

Le circuit ferromagntique comporte 2 bobinages (en monophas) dont le nombre de spires sontrespectivement N 1 et N 2.La notation des grandeurs de la bobine primaire se notent par l'indice 1. En ce qui concerne lesgrandeurs de la bobine secondaire, elles se notent par l'indice 2.La bobine qui est alimente sappelle bobine primaire , lautre bobine sappelle bobinesecondaire .


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11.7 Transformateur idal

Dans sa forme idale, les bobines du transformateur ne possdent pas de rsistance R et le circuitmagntique ne prsente aucune rluctance . Donc, pas de pertes et son noyau est infinimentpermable et na pas de dispersion de flux.Une tension sinusodale U 1 est applique aux bornes de l'enroulement N 1 (primaire) fait apparatredans le noyau un flux magntique sinusodal .Le transformateur idal ne prsente pas de fuites magntiques. La grandeur commune aux 2enroulements est le flux magntique . Ce flux magntique est dphas de 90 par rapport latension U 1.

11.8 Rapport de transformation

On peut crire les quations suivantes :

1 = 2

[ ]U f N VMAX1 14 44= ,

[ ]U f N VMAX2 24 44= ,

Des quations ci-dessus on tire lexpression du rapport de transformation dun transformateur.Le rapport de transformation m exprime la relation entre la tension U 1 et la tension U 2 d'untransformateur. Ce rapport ne possde pas d'unit.

[ ]mNN

UU

= = 12

1

2

mais nous savons que m

rcrivons le tout

mNN

UU

= =12

1

2


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Exemple:

Un transformateur idal est construit pour une tension primaire de 18 [kV]. Le nombre de spires ausecondaire est 4000. Le rapport de transformation est de 45. Calculez le nombre de spires du primaireet la tension au secondaire.

Donnes:

[ ]

[ ]

transformateur idal

18 kV m

Inconnues:

Relation

Application numrique

V

spires

U N

U N

mNN

UU

UU

mN N m

U

N

1 2

2 1

1

2

1

2

21

1 2

2

1

4000 45

1800045

400

4000 45 180000

= = =

= =

= =

==

= == =

? ?

*

*

Exercice:

Un transformateur idal possde 40 spires au secondaire. Nous demandons au constructeurd'augmenter ce nombre de spires de 20. Que pouvez-vous dire de la tension au secondaire dutransformateur modifi par rapport l'ancien ?


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11.9 Polarit dun transformateur

Supposons quau moment o les tensions atteignent leur maximum, la borne 1 soit positive par rapport la borne 2, et que la borne 3 soit positive par rapport la borne 4. On dit alors que les bornes 1 et 3possdent la mme polarit . On lindique en plaant un point noir vis--vis la borne 1 et un autre prsde la borne 3. Ces point sont appels marques de polarit .

On peut raliser un test de polarit dun transformateur de la manire suivante :

On raccorde une pile de 1,5 [V] aux bornes basse tension du transformateur travers un poussoir S.Lors de la fermeture (une seule impulsion) du poussoir, une tension est induite dans le secondaire. Si cet instant laiguille du voltmtre dvie dans le bon sens, la borne du transformateur relie la bornepositive du voltmtre est marque H 1 et lautre est marque H 2. Quant aux bornes basse tension,celle qui est relie au ple positif de la pile se nomme X 1 et lautre X 2.


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11.10 Transformateur idal en charge

Le calcul du courant au secondaire se ralise de la faon suivante :

[ ]I UZ

A22=

Dans un transformateur idal, le primaire et le secondaire sont coupls par le flux M [Wb] seulement.Par consquent, le rapport de transformation en charge est le mme qu vide, soit :

mNN

UU

= =12

1

2

Le courant I 2 [A] produit une solnation 2 = N 2I2 [Atours](voir magntisme volume 2). Si elleagissait seule, cette solnation produirait un changement majeur dans le flux M [Wb]. Mais comme laloi de LENZ stipule : La polarit de la tension induite est telle quelle tend faire circuler un courant dont le flux soppose la variation du flux inducteur lintrieur dune bobine Le primaire du transformateur cre, tout instant, une solnation 1 = N 1I1 [Atours] dgale valeurmais oppose 2 = N 2I2 [Atours]. Ainsi le courant au primaire doit respecter la relation :

N I N I1 1 2 2 =

11.11 Rapport des courants

De lquation prcdente on tire :

II

NN

1

2

2

1

=

En comparant lquation prcdente lquation du rapport de transformation, on constate que lerapport des courants est linverse de celui des tensions. Autrement dit, ce que lon gagne en tension,on le perd courant, et vice versa.


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11.11.1 Exemple

Un transformateur idal de polarit identique a 90 spires au primaire et 2250 spires au secondaire. Ilest branch sur source alternative U = 200 [V], f = 60 [Hz]. La charge absorbe un courant de 2 [A]pour un facteur de puissance de 80 %, inductif. Tracer le diagramme vectoriel.

Rapport de transformation

mNN

= = =12

902250

0,04

[ ]UUm

V21 200

0 045000= = =

.

