Transformateur lectriqueAller :Navigation,rechercher Un transformateur lectrique (parfois abrg en transfo) est un convertisseur permettant de modifier les valeurs de tension et d'intensit du courant dlivres par une source d'nergie lectrique alternative, en un systme de tension et de courant de valeurs diffrentes, mais de mme frquence et de mme forme. Il effectue cette transformation avec un excellent rendement. Il est analogue un engrenage en mcanique (le couple sur chacune des roues dentes tant l'analogue de la tension et la vitesse de rotation tant l'analogue du courant). On distingue les transformateurs statiques et les commutatrices. Dans un transformateur statique, l'nergie est transfre du primaire au secondaire par l'intermdiaire du circuit magntique que constitue la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alorsmagntiquement coupls. Ceci permet de raliser un isolement galvanique entre les deux circuits. Dans une commutatrice, l'nergie est transmise de manire mcanique entre une gnratrice et un moteur lectrique.

Vue en coupe d'un transformateur triphas

Montage d'un transformateur (Allemagne, 1981)

Sommaire[masquer]

1 Invention 2 Constitution

o o o o

2.1 Le circuit magntique 2.2 Les enroulements 2.3 Le systme de refroidissement 2.4 L'isolation

3 Fonctionnement du transformateur monophas

o

3.1 Transformateur parfait ou idal

o

3.1.1 quations de base 3.1.2 Explication grce au flux magntique 3.1.3 Adaptation d'impdance 3.1.4 Symbole

3.2 Les pertes de puissance d'un transformateur

3.2.1 Schma quivalent d'un transformateur rel

3.2.1.1 Mise en commun de l'impdance principale

3.2.2 Les pertes par effet Joule 3.2.3 Les pertes magntiques 3.2.4 Mesure des pertes

4 Les diffrents types de transformateurs

o o o

4.1 Autotransformateur 4.2 Transformateur variable - variac - alternostat 4.3 Transformateur d'isolement

o o

4.4 Transformateur d'impdance 4.5 Transformateur de mesure

4.5.1 Transformateur d'intensit 4.5.2 Transformateur de tension 4.5.3 Transformateur d'essai

5 Transformateur haute frquence

o o

5.1 Circuit magntique des transformateurs HF 5.2 Transformateur d'impulsions

6 Transformateur triphas

o o o o

6.1 Justification 6.2 Couplages existants 6.3 Indice de couplage 6.4 Choix de couplage

7 Transformateur diphas-triphas

o o

7.1 Transformateurs de Scott 7.2 Transformateurs de Leblanc

8 Transformateur triphas-monophas 9 Notes et rfrences 10 Voir aussi

o o o

10.1 Liens internes 10.2 Bibliographie 10.3 Liens externes

Invention[modifier]Les principes du transformateur ont t tablis en 1831 par Michael Faraday, mais celui-ci ne s'en servit que pour dmontrer le principe de l'induction lectromagntique et n'en prvit pas les applications pratiques. Lucien Gaulard, jeune lectricien franais, prsente la Socit franaise des lectriciens, en 1884, un gnrateur secondaire , dnomm depuis transformateur. En 1883, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs russissent transmettre pour la premire fois, sur une distance de 40 km, du courant alternatif sous une tension de 2 000 volts l'aide de transformateurs avec un noyau en forme de barres.

Transformateur (Dri-Blthy-Zipernovski, Budapest, 1885)

En 1884, Lucien Gaulard met en service une liaison boucle de dmonstration (133 Hz) alimente par du courant alternatif sous 2 000 volts et allant de Turin Lanzo et retour (80 km). On finit alors par admettre l'intrt du transformateur qui permet d'lever la tension dlivre par un alternateur et facilite ainsi le transport de l'nergie lectrique par des lignes haute tension. La reconnaissance de Gaulard interviendra trop tardivement. Entre-temps, des brevets ont t pris aussi par d'autres. Le premier brevet de Gaulard en 1882 n'a mme pas t dlivr en son temps, sous prtexte que l'inventeur prtendait pouvoir faire quelque chose de rien ! Gaulard attaque, perd ses procs, est ruin, et finit ses jours dans un asile d'alins. Le transformateur de Gaulard de 1886 n'a pas grand-chose envier aux transformateurs actuels, son circuit magntique ferm (le prototype de 1884 comportait un circuit magntique ouvert, d'o un bien mdiocre rendement) est constitu d'une multitude de fils de fer annonant le circuit feuillet tles isoles. Ainsi, en 1885, les Hongrois Kroly Zipernowsky, Miksa Dry et Otto Titus Blthy mettent au point un transformateur avec un noyau annulaire commercialis dans le monde entier par la firme Ganz Budapest. Aux tats-Unis, W. Stanleydveloppe des transformateurs.

Constitution[modifier]

Photographie des enroulements d'un transformateur triphas

Il est constitu de deux parties essentielles, le circuit magntique et les enroulements.

Le circuit magntique[modifier]

Le circuit magntique d'un transformateur est soumis un champ magntique variable au cours du temps. Pour les transformateurs relis au secteur de distribution, cette frquence est de 50 ou 60 hertz. Le circuit magntique est toujours feuillet pour rduire les pertes parcourants de Foucault, qui dpendent de l'amplitude du signal et de sa frquence. Pour les transformateurs les plus courants, les tles empiles ont la forme de E et de I, permettant ainsi de glisser une bobine l'intrieur des fentres du circuit magntique ainsi constitu.

