1

COURS 6 Elec

Nom : Prénom : Fiche :

Date : 1er ELEEC

LE TRANSFORMATEUR

A classer : B - S0

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. S 1.2 Transformateur HTA/BTA.

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

2

c. Structure Sur un circuit magnétique, on réalise deux enroulements, l’un appelé primaire comportant un certain nombre de spires N1 et l’autre appelé secondaire comportant certain nombre de spires N2.

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.

b. Principe

Un champ magnétique est créé par le circuit électrique primaire. Ce champ ainsi créé se propage et circule dans le circuit magnétique du transformateur. Le champ circulant dans le circuit magnétique passe au travers du circuit électrique secondaire créant ainsi une tension induite à ses bornes. La valeur de la tension induite dépendra du nombre de spires de la bobine du circuit secondaire.

U1 →→→→ E'1 →→→→ B →→→→ E2 →→→→ U2 c. Caractéristiques

Les transformateurs sont caractérisés essentiellement par les paramètres suivants :

Tension primaire. Tension secondaire.

Puissance apparente en VA, KVA ou MVA.

Fréquence de fonctionnement.

Circuit électrique primaire

Circuit électrique secondaire

Circuit magnétique

3

On pourra aussi lire sur la plaque signalétique, la chute de tension en charge, le couplage des enroulements et l’indice horaire (transformateur triphasé), la classe de température, les courants primaire et secondaire, la tension secondaire de court-circuit et diverses autres informations.

- Formule de Boucherot :

E = 4,44 . B . N . S . f

B ⇒⇒⇒⇒ Champs magnétique maximal dans le circuit magnétique en Tesla (T).

E ⇒⇒⇒⇒ F.E.M. ou tension à vide U0 en volts (V).

N ⇒⇒⇒⇒ Nombre de spires dans la bobine.

S ⇒⇒⇒⇒ Surface de la section du circuit magnétique en m².

f ⇒⇒⇒⇒ Fréquence en Hertz (Hz). - Remarque :

La formule de Boucherot est applicable au primaire comme au secondaire.

- Primaire :

E'1 = U1V = U10 = 4,44 . B . N1 . S . f

- Secondaire :

E2 = U2V = U20 = 4,44 . B . N2 . S . f

4

- 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 = N2 N1

N1 ⇒⇒⇒⇒ Nombre de spires au primaire.

N2 ⇒⇒⇒⇒ Nombre de spires au secondaire. d. Transformateur parfait

Un transformateur parfait est un transformateur dans lequel il n'y a pas de perte. R1 = R2 = 0 Ω, pas de perte magnétique, donc : P1 = P2 ; Q1 = Q2 ; S1 = S2 ; cos ϕ1 = cos ϕ2. ⇒ η = 1 m = U2 = N2 = I1 U1 N1 I2

U1 ⇒⇒⇒⇒ Tension au primaire en volts (V).

U2 ⇒⇒⇒⇒ Tension au secondaire en volts (V).

I 1 ⇒⇒⇒⇒ Intensité dans le primaire en ampères (A).

I 2 ⇒⇒⇒⇒ Intensité dans le secondaire en ampères (A). e. Transformateur réel

Un transformateur réel a des pertes.

Pf, Puissance perdue dans le circuit magnétique (pertes fer). P1, Puissance électrique P2, Puissance

absorbée au primaire. Transformateur électrique utile au secondaire.

Pj, Puissance perdue par effet joule due à R1 et R2 (pertes joule).

5

- Bilan des puissances :

P1 = P2 + Pj + Pf - Pertes joule (Pj en watt) :

Pj1 = R1 . I1² Pj = Pj1 + Pj2

Pj2 = R2 . I2² On peut écrire que : Pj = R1 . I1² + R2 . I2² Les pertes joule totales sont appelées pertes cuivre. On peut aussi déterminer les pertes cuivre à partir d'un essai en court circuit :

Pj = P1CC - 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 = P10 - Rendement :

- Méthode directe : ηηηη = P2 P1

- Méthode des pertes séparées : ηηηη = P2 = P1 – Pf – Pj P2 + Pf + Pj P1

avec P2 = U2 . I2 . cos ϕϕϕϕ2 Le rendement sera maximum lorsque : Pf = Pj

6

- Chutes de tension : C'est l'écart entre la tension à vide et la tension en charge au secondaire.