[ ]IIm

A12 2

0 0450= = =

.Comme le facteur de puissance est de 0.8 en retard, I 2 est donc en retard dun angle de :

= =aro

cos , ,0 8 36 9La valeur de crte du flux est :

[ ]MAXU

f NmWb= = =

1

14 44200

4 44 60 908 34

, ,,

Le vecteur du fluxr

MAX est de 90 o en arrire der

U1 .

En prenantr

U 1 comme vecteur de rfrence on obtient le diagramme vectoriel suivant :

Max

U

I 2

36.900

1

1I

U 2


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11.13 Grandeurs nominales du transformateur rel

Les grandeurs nominales telles que puissance apparente S [VA], frquence f [Hz], courants, tensions,etc. sont indiques sur la plaquette signaltique.

Exemple de plaquette :

Nennleistung 20 [kVA]Nennspannung 6000 / 230 [V]Nennstrom 3.44 / 87 [A]Frequenz 50 [Hz]Baujahr 1992 Typ S123

Nr 123456

La puissance nominale S est donne aux bornes du secondaire du transformateur. Elle est donneen [VA] ou en [kVA].La tension primaire U 1 [V] nominale correspond la valeur d'alimentation du transformateur.La tension secondaire U 2 [V] nominale correspond la valeur mesure aux bornes de l'enroulementsecondaire vide (circuit ouvert sans charge).Les courants primaire et secondaire nominaux correspondent aux valeurs calcules selon la puissanceS nominale et tensions nominales, avec un rendement nominal et une temprature T nominale.La frquence f [Hz] nominale correspond la valeur pour laquelle le transformateur est construit(rsonance).

Remarque :

Traduction deNennleistung : Puissance nominale.Nennspannung : Tension nominale.Nennstrom : Courant nominal.

La puissance dun transformateur est toujours donne en [VA] car on ne sait pas le genre de charge(rsistive, capacitive ou inductive) que lon va raccorder au secondaire.


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11.14 Transformateur rel

Le transformateur rel possde une rsistance R [ ] et une inductance L[H]. De ce fait des pertesohmiques et inductives existent.

Z charge

R RL L1 21 2

U1RLfe fe

Circuit primaire rapport au secondaire

Les pertes ohmiques sont provoques par l'effet Joule. Ce sont donc des pertes calorifiques.Les pertes inductives sont provoques par le circuit magntique du transformateur et par la bobine. Enpratique, le dphasage n'est pas de 90 mais il est dpendant de l'impdance de la charge. C'est le cos .

11.14.1 Conservation des puissances actives et ractives

U I U I R I R I U I

U I U I X I R I U I

I et

L

1 1 1 2 2 2 1 12

2 22

1 0 0

1 1 1 2 2 2 12

2 22

1 0 0

0 0

cos ( cos ) ( cos )

sin ( sin ) ( sin )

cos

= + + += + + +

signifie courant magntisant.Le courant magntisant I 0 est ncessaire de par le fait que la rluctance n'est pas nulle. Ces relationssont parfois appeles thorme de Boucherot.

En charge, la puissance demande par la charge connecte au secondaire se reporte au primaire.

La puissance active P [W] fournie au transformateur dpend du facteur de puissance du circuit surlequel dbite le secondaire. Comme la charge varie en fonction de l'utilisation du transformateur, lapuissance du transformateur est donne l'aide de sa puissance apparente S exprime en [VA].


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11.15 Pertes et rendement du transformateur rel

Les pertes d'un transformateur rel sont dues au circuit magntique, appeles pertes fer P fer et aucuivre constituant les bobines appeles pertes cuivre P Cu. Il est possible de les mesurer.

11.15.1 Pertes fer

Les pertes fer sont fonction de la frquence f, de la valeur et de la forme de la tension U 1[V] ainsi quede la nature des tles du circuits magntiques. (Hystrsis et Foucault).

[ ]P P R IFe lue lue= 1 02 W puissance lue sur le wattmtre P

Ces pertes fer sont constantes en fonction de la charge du transformateur. Elles sont mesures par unessai vide du transformateur.

U V

A

WV

11.15.2 Pertes cuivre

Les pertes cuivre P Cu sont dues l'effet Joule dans les enroulements primaire et secondaire. Elles sont

proportionnelles la charge.

[ ]P R I R ICu = +1 12 2 22 W

Les pertes cuivre P Cu sont dtermine par un essai en court-circuit sous tension rduite, afind'obtenir le courant nominal I nom.

UV

A

W


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11.15.3 Rendement

Le rendement du transformateur exprime le rapport entre la puissance active P 2 et la puissanceactive P 1.

= = + +PP

PP P PFe Cu

2

1

2

2( )

Le rendement dpend de la charge. A faible charge, les pertes fer sont importantes par rapport auxpertes cuivre. A charge nominale, le rendement d'un transformateur peut tre de 99% pour lestransformateurs de grande puissance, de 95 98% pour les transformateurs moyens et de 80 92%pour les petits transformateurs.Le rendement maximum d'un transformateur est atteint lorsque les pertes fer P Fe sont gales auxpertes cuivre P Cu.