Schma de la carcasse d'un Schmas des tles d'un transformateur monophas transformateur monophas bas de gamme

noter que dans les culasses qui joignent les colonnes, le flux est perpendiculaire au sens de laminage. Le matriau magntique n'est pas utilis au mieux, l'orientation molculaire tant dfavorable au passage du flux. Il existe donc des circuits en anneau torique, constitus par l'enroulement d'une bande de tle magntique offrant toujours le mme sens d'orientation au flux. Ces circuits magntiques se nomment des tores. Le bobinage des tores tant plus dlicat, le prix des transformateurs torodaux est nettement plus lev. Pour les frquences moyennes (400 Hz 5 000 Hz) la tle au silicium grains orients en paisseur de 10/100 mm est utilise sous forme de circuits en C . Pour les frquences moyennes et les hautes frquences ( 100 kHz) l'emploi des ferrites s'impose. Pour les fortes puissances, les circuits magntiques sont constitus avec des tles droites ou biseautes. Ces tles sont empiles de faon former un noyau de section carre, rectangulaire ou en croix dite de saint Andr. Toutes ces tles en fer au silicium existent en paisseur de 0,2-0,3-0,5 mm ; elles sont, soit non isoles (pour petite puissance), soit isoles par une trs fine couche de vernis. Enfin, leur qualit est prcise par leur pertes en W/kg une induction donne de 1 tesla. Il existe des tles de 0,6 W/Kg jusqu' 2,6 W/Kg de faon courante.

Les enroulements[modifier]

Les enroulements sont en gnral concentriques pour minimiser les fuites de flux.

Le conducteur lectrique utilis dpend des applications, mais le cuivre est le matriau de choix pour toutes les applications fortes puissances. Les fils lectriques de chaque tour doivent tre isols les uns des autres afin que le courant circule dans chaque tour. Pour des petites puissances, il suffit d'utiliser des conducteurs amagntiques maills pour assurer cette isolation ; dans les applications plus fortes puissances mais surtout cause d'une tension d'utilisation leve, on entoure les conducteurs de papier dilectrique imprgn d'huile minrale. Pour des frquences moyennes et hautes, on utilise des conducteurs multibrins pour limiter l'effet de peau ainsi que les pertes par courants de Foucault ; tandis que pour les fortes puissances, on cherche minimiser ces pertes induites dans les conducteurs par l'emploi de fils mplats de faible paisseur voire de vritables bandes de cuivre ou d'aluminium. Les enroulements du primaire ou du secondaire peuvent avoir des connexions externes, appeles prises, des points intermdiaires de l'enroulement afin de permettre une slection de rapport de tension. Les prises peuvent tre connectes un changeur automatique de prises en charge pour le contrle de la tension du circuit de distribution. Les transformateurs frquences audio, utiliss pour la distribution de l'audio des haut-parleurs, ont des prises afin de permettre l'ajustement de l'impdance de chacun des haut-parleurs. Un transformateur prise mdiane est souvent utilis dans les amplificateurs de puissance audio. Les transformateurs de modulation dans les transmetteurs modulation d'amplitude sont trs similaires.

Le systme de refroidissement[modifier]Dans le domaine de l'lectricit en basse tension et dans le domaine de l'lectronique, la dissipation thermique des transformateurs s'effectue par simple convection naturelle de l'air autour des enroulements primaires et secondaires. Dans le cadre des circuits lectriques haute tension et de forte puissance, les transformateurs peuvent tre quips de divers dispositifs de refroidissement :

ailettes mtalliques fixes tout autour de la cuve du transformateur qui vacuent la chaleur par convection naturelle ;

ailettes fixes associes un condenseur circulation force de l'huile d'isolation galvanique du transformateur ;

pour les transformateurs les plus puissants, par exemple ceux des grandes lignes THT du RTE de 400 150 kV, on utilise des systmes de ventilation force d'un important flux d'air associ ou non un change thermique avec l'huile de la cuve. Le dispositif de refroidissement est toujours coupl un systme de capteurs de temprature faisant office de thermostat (commande automatique de la mise en route de la ventilation). Il faut, en effet comprendre que mme si les transformateurs de puissances ont des rendements allant de 99,5 99,8 %, les puissances les traversant sont tellement grandes que les pertes reprsentent dans l'absolu de grandes valeurs. Ainsi pour un transformateur de 800 MVA, on a, avec 99,8 % de rendement, des pertes de 1,6 MW, ce qui est norme et difficile vacuer1.

L'huile contenue dans la cuve joue un double rle : caloporteur et dilectrique. Les PCB ont t longtemps utiliss, mais depuis leur interdiction en 1987 (dcret 87-59 du 2 fvrier 1987, rfrence NOR ENVP8700002D), on utilise essentiellement de l'huile minrale, ou parfois aussi l'air ambiant pour des puissances infrieures 1 000 kVA (transformateurs secs ). Enfin, signalons que dans le domaine de la radiodiffusion de forte puissance, les transformateurs d'impdance et les transformateurs d'accord sont parfois constitus d'une immense self rigide en cuivre creux dans lequel circule de l'eau distille (l'eau parfaitement pure, sans sels minraux, est un isolant lectrique). Des blocs metteurs de TDF Allouis dans le Cher et Saint-Aoustrille prs dIssoudun dans lIndre ont utilis cette technologie de dissipation thermique.