- Absolue : ∆∆∆∆U2 = U20 – U2

- Relative : ∆∆∆∆U = U20 – U2 U20

La tension à vide peut s'écrire de deux façons : U20 et U2V. - Rapport de transformation :

- Dans l'essai à vide, le transformateur est parfait pour les tensions :

m = U20 U1

- Dans l'essai en court circuit, le transformateur est parfait pour les courants :

m = I1CC I2CC

I 2CC ⇒⇒⇒⇒ Intensité de court circuit au secondaire correspondant au courant nominal du secondaire.

- Rapport de transformation généralisé :

m = U20 = I1CC = N2 U1 I2CC N1

7

3. TRANSFORMATEUR TRIPHASE Les transformateurs triphasés sont utilisés pour le transport d'énergie (20KV / 400KV) et la distribution d'énergie (20KV / 400V). a. Constitution

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.

8

b. Couplage et indice horaire Selon leur utilisation, les enroulements primaires et secondaires des transformateurs peuvent être couplés en triangle, en étoile ou en zigzag.

ZIGZAG TRIANGLE ETOILE

L’indice horaire est une représentation du déphasage des tensions entre les circuits électriques primaires et secondaires. Exemples :

9

10

c. Désignation La désignation des couplages et de l’indice horaire d’un transformateur seront identifiés à l’aide de 2 ou 3 lettres suivies d’un chiffre. La 1ère lettre en majuscule représente le couplage des enroulements primaires : Etoile (Y) ou triangle (D). La 2ème lettre en minuscule représente le couplage des enroulements secondaires : Etoile (y), triangle (d) ou zigzag (z). Si le neutre est sorti au secondaire, les deux premières lettres seront suivies de la lettre n. Pour finir, le chiffre de 0 à 11 représente l’indice horaire du transformateur. Exemples :

Dy9 : Primaire triangle ; secondaire étoile ; déphasage = 270° ou – 90°.

Yz7 : Primaire étoile ; secondaire zigzag ; déphasage = 210°.

Dyn11 : Primaire triangle ; Secondaire étoile ; neutre sorti au secondaire ; Déphasage = 330° ou –

30°.

d. Rapport de transformation

On a m par colonne et on pose M = U20 /U1 entre phase.

Couplage Primaire Secondaire

Rapport de transformation

Y

d m = U20 / V1 = M . √3 = N2 / N1

Y

y m = V20 / V1 = M = N2 / N1

D

d m = U20 / U1 = M = N2 / N1

D

y m = V20 / U1 = M / √3 = N2 / N1

11

e. Rendement

- Méthode directe : ηηηη = P2 P1

- Méthode des pertes séparées : ηηηη = P2 = P1 – Pf – Pj P2 + Pf + Pj P1

avec P1 = U1 . I1 . √√√√3 . cos ϕϕϕϕ1

P2 = U2 . I2 . √√√√3 . cos ϕϕϕϕ2 Pf = P10 ⇔⇔⇔⇔ Essai à vide

Pj = 1,5 . R1 . I1² + 1,5 . R2 . I2² ⇔⇔⇔⇔ Essai en court circuit. avec R1 et R2 entre phase. Quelque soit le couplage : U ⇒ Tension composée. I ⇒ Intensité en ligne. R ⇒ Résistance entre phase. f. Protection des transformateurs trphasés

Selon leur puissance, les transformateurs peuvent être du type sec (air) ou immergé dans un diélectrique comme l'huile qui servira à la fois d’isolant et de refroidisseur. La protection contre les surintensités ou surtensions est assurée par, des fusibles, disjoncteurs, des limiteurs de surtension ou des parafoudres au primaire et au secondaire. Les transformateurs de puissance élevée (HTA/BTA) sont équipés en plus des dispositifs de protection électrique, d'un DGPT2 (Détection de Gaz, Pression, Température à 2 niveaux) qui protège les transformateurs immergés étanches contre :

La température excessive.

La surpression.

Les dégagements gazeux.

Les fuites de diélectrique.

12

Un groupe de 4 lettres permet de reconnaître le type de refroidissement d’un transformateur.

Type ONAF :

O : Huile minérale (diélectrique, isolant)

N : Naturel (circulation du diélectrique)

A : Air (type de refroidissement)

F : Forcée (circulation du fluide de refroidissement)

13