11.16 Circuit magntique du transformateur rel11.16.1 Formes de circuits magntiques

Le rle du circuit magntique est de canaliser le flux magntique [Wb] et de prsenter le minimumde pertes par Hystrsis et par courant de Foucault.Ce circuit peut avoir diffrentes formes:soit 2 colonnes formes par un empilage de tles dcales (couche 1 puis couche 2 et ainsi de suite)

couche 1 couche 2

soit de forme cuirass, c'est--dire que les enroulements sont placs sur une colonne centrale et le fluxmagntique [Wb] se referme par chacun des cts qui forment la cuirasse.

couche 1 couche 2

La forme des tles, selon les dimensions du circuit magntique, peut tre en E, en U, en L, en C ou enI, l'assemblage s'effectuant toujours en croisant les joints.


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11.16.2 Section des colonnes

Si, pour les transformateurs de faibles puissances, les sections sont carres, on ralise des sectionscirculaires pour ceux de grosses puissances. Les sections circulaires offrent davantage de rsistanceaux efforts lectrodynamiques entre spires en cas de court-circuit.

Erreur! Liaison incorrecte.

section carre section gradins

11.16.3 Assemblage des colonnes de type "cuirasse"

La ralisation de joints magntiques permet de diminuer la rluctance minimale du circuitmagntique. Ces joints peuvent tre de 2 types:

joints enchevtrs joints coupe oblique

11.16.4 Matriaux employs

Les matires utilises sont:tles d'acier au silicium, pertes 1[Wkg -1] l'induction magntique B de 1 [T]tles cristaux orients, pertes 0.55 [Wkg -1] galement 1 [T]

Ces tles ont une paisseur de 0.35 [mm] et sont isoles sur une face par oxydation artificielle.Le serrage des tles est effectu par des tiges filetes rgulirement rparties et isoles du circuitmagntique.


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11.17 Circuit lectrique du transformateur rel

Les bobinages des transformateurs peuvent tre de diffrents types:

Bobinage concentrique (utilis dans les petitstransformateurs)

Culasse

Enroulement BT Enroulement HT

Isolant et support de bobine

Culasse

Enr oule me nt BT dispos en cylindre Enroule ment HT

Isolant et supports des bobines

Bobinage mixte car il permet d'viter les trsfortes diffrences de potentiel entre les spiresd'extrmit de 2 couches successives. Onralise des bobines plates qui sont montes

en srie les unes avec les autres (utilisationHT et THT)

Culasse

Enroulement BT Enroulement HT

Isolant et supports des bobines

Bobinage altern en galettes , car il offre l'avantaged'tre plus facile isoler du circuit magntique(utilisation HT et BT)


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11.18 Autotransformateur

Nous appelons autotransformateur un lment dont une partie de l'enroulement unique appartientsimultanment au primaire et au secondaire.

U1

de la tension au secondaire

Z [][]U2

Enroulement communNoyau

[V][V]

Si dplacement du curseuralors variation

Le principe de fonctionnement est le mme que le transformateur tudi prcdemment.L'enroulement commun possde N spires au total et est aliment par la tension U 1. Le curseur prendqu'une partie N' des spires.

Exemple:

Un autotransformateur possde 6000 spires. La tension d'alimentation est de 400 [V]. Calculez latension alimentant la charge, si nous plaons la prise la moiti du dplacement total.

Donnes:N = 6000 spires U 1 = 400 [V] N' => 0.5 * N'

Inconnue:U2 = ?

Relation:

[ ]

UU

NN

UU

NN

UU N

N

U

1

2

1

2

1

2

21

2

400 0 5 60006000

200

=

=

=

= =

AnalyseDans notre cas, nous considrons que:

Application numrique:

V

'

* '

* ( . * )


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11.18.1 Considrations pratiques de lautotransformateur

L'avantage d'un autotransformateur est de prsenter poids gal une puissance plus grande qu'untransformateur classique, ceci par la mise en commun du primaire et du secondaire. (pertes cuivre pluspetites)

L'inconvnient d'un autotransformateur est de ne prsenter aucune sparation galvanique, donc moinsde scurit mme sans dfaut.

L'utilisation d'un autotransformateur est interdite pour l'alimentation de jouets d'enfants.L'utilisation d'un autotransformateur peut se faire dans le sens d'abaisser la tension, mais aussi dans lesens dlever la tension.

11.19 Transformateur de rglage

Il est parfois ncessaire de possder la possibilit de faire varier un peu la tension secondaire U 2

comme avec l'autotransformateur, mais de conserver la sparation galvanique comme untransformateur classique. Nous utiliserons le transformateur de rglage .

La commutation des spires doit se faire sans coupure lors du passage d'une spire l'autre.(arc de self-induction). Nous y plaons une rsistance ou ractance pour viter un arc lectrique. Cette rsistanceou ractance vite le court-circuit direct de la spire au moment o les balais touchent 2 plots soustension la fois.

U1

de la tension au secondaire

U2

Balais

[V]

[V]

Si dplacement du curseuralors variation

Isolant

Z [][]

Protection contre les c.c.

entre spires


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11.20 Transformateur fuites magntiques

Le transformateur fuites magntiques permet de court-circuiter le secondaire pendant lefonctionnement, sans danger pour le transformateur et sans rpercussion sur le rseau d'alimentation.Quelques utilisations des transformateur fuites magntiques :

poste de soudure lectrique arc. allumage des brleurs mazout. allumage de certaines lampes dcharge. alimentation de circuits de sonneries. alimentation de grands four arc.