L'isolation[modifier]Les enroulements tant soumis des tensions lectriques il faut les isoler pour assurer leur bon fonctionnement et la scurit des utilisateurs. Les fils ronds ou les mplats sont recouverts d'une couche de vernis cuit constituant un mail. Les mplats existent aussi isols par un enrubannage d'isolant mince voir de ruban de fil de verre tress le tout imprgn dans la rsine pour le verre tress. La tension entre couche prsentant un risque de claquage est contre par la mise en place d'un isolant sous forme de ruban mince et ceci systmatiquement entre enroulements. L'ensemble du bobinage, voir le transformateur tout entier, est immerg dans un vernis, par gravit ou sous vide et pression, pour tre ensuite pass dans une tuve afin d'tre recuit.

Tous ces maillages, isolants, vernis, rpondent une classification en matire de temprature et dfinis de la faon suivante :

classe A t 105 C ; classe E t 120 C ; classe B t 130 C ; classe F t 155 C ; classe H t 180 C.

Ces tempratures sont des maximums ne pas dpasser quelle que soit la temprature ambiante.

Fonctionnement du transformateur monophas[modifier]Transformateur parfait ou idal[modifier]quations de base[modifier]

Transformateur monophas idal

C'est un transformateur virtuel sans aucune perte. Il est utilis pour modliser les transformateurs rels. Ces derniers sont considrs comme une association d'un transformateur parfait et de diverses impdances. Dans le cas o toutes les pertes et les fuites de flux sont ngliges, le rapport du nombre de spires primaires sur le nombre de spires secondaires dtermine totalement le rapport de transformation du transformateur.

Exemple : un transformateur dont le primaire comporte 230 spires aliment par une tension sinusodale de 230 V detension

efficace, le secondaire qui comporte 12 spiresprsentera ses bornes une tension sinusodale dont la valeur efficace sera gale 12 V. (Attention, en gnral 1 spire n'est pas gale 1 V.)

. Comme on nglige les pertes, la puissance est transmise intgralement, c'est pourquoi l'intensit du courant dans le secondaire sera dans le rapport inverse soit prs de 19 fois plus importante que celle circulant dans le primaire. De l'galit des puissances apparentes : soit : , on tire : ,

.

Explication grce au flux magntique[modifier][drouler]

Dmonstration

Adaptation d'impdance[modifier]Les rapports des tensions et des courants tant modifis entre le primaire et le secondaire, une impdance place au primaire ne sera pas perue avec sa valeur initiale au secondaire. On a l'quation3 :

.

Symbole[modifier]

symbole d'un transformateur

Le symbole du transformateur noyau de fer correspond 2 bobines spares par 2 lignes verticales qui symbolisent le circuit magntique. Il

reprsente assez simplement sa construction physique ainsi que son rle de couplage.

Les pertes de puissance d'un transformateur[modifier]Schma quivalent d'un transformateur rel[modifier]

Schma quivalent d'un transformateur rel aliment par une source de tension non-idale

Pour modliser un transformateur rel en rgime stationnaire il existe divers modles qui rpondent divers cahiers des charges. Le plus souvent, ces modles tentent de rendre compte des pertes et des chutes de tension en charge. On ajoute alors au transformateur idal des diples linaires permettant de modliser les pertes4 mais aussi les chutes de tension lors d'un fonctionnement en rgime sinusodal la frquence d'utilisation.

Up : tension au primaire Us = U2 : tension au secondaire I1, I2' : courant en entre et en sortie Rq1 : rsistance interne de la source de tension L1, L'2 : inductance de fuite au primaire et ausecondaire

R1, R'2 : rsistance des bobinages au primaire etau secondaire

Lh1 : inductance principale, qui permet lecouplage du primaire et du secondaire

RFe : rsistance modlisant les pertes.

Ce modle, s'il prend en compte les pertes, nglige les non-linarits et les capacits parasites.

[drouler]

Dmonstration

Les pertes par effet Joule[modifier]Les pertes par effet Joule dans les enroulements sont appeles galement pertes cuivre , elles dpendent de la rsistance de ces enroulements et de l'intensit du courant qui les traverse : avec une bonne approximation elles sont proportionnelles au carr de l'intensit.

avec l'enroulement i et

la rsistance de

l'intensit du courant qui le traverse.

Les pertes magntiques[modifier]Ces pertes dans le circuit magntique, galement appeles pertes fer , dpendent de la frquence et de la tension d'alimentation. frquence constante, on peut les considrer comme proportionnelles au carr de la tension d'alimentation. Ces pertes ont deux origines physiques :

les pertes par courants de Foucault. Elles sont minimises par l'utilisation de tles magntiques vernies, donc isoles lectriquement les unes des autres pour constituer le circuit magntique, ce en opposition un circuit massif. Elles sont proportionnelles la frquence au carr6 ;

les pertes par hystrsis, minimises par l'utilisation d'un matriau ferromagntique doux. En effet, elles sont proportionnelles l'aire du cycle d'hystrsis, celui-ci doit donc tre le plus troit possible, d'o les matriaux doux. Ces pertes sont de plus proportionnelles la frquence7.

Les courbes des fabricants de tles magntiques donnent, pour des frquences dtermines, les pertes globales pour diffrentes valeurs de l'induction.

Mesure des pertes[modifier]La mthode des pertes spares consiste placer le transformateur dans deux tats :

un tat pour lequel les pertes par effet Joule sont leves (fort courant) et les pertes magntiques trs faibles (faible tension). La mise en court-circuit du transformateur (essai en court-circuit) avec une alimentation en tension rduite permet de raliser ces deux conditions. Les pertes du transformateur sont alors quasiment gales aux pertes par effet Joule8 ;

un tat pour lequel les pertes magntiques sont leves (forte tension) et/ou les pertes par effet Joule sont trs faibles (faible courant). Le fonctionnement vide (essai vide), cest--dire sans rcepteur reli au secondaire, correspond ce cas. La puissance consomme au primaire du transformateur est alors quasiment gale aux pertes magntiques8.