Dans un transformateur usuel, nous cherchons avoir un flux magntique de dispersion le plus petitpossible. Au contraire, dans un transformateur fuites magntiques, nous nous arrangeons pour qu'unepartie du flux ne passe pas par l'enroulement secondaire. Par ce systme on obtient des impdancestrs leves.

Avec maximum de lignes de forces dans le shunt magntique

Avec un maximum de lignes de forces dans l'enroulement secondai

11.20.1 Fonctionnement:

Une partie du flux , que nous pouvons rgler en modifiant la position du shunt magntique (noyaumobile) ne passe plus travers l'enroulement secondaire. La tension induite U i2 varieproportionnellement en fonction de la rluctance .

Lors d'une augmentation du courant secondaire I 2, le flux total diminue dans l'enroulement secondaireet par consquent il y a une baisse de la tension au secondaire U 2. D'autre part le flux total ne passerapas dans l'enroulement primaire, mais passera par le shunt magntique.


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11.20.2 Exemple dapplication (Enseigne lumineuse)

La figure ci-dessus montre la construction dun transformateur pour enseigne lumineuse.Les arcs lectriques et les dcharges dans les gaz possdent une caractristique U=f(I) de pentengative, cest--dire que la tension diminue mesure que le courant augmente. Pour maintenir uncourant constant et un arc stable, on est oblig dajouter une impdance en srie avec ce genre decharge. Il est souvent plus simple de les alimenter avec un transformateur haute impdance. Lestransformateurs qui alimentent les lampes vapeur de mercure ou les lampes halognuresmtalliques, sont des transformateurs fuites magntiques.Le primaire, aliment par 240 [V], induit une tension de 7500 [V] dans chacun des enroulementssecondaires S raccords en srie. A cause du flux de fuite considrable, la tension secondaire diminuerapidement avec le courant de charge. Lorsque larc est amorc, le secondaire est en court-circuit et lecourant ne dpasse pas 30 [mA]. Ces transformateurs possdent des puissances apparentes comprisesentre 50 [VA] et 1500 [VA] et la tension secondaire est disponible entre 2 [kV] et 20 [kV].

11.20.3 Exemple dapplication (Soudure larc)

Les transformateurs utiliss pour la soudure larc possdent aussi une grande ractance de fuite afinde stabiliser larc durant la soudure. La tension circuit ouvert est de lordre de 70 [V], ce qui favoriselinitiation de larc lorsque llectrode touche la pice souder. Ds que larc stablit, la tensionbaisse environ 15 [V], dpendant de la longeur de larc et de lintensit du courant.


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11.21 Transformateur de tension TP (potentiel)

Dans une installation lectrique, il est ncessaire de pouvoir mesurer des hautes tensions. Il est videntqu'il faut abaisser cette tension au moyen d'un transformateur.Les installations de mesures ncessitent des lments de grande prcision.Dans la pratique, les transformateurs de tension TP ont un enroulement N 1 plus grand que N 2. Latension secondaire U 2 est gnralement de 100 [V].Le transformateur de tension TP se branche en drivation sur le circuit mesurer.

V

1.1 1.2

2.1 2.2

L1L2L3

F1 F2

F3

Le principe de fonctionnement est celui du transformateur normal.La plaquette signaltique peut tre la suivante:

Typ SNAN 1993

10 kV100 V

3 A

Classe 0.5

100 VA

50 Hz

Les transformateurs de tension possdent les indications de classe de prcision comme pour lesappareils de mesures. (voir chapitre 11)

Ne jamais court-circuiter un TP


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Exemple:

Un transformateur possde la plaquette ci-dessus.Donnez la tension primaire, si nous connectons un voltmtre au secondaire du TP et que celui-ciindique 76 [V].

Donnes:transfo TP U 1 10000 [V] U 2 100 [V]Uvoltmtre = 76 [V]

Inconnue:U1 = ?

Relation:

facteur de lecture=

U

U

TP

TP

1

2

Analyse:

[ ]

U U

U

TP TP

TP

1 2

1 7610000

1007600

=

= =

*

*

facteur de lecture

Application numrique:

V


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11.22 Transformateur de courant TIDans la technique de mesure, il est ncessaire de diminuer les dimensions des conducteurs pourraccorder les compteurs d'nergie ou autres.Si la valeur du courant primaire est grande, nous diminuons le courant secondaire en augmentant latension secondaire. L'enroulement primaire possde peu de spires. L'enroulement secondaire possdebeaucoup de spires.Le transformateur de courant TI se place en srie dans le circuit mesurer.

A

Bote bornes

L1L2L3

K Lk l

11.22.1 Fonctionnement du TI

Au secondaire d'un transformateur de courant TI, les ampremtres, compteurs d'nergie, relais ouautres doivent tre parcourus par le mme courant choisit de faon gnrale 5 ou 10 [A] pour lecourant nominal. L'impdance de ces appareils est petite, nous avons le secondaire pratiquement encourt-circuit. Contrairement au transformateur usuel, ce n'est pas le courant secondaire I 2 quidtermine le courant primaire I 1. C'est l'inverse du transformateur usuel.Le transformateur de courant TI doit tre rsistant aux court-circuits (noyaux saturs).Vous avez remarqu que dans la pratique le secondaire d'un transformateur de courant TI ne possdepas de fusible. Pourquoi ?