On dit que l'on a deux tats qui permettent une sparation des pertes d'o l'expression mthode des pertes spares . Elles ont galement l'avantage de permettre la mesure du rendement avec une consommation de puissance rduite, sans faire l'essai en fonctionnement rel. Ceci est intressant lorsqu'on ralise les tests d'un transformateur de forte puissance et que l'on ne dispose pas dans l'atelier de la puissance ncessaire pour l'alimenter son rgime nominal. Mis part

pour les plates-formes d'essai chez les constructeurs, cette mthode n'a donc pas grand intrt pour uniquement connatre le rendement car, dans ce contexte, une mesure directe puissance nominale (normale) est bien souvent suffisante. En revanche, dans le cadre de l'lectrotechnique thorique, elle est importante car elle permet de dterminer les lments permettant de modliser le transformateur.

Les diffrents types de transformateurs[modifier]Ces distinctions sont souvent lies aux trs nombreuses applications possibles des transformateurs.

Autotransformateur[modifier]

Symbole d'un autotransformateur. 1 indique le primaire ; 2 le secondaire

Il s'agit d'un transformateur sans isolement entre le primaire et le secondaire. Dans cette structure, le secondaire est une partie de l'enroulement primaire. Le courant alimentant le transformateur parcourt le primaire en totalit et une drivation un point donn de celui-ci dtermine la sortie du secondaire. Le rapport entre la tension d'entre et la tension de sortie est identique celui du type isol6.

puissance gale, un autotransformateur occupe moins de place qu'un transformateur ; cela est d au fait qu'il n'y a qu'un seul bobinage, et que la partie commune du bobinage unique est parcourue par la somme algbrique des courants primaire et secondaire. L'autotransformateur n'est intressant que lorsque les tensions d'entre et de sortie sont du mme ordre de grandeur : par exemple, 230 V/115 V ; plus le rapport de la tension d'entre sur la tension de sortie se rapproche de 1 plus l'autotransformateur sera de faible importance en termes de masse et encombrement9. Une de ses principales applications est de permettre l'utilisation de matriel lectrique prvu pour une tension diffrente. Il prsente cependant l'inconvnient de ne pas prsenter d'isolation galvanique entre le primaire et le secondaire (cest--dire que le primaire et le secondaire sont directement connects), ce qui peut prsenter des risques du point de vue de la scurit des personnes9. En France, l'autotransformateur est systmatiquement utilis pour le raccordement entre le rseau 225 kV et 400 kV10. Ce type de transformateur est galement utilis dans le domaine ferroviaire pour l'alimentation 2x25 kV. Un type particulier d'autotransformateur triphas est utilis pour le dmarrage des moteurs asynchrones en permettant de limiter la pointe d'intensit et le couple au dmarrage. De mme, on utilise un autotransformateur appel diviseur de tension pour crer un neutre artificiel dans un rseau triphas.

Transformateur variable - variac - alternostat[modifier]Il s'agit d'une varit d'autotransformateur, puisqu'il ne comporte qu'un seul bobinage. La drivation de sortie du secondaire peut se dplacer grce un contact glissant sur les spires du primaire.

Transformateur d'isolement[modifier]Le transformateur d'isolement est uniquement destin crer un isolement lectrique entre plusieurs circuits pour des raisons bien souvent de scurit ou de rsolution de problmes techniques. Il faut rappeler que les composantes continues de la tension et du courant ne sont pas transportes par un transformateur11. Tous les transformateurs enroulement primaire isol du(des) secondaire(s) devraient tre considrs comme des transformateurs d'isolement ; toutefois, en pratique, ce nom dsigne des transformateurs dont la tension de sortie a la mme valeur efficace que celle de l'entre. Le transformateur d'isolement comporte deux enroulements presque identiques au primaire et au secondaire :

le nombre de spires du secondaire est souvent trs lgrement suprieur au nombre de spires du primaire afin de compenser la faible chute de tension en fonctionnement ;

en thorie, les sections de fil au primaire et au secondaire sont identiques car l'intensit des courants est la mme, mais en pratique l'enroulement intrieur (ou prs du noyau) sera de section plus

importante pour minimiser les pertes Joule car cet enroulement dissipe moins bien les calories, emprisonn qu'il est entre le noyau et l'enroulement extrieur. Ils sont, par exemple, largement utiliss dans les blocs opratoires : chaque salle du bloc est quipe de son propre transformateur d'isolement, pour viter qu'un dfaut qui y apparatrait n'engendre des dysfonctionnements dans une autre salle. Un autre intrt est de pouvoir changer de rgime de neutre (cas d'utilisation de matriel informatique et/ou d'quipements lectroniques sensibles dans une installation IT).

Transformateur d'impdance[modifier]Le transformateur est toujours un transformateur d'impdance, mais les lectroniciens donnent ce nom aux transformateurs qui ne sont pas utiliss dans des circuits d'alimentation. Le transformateur d'impdance est principalement destin adapter l'impdance de sortie d'un amplificateur sa charge.

Ce genre de transformateur tait en particulier employ dans la restitution sonore, pour adapter la sortie d'un amplificateur audio lampes (haute impdance), avec les haut-parleurs destins la restitution du son et caractriss par une impdance basse.

En lectronique audio professionnelle, on utilise toujours des transformateurs pour les entres et sorties d'appareils haut de

gamme, ou bien dans la fabrication de Di-box ou bote de direct. Le transformateur est alors utilis, non seulement pour adapter l'impdance et le niveau de sortie des appareils (synthtiseurs, basses lectriques, ...) aux entres micro de la console de mixage mais en outre poursymtriser la sortie des appareils connects.

En technique des hautes frquences, on utilise galement des transformateurs dont le circuit magntique est en ferrite ou sans circuit magntique (aussi appel transformateur sans noyau) pour adapter les impdances de sortie d'un amplificateur, d'une ligne de transmission et d'une antenne. En effet, pour un transfert optimal de puissance de l'amplificateur vers l'antenne, il faut que le taux d'ondes stationnaires (TOS) soit gal 1.

De tels montages prsentent en outre l'avantage de rendre les appareils connects beaucoup plus rsistants aux perturbations lectromagntiques par une augmentation significative du CMRR (Common Mode Rejection Ratio) ou taux de rjection du mode commun.

Transformateur de mesure[modifier]

Un ancien tranformateur lectrique dans une usine reconvertie

Article dtaill : Transformateur de mesure.

Les transformateurs de mesure font l'interface entre le rseau lectrique et un appareil de mesure. Les quatre paramtres pour dfinir un transformateur de courant sont les suivants :

les dimensions : le primaire doit pouvoir passer travers le trou d'induction ;

l'intensit du primaire : l'intensit primaire doit tre suprieure l'intensit maximale mesure. Elle ne doit pas tre trop leve pour autant pour ne pas perdre en prcision ;

l'intensit secondaire : l'intensit secondaire est gnralement de 5 ou 1 A. 5 A permet d'avoir une mesure plus prcise. Une intensit de 1 A permet d'avoir une distance plus importante entre le compteur lectrique ou centrale de mesure et le transformateur de courant ;

la charge (en VA) : qui doit tre suprieure la charge de l'appareil de mesure plus celle du circuit secondaire.

Les principaux fabricants sont des fabricants allemands :

MBS : leader allemand du transformateur de courant classique et ouvrant ;

REDUR : socit allemande l'origine de transformateurs de courant de nouvelle gnration moins encombrants, plombables et montables sur rail DIN. Ce fabricant est distribu en France par le

spcialiste de la matrise de l'nergie POLIER .

Transformateur d'intensit[modifier]Article dtaill : Transformateur d'intensit.

Ce type de transformateur, appel aussi transformateur de courant, est ddi l'adaptation des courants mis en jeu dans des circuits diffrents mais fonctionnellement interdpendants. Un tel transformateur autorise la mesure des courants alternatifs levs. Il possde une spire au primaire, et plusieurs spires secondaires : le rapport de transformation permet l'usage d'un ampremtre classique pour mesurer l'intensit au secondaire, image de l'intensit au primaire pouvant atteindre plusieurs kiloampres (kA).

Transformateur de tension[modifier]Article dtaill : Transformateur de tension.

Ce transformateur est l'un des moyens pour mesurer des tensions alternatives leves. Il s'agit d'un transformateur qui a la particularit d'avoir un rapport de transformation talonn avec prcision, mais prvu pour ne dlivrer qu'une trs faible charge au secondaire, correspondant un voltmtre. Le rapport de transformation permet de mesurer des tensions primaires s'exprimant en kilovolts (kV). On le rencontre en HTA etHTB. D'autres technologies existent, comme celle du diviseur capacitif.

Transformateur d'essai[modifier]Article dtaill : Transformateur d'essai.

Les transformateurs d'essai ou de test sont des transformateurs pouvant atteindre de trs

hautes tensions pour des charges limites. Ils sont utiliss pour tester du matriel lectrique.

Transformateur haute frquence[modifier]Circuit magntique des transformateurs HF[modifier]Les pertes par courants de Foucault au sein du circuit magntique sont directement proportionnelles au carr de la frquence mais inversement proportionnelles la rsistivit du matriau qui le constitue. Afin de limiter ces pertes, le circuit magntique des transformateurs HF est ralis l'aide de matriaux ferromagntiques isolants :

les ferrites douces : oxydes mixtes de fer et de cuivre ou de zinc ;

les matriaux nanocristallins.

Transformateur d'impulsions[modifier]Ce type de transformateur est utilis pour la commande des thyristors, triacs et des transistors. Il prsente, par rapport loptocoupleur, les avantages suivants : fonctionnement possible frquence leve, simplification du montage, possibilit de fournir un courant important, bonne tenue en tension.

Transformateur triphas[modifier]Justification[modifier]Dans les rseaux lectriques triphass, on pourrait parfaitement envisager d'utiliser 3 transformateurs, un par phase. Dans la pratique, l'utilisation de transformateurs triphass (un seul appareil regroupe les 3 phases) est gnralise : cette solution permet

la conception de transformateurs bien moins coteux, avec en particulier des conomies au niveau du circuit magntique. Les transformateurs monophass ne sont en fait gure utiliss, sauf pour de trs grosses puissances apparentes (typiquement suprieures 500 MVA), o le transport d'un gros transformateur triphas est problmatique et incite l'utilisation de 3 units physiquement indpendantes.

Couplages existants[modifier]Pour un transformateur triphas, il existe 3 types de couplage denroulement :

le couplage toile, dfini par la lettre Y ; le couplage triangle, dfini par la lettre D ou ;

le couplage zig-zag, dfini par la lettre Z.