11.22.2 Danger si le secondaire d'un transformateur de courant est ouvert

On ne doit jamais ouvrir le secondaire d'un transformateur de courant lorsque le primaire estaliment. Sil est ncessaire de retirer un instrument raccord au secondaire, il faut auparavant mettrele secondaire en court-circuit et ensuite retirer linstrument.

La bote bornes doit tre facilementaccessible, car cest elle qui permetde ponter le secondaire du TI, si

linstrument de mesure devait treenlev.


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Si par mgarde, on ouvre le circuit secondaire, le courant dans le primaire continue circuler inchang,celui-ci est dtermin par la charge du rseau. Le courant de ligne devient alors le courant d'excitationdu transformateur. Comme celui-ci est 100 200 fois plus grand que normal, il se produit une densitde flux trs leve qui sature le noyau.En se rfrant la figure ci-dessus, lorsque le courant primaire I 1 crot et dcrot durant le premier

demi-cycle, le flux crot et dcrot galement, mais il demeure au niveau de saturation s pour laplupart du demi -cycle. Le mme phnomne se produit pour le cycle ngatif qui suit. Lors de cespriodes de saturation, la tension induite est trs faible, car le flux change trs peu. Cependant, durantles priodes non satures , le flux change trs vite, ce qui peut induire bornes du secondaire une tensioncrte de quelques milliers de volts, assez haute pour provoquer un choc dangereux. La tension estd'autant plus leve que la puissance apparente du transformateur est grande.

S1 = S 2 U1 0[V] et I 1 0[A] S1 0[VA] I 2 = 0[A] U2 = [V]

11.22.3 Diffrentes formes de TI

S S I U I

U dfaut

1 2 1 1 2 2

5 100 100 5

5 100 0

= =

=

=>

si transformateur idal. Ce qui implique U

dans le cas du transformateur de courant TI prenons un exemple

en fonctionnement nominal

en fonctionnement avec circuit secondaire ouvert

*

La plaquette signaltique d'un transformateur de courant peut tre la suivante;

Typ SNAN 1993

10 kV

300 A

Classe 0.2

30 VA

50 Hz 5 A

11.22.4 Pince ampremtrique

La pince ampremtrique est une autre forme de transformateur de courant TI. cest une variante dutransformateur de courant TI. Le primaire de la pince est constitu par une seule spire. Le circuits'ouvre en son milieu est permet d'y placer le conducteur mesurer. La lecture se fait directement surun ampremtre dispos sur la pince.


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11.23 Refroidissement des transformateurs

Il est ncessaire de refroidir les transformateurs de grosses puissances afin d'viter la dtrioration desvernis isolants (courant de Foucault).Ce refroidissement peut se faire de diffrentes faons:

Refroidissement dans l'air le transformateurest mis dans une enceinte grillage, la ventilationpeut tre naturelle ou force (ventilateur)

Refroidissement naturel dans l'huile une cuverenferme le transformateur. Cette cuve estmunie d'ailettes. L'huile se refroidit au contactdes parois (change thermique)

refroidissement par radiateur d'huilel'huile circule naturellement dans un radiateurspar de la cuve. Ce radiateur peut treventil et la circulation d'huile force ar une


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11.23.1 Dilectrique

Le dilectrique assure le refroidissement et l'isolement des transformateurs. Selon les tensionsappliques aux enroulements, l'isolement peut tre assur par:l'air , c'est le cas des petits transformateurs en BT l'huile minrale , trs employe dans tous lestransformateurs de puissance, mais elle prsente des risques d'incendies et d'explosion de quartz , c'estun sable qui touffe les flammes mais rend le refroidissement plus difficile.

11.23.2 Symboles pour le dilectrique et le refroidissement

1re lettre 2me lettre 3me lettre 4me lettreNature dudilectrique

mode decirculationdilectrique

fluide durefroidisse-ment

mode decirculationfluide

O huile min-rale

N naturel O symbolecomme 1relettre

N symbolecomme2me lettre

L dilectrique

chlor

F force L F

G gaz D force etdirigedans lesenroule-ments

G D

A air AS isolant

solideS

Refroidissement avec hydrorfrigrant lacirculation de l'huile s'effectue dans une cuvecontenant des tubes l'intrieur desquels circule del'eau froide.


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Exemple:

ONAN signifie transformateur immerg dans l'huile, circulation naturelle, refroidi par air, ventilation naturelle.

11.24 Protection

Tous les transformateurs doivent tre protgs contre les surintensits les surtensions les surchauffesLes normes CEI et ASE fixent les valeurs et les temps pendant lequel l'lment doit supporter cesphnomnes sans risque de dtrioration.

11.24.1 Surintensit

Pour les petits transformateurs, la protection contre les surintensits est assure par des dclencheurslectromagntiques et thermiques ou par des fusibles placs en aval ou en amont ou mieux encore des2 cts.Le calcul du courant de court-circuit maximum d'un transformateur s'effectue partir de l'essai encourt-circuit (voir 11.15.2) .