Liste des couplages possibles : Yy0, Dd0, Dz0, Yd1, Dy1, Yz1, Yd5, Dy5, Yz5, Yd6, Dd6, dz6, Dyn11. La majuscule reprsente la tension au primaire du transformateur. La minuscule reprsente la tension au secondaire du transformateur. Le n reprsente le neutre sorti au secondaire (couplage toile)12.

Indice de couplage[modifier]L'indice de couplage est complt par un indice horaire qui donne, par pas de 30 , le dphasage horaire en 12e de tour (comme sur une montre) entre le primaire et le secondaire du transformateur (exemple : 11 = 1130 = 330 en sens horaire ou 30 en sens anti-horaire)12.

Par exemple, un indice de couplage Dyn11 dfinit donc un transformateur dont :

le systme triphas de tension lev est en triangle ;

le systme triphas de tension basse est en toile avec neutre sorti (indiqu par le n ) ;

le dcalage entre les deux systmes est de 330 (= 30 ou bien 1130 ).

Les couplages les plus utiliss sont : Yyn0, Yyn6, Yzn5, Yzn11, Dyn5, Dyn11.

Choix de couplage[modifier]L'intrt du couplage toile est double. Le premier avantage se trouve au niveau de la tension, les bobines du transformateur sont

soumise une tension

infrieure la

tension entre phases du primaire. Par exemple pour les lignes 400 kV, la tension aux bornes des bobines est de 230 kV. Pour les trs hautes tensions o la taille de l'isolation (proportionnelle la tension) devient critique cela est un gros avantage. Pour cette raison, le couplage toile est privilgi pour toute application avec une tension suprieure ou gale 110 kV. Le second avantage du couplage toile est qu'il possde naturellement un neutre (au centre de l'toile), si l'on veut relier la terre le primaire ou le secondaire on a donc intrt utiliser un couplace toile13. Pour le couplage triangle l'inverse du couplage toile, les bobines ont la tension entre phases leurs bornes, par contre cette fois-ci c'est le courant qui les traverse qui est divis par . Ceci est avantageux dans les

cas o la valeur du courant devient critique, on

prendra pour exemple les transformateurs connects aux centrales lectriques. Les gnrateurs ont typiquement une tension de 33 kV ce qui n'est pas critique, par contre le courant gnr est norme, on a donc tout intrt le limiter (problme de perte Joule par exemple) du ct gnrateur. Ces transformateurs la sortie des centrales ont donc souvent un couplage Yd5 ou Yd11, pour limiter la tension ct haute-tension et le courant ct gnrateur13. Un couplage triangle est galement utilis au primaire d'un transformateur abaisseur de tension pour la distribution lectrique. Il est trs utilis dans la distribution de l'lectricit. Il n'y a pas de neutre. Les transformateurs avec un couplage zig-zag taient autrefois[rf. ncessaire] utiliss pour quilibrer le courant entre les trois phases au primaire d'un transformateur de distribution quand toute la consommation lectrique d'un quartier tait concentre sur une ou deux phases. Il possde un neutre. Ce couplage permet, lors de la perte d'une phase au primaire, d'avoir au secondaire une tension pratiquement identique sur les trois phases.

Transformateur diphastriphas[modifier]Article dtaill : Biphas#Diphas.

Transformateurs de Scott[modifier]

Diagramme des transformateurs de Scott

Le montage de Scott permet de transformer des tensions triphases en diphases et vice versa. Il trouve son application en lectronique mais aussi en production, distribution et transmission d'lectricit o le diphas peut tre encore utilis. Le montage de Scott se ralise grce deux transformateurs monophass de puissance moiti de celle de l'utilisation. Le premier transformateur a les bornes de son primaire connectes deux phases du triphas. Le second transformateur est connect entre la prise centrale du premier transformateur et la phase restante du triphas. Le rapport de bobinage du premier transformateur sera gal 1 alors que pour le

second il sera gal

ce qui quivaut

0,866 environ. Le secondaire des deux transformateurs sera de tension gale en norme et avec un dphasage de 90 degrs. Dans le cas de rcepteurs monophass de forte puissance (four lectrique monophas), le montage SCOTT permet de raliser l'quilibrage sur le rseau triphas.

[drouler]

Dmonstration de la transformation triphas diphas

Transformateurs de Leblanc[modifier]Le montage de Leblanc permet de passer d'un systme de tensions triphases un systme de tensions diphases et vice versa. Dans un montage Leblanc, si les intensits diphases sont quilibres il en est de mme des intensits triphases. Le thorme de Leblanc nonce qu'une bobine alimente par une tension alternative et crant de ce fait un champ magntique pulsant le long de son axe cr en fait deux champs magntiques, de mme module, tournants en sens inverses. Ce thorme constitue la base thorique du fonctionnement des moteurs asynchrones monophass.

Transformateur triphasmonophas[modifier]Un diteur travaille en ce moment mme sur cet article ou cette section.Merci de ne pas faire de modifications tant que ce message reste prsent, pour limiter les risques deconflit de versions. Si la page na pas t modifie depuis plusieurs heures, enlevez ce bandeau ou remplacez-le par {{en travaux}}.

Notes et rfrences[modifier]1. 2. Kuechler 2005, p. 440-441 Thodore wildi, Electrotechnique, DeBoeck, 2003 [lire en ligne [archive] (page consulte le 21 juin 2011)] 3. Whitaker 199, p. 11

4.

(de) Ekbert Hering, Grundwissen des Ingenieurs4, Leipzig, Fachbuchverlag (ISBN 978-3-446-228146), p. 780

5.

(de) Wolf-Ewald Bttner, Grundlagen der Elektrotechnik 2, Munich, Oldenbourg, 2009 [lire en ligne [archive] (page consulte le 21 juin 2011)], p. 292

6. 7.

a et b Wildi 2003, p. 422-423 Vincent Renvoiz, Physique PSI-PSI*, Paris, Pearson, 2010 [lire en ligne [archive] (page consulte le 23 juin 2011)], p. 526

8.

a et b (de) Klaus Fuest et Peter Dring, Elektrische Maschinen und Antriebe, vieweg [lire en ligne [archive] (page consulte le 21 juin 2011)]

9.

a et b Wildi 2003, p. 471-472

10. Description du rseau 225 kV EDF et des transformateurs utiliss travers la coordination de l'isolement : Coordination des isolements du rseau 225 kV EDF [archive] 11. (en) Jerry C. Whitaker, AC Power Systems Handbook, CRC Press, 1999 12. a et b (de) D. Oeding et B.R. Oswald, Elektrische Kraftwerke und Netze, Berlin, Springer, 2004, p. 217-255 13. a et b Oeding 2004, p. 223

Voir aussi[modifier]Liens internes[modifier] Circuit magntique Circuits magntiquement coupls Polychlorobiphnyle Pyralne

Formule de Steinmetz

Bibliographie[modifier]

(de) AndreasKuechler, Hochspannungstechnik, Grundlagen, Technologie, Anwendungen, Berlin, Springer, 2005 (ISBN 3-540-21411-9)

Liens externes[modifier]Sur les autres projets Wikimedia :

Transformateur lectrique ,

surWikimedia Commons (ressources multimdia)

Lucien Gaulard et le transformateur lectrique

Transformateur Transformateur d'impulsions Le transformateur d'intensit Inductances et transformateurs cours et exercices sur les transformateurs monophass et triphass

Portail de llectricit et de llectronique

Catgories :

Transformateur lectrique Composant passif Distribution de l'nergie lectrique Dispositif lectromagntique | [+]

Crer un compte ou se connecter

Article Discussion Lire Modifier Afficher lhistorique

Accueil

Portails thmatiques Index alphabtique Article au hasard Contacter Wikipdia Contribuer Premiers pas Aide Communaut Modifications rcentes Faire un don

Imprimer / exporter Bote outils Autres projets

Autres langues Afrikaans Aragons

Azrbaycanca ( )

Bosanski Catal Corsu esky Dansk Deutsch English Esperanto Espaol Eesti Euskara

Suomi Galego

Hrvatski Kreyl ayisyen Magyar Interlingua Bahasa Indonesia Ido slenska Italiano

Latina Lietuvi Latvieu

Nederlands orsk (nynorsk) orsk (bokm l) Occitan Polski

Portugus Romn Srpskohrvatski / Simple English Slovenina Slovenina / Srpski Seeltersk Basa Sunda Svenska

Tagalog Trke Ting Vit Winaray Wolof

Dernire modification de cette page le 30 octobre 2011 18:46. Droit d'auteur : les textes sont disponibles sous licence Creative Commons paternit partage lidentique ; dautres conditions peuvent sappliquer. Voyez les conditions dutilisation pour plus de dtails, ainsi que les crdits graphiques. En cas de

rutilisation des textes de cette page, voyez comment citer les auteurs et mentionner la licence. Wikipedia est une marque dpose de la Wikimedia Foundation, Inc. , organisation de bienfaisance

[modifier]

Avant propos : les notations complexes

Dans ce wikilivre, les grandeurs temporelles sinusodales sont exprimes en valeurs complexes. Rappelons que si, par exemple, un courant sinusodal i(t) d'amplitude I0 et de valeur efficace I s'exprime en notation relle selon l'expression :

alors, on l'exprime dans le cas complexe selon :

o

est appele l'amplitude complexe du courant. Toutes les grandeurs d'un problme donn

ayant la mme composante temporelle exp(jt)(le temps s'coule de la mme faon pour toutes les grandeurs), on se contentera d'utiliser dans les calculs et les reprsentations les amplitudes complexes. Dans notre exemple, l'amplitude complexe contient l'amplitude I0 (c'est--dire la

valeur efficace I) et le dphasage du courant, et s'exprime selon la relation :

[modifier]La

reprsentation de Fresnel :

L'utilisation d'un diagramme de Fresnel permet de s'affranchir de l'utilisation des nombres complexes et des calculs dlicats qui leur sont associs. En effet, les amplitudes complexes des grandeurs y sont reprsentes par des vecteurs du plan complexe. Dans ce wikilivre, les vecteurs sont reports dans la reprsentation de Fresnel de la faon suivante :

le module du vecteur correspond la valeur efficace de la grandeur ;

l'angle correspond la phase de la grandeur.

A titre d'exemple, nous avons report sur la Fig. 1 les reprsentations de Fresnel des grandeurs suivantes :

et

Fig. 1 : Reprsentation de Fresnel dans le plan complexe (a) et en utilisant une grandeur de rfrence (b). Ces deux reprsentations sont quivalentes.

Les grandeurs peuvent tre reportes de deux faons quivalentes, selon les donnes et les inconnues du problme :

Lorsque l'on s'intresse aux phases des grandeurs, on peut choisir de reporter les grandeurs de manire absolue dans le plan complexe, comme indiqu sur la Fig. 1(a). Dans ce cas, l'axe des abscisses correspond la partie relle et l'axe des ordonnes la partie imaginaire de l'amplitude complexe reporte ( prs puisque nous avons choisi de faire correspondre les modules aux valeurs efficaces).