11.24.2 Surtension

Au court de l'essai en court-circuit, nous mesurons la tension primaire U1cc

qui fait dbiter soncourant nominal au secondaire court-circuit. U 1cc est naturellement bien infrieure la tensionprimaire nominale U 1.La relation est la suivante:

[ ]=1

1

U

UCC

Le rapport (epsilon) est appel "tension de court-circuit". Ce rapport est une caractristiqueimportante du transformateur. Il permet l'valuation rapide du courant de court-circuit et joue un rleimportant dans l'tude et le fonctionnement des transformateurs en marche parallle.

11.24.3 Protection contre les surtensions

En pratique, la protection contre les surtensions peut tre ralise de la faon suivante: parafoudre cble mis la terre renforcement de l'isolation des bobines etc


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11.24.4 Surchauffe

La surchauffe d'un transformateur de petite puissance air peut tre contrle par une rsistance coefficient de temprature ngatif NTC ou positif PTC monte en srie dans un circuit de commande.

La surchauffe d'un transformateur huile provoque la dilatation du liquide de refroidissement, ledplacement de ce liquide ou son chauffement.Un dispositif de surveillance est install sur le transformateur et porte le nom de relais Buchholz .

Le rservoir d'expansion est mis en contact avec l'air par l'intermdiaire d'un asscheur d'huile(Silicagel). Il compense tous les changements de volume d'huile et d'oxydation de l'huile (diminutiondes caractristiques isolantes de l'huile). Un thermomtre contact et un contrleur de niveaucompltent l'quipement.En cas de dfaut l'intrieur du transformateur, le relais Buchholz dtecte le dgagement gazeux.Deux niveaux de surveillance sont en service. Premier stade, le relais Buchholz signale la prsence d'un

dfaut. Deuxime stade, Le relais Buchholz coupe l'alimentation du transformateur.


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11.25 TRANSFORMATEURS TRIPHASES

11.25.1 Description des transformateurs triphass.

11.25.1.1 Ensemble de 3 transformateurs monophass identiques

On connecte un transformateur monophas sur chacune des phases. Cette solution est parfois utiliseen THT (Trs Haute Tension) dans le domaine des puissances leves.

11.25.1.2 Transformateur triphas

Le plus souvent on utilise un appareil unique dont la carcasse magntique comporte :

3 noyaux (ou colonnes) runis par 2 culasses.


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11.25.2 Fonctionnement vide en rgime quilibr

Soit un transformateur triphas dont les enroulements prsentent

par phase, N 1 spires au primaire et N 2 spires au secondaire des couplages quelconques (toile ou triangle)

Appliquons respectivement aux bornes des phases du primaire les tensions sinusodales quilibresU1L1 [V]; U 1L2 [V]; U 1L3 [V]

L3

L3

L1

L1U 2

U 1

U 2

U 1 L2

L2U 2

U 1

Les flux magntiques induisent dans les trois phases du secondaire des tensions sinusodalesquilibres, de sens oppos celles du primaire.

11.25.3 Fonctionnement en charge

On raccorde les 3 phases du secondaire sur 3 rcepteurs identiques de facteur de puissance cos 2 [-]Soit I 1L1 [A] ; I 1L2 [A] ; I 1L3 [A] les courants dans les 3 phases du primaire.Soit I 2L1 [A] ; I 2L2 [A] ; I 2L3 [A] les courants dans les 3 phases du secondaire.

La premire colonne fonctionne comme un transformateur monophas parfait de rapport

[ ]mUU

L

L

= 2 11 1

Il en est de mme pour les 2 autres colonnes, soit pour rsumer :

mUU

UU

UU

L

L

L

L

L

L

= = =2 11 1

2 2

1 2

2 3

1 3

En rgime quilibr toute la thorie du transformateur monophas est applicable condition de

raisonner phase par phase , cest--dire une phase du primaire correspond une phase dusecondaire .


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11.25.4 Couplages du primaire et du secondaire

11.25.4.1 Couplage toile

Les courants qui circulent dans les fils de la ligne sont les mmes que les courants qui circulent dans les

phases du transformateur.

1L1Ph1L1 II =

L3

L2L

2

L1

L3

L 1

11.25.4.2 Couplage triangle

La tension sur les enroulements est la mme quentre les phases L 1 ;L2 ;L3 ;

1L1Ph2L1L UU =

L3

L2

L1

L2

L3

L1

11.25.4.3 Couplage zig-zag

6

3

L4

L 1

L5

L

L2L

On verra plus loin lutilisation dun tel couplage du secondaire.


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11.25.5 Fonctionnement en rgime dsquilibr.

Le cas le plus frquent du fonctionnement dun transformateur triphas en rgime dsquilibr est celuides rseaux de distribution lectrique. Il est ncessaire de savoir choisir le couplage des enroulementsprimaires et secondaires. Pour savoir quel couplage il convient dadopter au primaire et au secondaire,

il faut considrer un transformateur triphas dont :

Le primaire est aliment par une ligne 3 fils (les tensions sont quilibres) Le secondaire a son neutre sorti.

Ce transformateur est soumis aux conditions limites suivantes :

La phase du secondaire bobine sur la 1 re colonne est charge. Les 2 autres phases du secondaire sont vide.

11.25.5.1 Fonctionnement des couplages TRIANGLE-ETOILE et ETOILE-ETOILE

Le couplage toile du secondaire permet de sortir le neutre et de le connecter au fil neutre du rseaude distribution.

Le couplage TRIANGLE-ETOILE convient bien, car le courant qui passe dans la charge ne circulepas dans les autres phases non charges, on garantit ainsi labsence de perturbations.Cest un couplage utilisable lorsquil y a risque de dsquilibre.

Le couplage ETOILE-ETOILE ne convient pas, car le courant qui passe dans la charge, cre uncourant I ph1 qui sen retourne forcment par les 2 autres phases du primaire ;or au secondaire lesphases correspondantes ne sont parcourues par aucun courant :on na plus, sur chaque colonne,quilibre entre la tension induite au primaire et celle du secondaire. Le fonctionnement ne peut tresatisfaisant.Le courant I ph2 induit dans la premire phase du secondaire, obit la loi de Lenz : la bobine ragit defaon rduire ce courant, cest--dire diminuer la tension U ph2 et par suite, au primaire, la tensionU Uph N1

L3

L2

L1

N

R

Les tensions induites dans les phases


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11.25.5.2 Fonctionnement des couplages ETOILE-ZIG-ZAG

Pour conserver au primaire lavantage du couplage Y on a imagin au secondaire un couplage dit enzig-zag qui :permet de sortir un fil neutre,

prsente un fonctionnement satisfaisant en rgime dsquilibr.

Ralisation

Sur chaque colonne on a dispos une phase du primaire (N 1 spires) et 2 bobines identiques (N 2 spireschacune) ; chaque phase du secondaire est obtenue en mettant en srie deux de ces bobines,

prises en sens inverse,situes sur deux colonnes diffrentes.

Reprsentation vectorielle des tensions (voir ci-dessus), lallure de ce dessin justifie le terme de zigzag.


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11.25.6 Couplage et indice horaire

11.25.6.1 Modes de couplage

On appelle couplage dun transformateur triphas, lassociation de deux types dtermins de

branchement, au primaire et au secondaire.

Au primaire (haute tension), on nutilise que le montage toile ou le montage triangle. La notation dutype de branchement est en lettres majuscules, soit Y pour toile et D pour triangle.Au secondaire (basse tension), les trois montages sont possibles. La notation du type de branchement

est en lettres minuscules, soit y pour toile, d pour triangle et z pour zig-zag.

Les couplages existants sont :

On a par exemple le groupe de couplage Dy 11

11.25.6.2 Indice horaire

Le nombre (de 0 11) est appel nombre horaire. Il caractrise le dphasage relatif entre les tensionsde ligne primaire et secondaire ( vide). Cet angle correspond pour 360 0, aux 12 heures du cadrandune horloge repres de 0 11, chaque angle horaire tant un multiple de 30 0.Si lon appelle, U 1L1 ;U1L2 ;U1L3 ; les bornes des phases primaires et U 2L1 ;U2L2 ;U2L3 ; celles dessecondaires, les tensions de lignes sont :au primaire : U 1L1 ;U1L2 ;U1L3 ;au secondaire : U 2L1 ;U2L2 ;U2L3 ;

Le nombre horaire est indiqu par lheure de la borne U 2L2 lorsque U 1L2 est place sur 0.

7

8

6 5

1 1

9

1 0

Tensions au secondaire

Tensions au primaire

121

4

2

3

Dans lexemple ci-dessus, le nombre horaire est 11.Dans ce qui suit, on montrera laide dun exemple comment dterminer le nombre horaire.

Primaire Secondaire

Y y Etoile EtoileY z Etoile Zig-ZagY d Etoile TriangleD y Triangle EtoileD z Triangle Zig-Zag


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11.25.6.3 Exemple de dtermination du nombre horaire.

On commence par dessiner les enroulements et leur couplage. On reprsente les phases secondairesexactement au-dessous des phases primaires. On reprsente par un point les bobines homologues.

3P

3S

L

2V1

2V2'

2W1'

4L

5

2V2

2V2'

2W2

L

2U1

2U2'

1S

L6

2U2

2U2'

LL

2W1

2W2'

2S

1V1

1V2

L

1U2

1P

1U1

LL

1W2

2P

1W1

PRIMAIRE

Figure 11.25-1 Tensions d'un couplage toile-zig-zag

Daprs la position des points, on voit par exemple que la tension U L1S vide est en opposition dephase par rapport U L1P alors que U L6 est en phase avec U L3P .

On reprsente le triangle des tensions de ligne primaires de manire que la borne 2V1 soit sur 0.

Dans le mme diagramme, on reprsente les tensions de phase du primaire. (dans notre exemple, ellessont gales aux tensions de ligne, puisque le primaire est coupl en triangle).

On reprsente ensuite les tensions de phase secondaires en tenant compte des points de polarit

(dphases de 180 0 par rapport aux tensions de phase primaires)

Une fois les tensions de phases secondaires obtenues, on les dessine vectoriellement pour trouver lestensions de ligne.

On regroupe ces 3 tensions de telle sorte quelles forment un triangle.

Le groupe du transfo tudi est donc Dz6


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11.25.6.4 Exemples dutilisations de lindice horaire.

Figure 11.25-2 Dd0 ;Dy5 ;Dd6 ;Dy11

Figure 11.25-3 Autre exemple Dy5


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11.25.6.5 Rsum des couplages possibles


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04/05/98 Questions et problmes page 2

22) Pourquoi, la puissance demande par la charge se reporte au primaire ?

23) Dans un transformateur o apparaissent les pertes fer ?

24) Dans un transformateur o apparaissent les pertes cuivre ?

25) Comment dterminer les pertes fer d'un transformateur ?

26) Comment dterminer les pertes cuivres d'un transformateur ?

27) Comment exprimer le rendement pour transformateur rel ?

28) Est-il avantageux de prendre un gros transformateur pour une petite charge ?(Justifiez)

29) Quelles sont les diffrentes formes des circuits magntiques ?

30) Comment faire pour diminuer la rluctance R [A

Wb] des joints magntiques ?

31) Quelles sont les matires utilises pour les tles magntiques des transformateurs ?

32) Expliquez les diffrents types de refroidissements pour les transformateurs.

33) Qu'est-ce qu'un dilectrique ?

34) Pour un transformateur quels sont les dilectriques utiliss ?

35) Pour le dilectrique et le refroidissement d'un transformateur, donnez la significationde l'abrviation suivante : GNOD

36) Citez les diffrents types de circuits lectriques pour des transformateurs rels.

37) Quelles sont les protections essentielles pour des transformateurs ?

38) Comment les petits transformateurs sont-ils protgs contre les surintensits ?

39) Comment protger les transformateurs contre les surtensions ?

40) Dans les transformateurs de grande puissance, comment se nomme le dispositif desurveillance install sur le transformateur ?

41) Dans le rservoir d'expansion d'huile, se trouve un dipositif d'asschement d'air. Pourquelles raisons ?

42) Dcrivez (dessin) un autotransformateur.

43) Quel est l'avantage d'un autotransformateur ?

44) Quel est l'inconvnient d'un autotransformateur ?


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45) Quelle est la diffrence entre un autotransformateur et un transformateur de rglage ?

46) Quand le curseur de rglage de la tension U 2 passe d'une spire l'autre, il y a uninstant de coupure, que se passe-t-il ? Comment viter ce dsagrment ?

47) Quel est le principe d'un transformateur fuites magntiques ?

48) Citez des utilisations du transformateur fuites magntiques.

49) Expliquez la relation entre la position du shunt magntique et la valeur du fluxmagntique.

50) Quel appareil utilise-t-on pour les mesures de haute tension ?

51) Que signifie l'abrviation TP ?

52) Que doit-on brancher au secondaire d'un transformateur de tension ?

53) Comment brancher un transformateur de courant ?

54) Si le secondaire d'un TI s'ouvre, que va-t-il se passer ?

55) Quelles sont les diverses formes des TI ?


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11.26.2 PROBLEMES

1) Un transformateur de tension (2400 V / 240 V) possde une puissance de 100 kVA et60 spires pour la bobine secondaire.Calculer :

La valeur du courant primaire et secondaire.Le nombre de spires de la bobine primaire.2) Une ligne de distribution alimente sous une tension de 6900 V un transformateur dontle primaire comporte 1500 spires et le secondaire 24 spires.Calculer :La tension du secondaire.Les courants primaire et secondaire si une charge de 5 est raccorde au secondaire.

3) L'enroulement primaire d'un transformateur possde 2 fois plus de spires que lesecondaire. La tension primaire est de 230 V. Le secondaire est raccord une rsistancede 5 .Calculer la puissance apparente et active dbite par le transformateur ainsi que lescourants primaire et secondaire ?

4) Un transformateur de 3000 kVA a un rapport de transformation de 60 kV 2,4 kV.Calculer le courant nominal de chaque enroulement.

5) Un transformateur moyenne tension possde une tension de sortie de 230 V aux bornesd'une bobine de 660 spires. La bobine primaire a 18000 spires.Calculer :La tension du primaire.Le rapport de transformation.

6) Un transformateur de 500 VA a des pertes fer de 10 W et des pertes s'levant 20 W.Le facteur de puissance du transformateur est de 0,8.Calculer :Le rendement du transformateur.

7) Un transformateur de 300 kVA a des pertes fer de 2 kW et des pertes cuivre de 6,5kW. Une charge, d'un facteur de puissance de 0,6 est raccorde ce transformateurpendant 5000 h. Il est raccord au rseau sans interruption toute l'anne.Quel est son rendement annuel ?


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8) Un transformateur une bobine secondaire de 688 spires place sur un noyau en fer de9 cm 2 d'aire. L'induction magntique dans le noyau est de 1,6 T a une frquence de 50 Hz.Calculer :La tension aux bornes de la bobine du secondaire.

9) Un appareil d'une tension nominale de 145 V doit tre raccord un rseau de 230 Vpar l'intermdiaire d'un autotransformateur dont l'enroulement a 480 spires. Combien y a-t-il de spires entre les 2 bornes 145 V ?

Documents

chaptransfo-1