Lorsque l'on s'intresse aux dphasages entre les grandeurs (ce sera souvent le cas dans ce cours), on peut choisir de reporter les grandeurs de manire relative, comme indiqu sur la Fig. 1(b). L'une des grandeurs est choisie en rfrence : ce choix peut tre totalement arbitraire mais est en gnral dict par le problme. Dans notre exemple, le courant a t choisi en rfrence. Remarquons que dans ce cas les axes des abscisses et des ordonnes ne correspondent plus rien.

Dans ce wikilivre, nous choisissons comme positif le sens de rotation trigonomtrique (anti-horaire ou sens inverse des aiguilles d'une montre). Dans notre exemple de la Fig. 1, nous pouvons remarquer que la tension est en avance sur le courant.

[modifier]

Gnralits sur le transformateurqu'un transformateur ?

[modifier]Qu'est-ce

Un transformateur a pour but de modifier les amplitudes des grandeurs lectriques alternatives : il transforme des signaux de tension et de courant de frquence donne en signaux de mme frquence mais de valeurs efficaces diffrentes. L'une des particularits du transformateur est qu'il a un rendement trs lev, souvent proche de 100 % : dans les gros transformateurs, on a moins de 1 % de pertes. Pour simplifier, nous ne considrerons ici que le cas du transformateur monophas, mais les principes physiques abords s'appliquent aussi au cas du transformateur triphas.

[modifier]Pourquoi

utiliser un transformateur ?

Le transformateur joue un rle important dans le transport et la distribution de l'nergie lectrique. En effet, si l'on s'intresse aux pertes en ligne lors d'un transport de puissance lectrique, et plus particulirement aux pertes Joule, ces-dernires sont, quel que soit le conducteur, d'autant plus importantes que le courant lectrique est lev. Or, puissance transporte constante, l'utilisation d'une tension plus leve implique un courant lectrique plus faible puisque, d'une manire gnrale et quel que soit le nombre de phases utilises, la puissance lectrique Pelec est proportionnelle au produit de la tension V par le courant I :

De fait, afin de limiter au maximum les pertes en ligne, il faut transporter un courant aussi faible que possible : quand les distances deviennent importantes, le transport de l'nergie lectrique ne peut se faire qu' trs haute tension. Il est donc ncessaire d'lever la tension fournie par les gnrateurs avant de la transporter, et pour cela d'utiliser des transformateurs. D'un autre ct, les tensions leves demandent une matrise plus importante. Pour des raisons de scurit, tournant notamment autour de problmes d'isolation des conducteurs, ou lorsqu'il n'est pas ncessaire de transporter l'nergie sur de longues distances, on n'a pas toujours recours l'utilisation des hautes tensions. En particulier, il n'est pas envisageable de cbler les btiments avec des tensions trs leves : une fois le transport effectu, l'nergie lectrique doit tre distribue sous la forme de basses tensions et l'on doit par consquent avoir l aussi recours un transformateur. En rsum, le transformateur permet l'nergie lectrique d'tre transporte longue distance de faon conomique et distribue dans les industries et les habitations.

[modifier]Constitution

d'un transformateur monophas

Comme nous pouvons le voir sur la Fig. 2, un transformateur monophas est constitu :

d'un circuit magntique ferm ; de deux circuits lectriques sans liaison entre eux, enrouls autour du circuit magntique.

Fig. 2 : Schma de principe d'un transformateur monophas

Le circuit lectrique li au gnrateur est appel le circuit primaire, celui qui est li au rcepteur est appel le circuit secondaire. Appelons V1 la valeur efficace de alors : au primaire et V2 la valeur efficace de au secondaire

Si V1 < V2, le transformateur est dit lvateur de tension ; Si V1 > V2, le transformateur est dit abaisseur de tension ; Si V1 = V2, le transformateur est un transformateur d'isolement ;

Remarque : Il existe une isolation galvanique entre le primaire et le secondaire : un dfaut lectrique au niveau du secondaire n'est pas dtectable par un dispositif diffrentiel prsent au primaire. Pour protger l'utilisateur d'un transformateur, il faut placer une protection diffrentielle au secondaire.

[modifier]Principe

de fonctionnement

L'enroulement primaire est soumis une tension sinusodale. Il est donc travers par un courant sinusodal et donne naissance travers le circuit magntique un flux sinusodal. Ce flux engendre alors une force lectromotrice induite dans l'enroulement primaire et dans

l'enroulement secondaire. Au niveaux des bornes du secondaire, apparat alors une tension sinusodale dont la frquence est la mme que celle de la tension applique au primaire, mais dont l'amplitude est diffrente.

Fig. 3 : Principe de fonctionnement du transformateur. On utilise la convention rcepteur pour le primaire (le sens positif de de est pris en opposition avec celui de ) ) et gnrateur pour le secondaire (le sens positif

est pris dans le mme sens que celui de

Le comportement du transformateur peut alors tre apprhend par le schma report sur la Fig. 3.

[modifier]Convention

de signe

Les conventions de signe que nous utiliserons dans le cas du transformateur monophas sont celles reportes sur la Fig. 3 :

en ce qui concerne les forces lectromotrices (f..m)

et

, nous prenons comme convention le fait que des f..m positives tendent faire circuler des courants positifs ;

en ce qui concerne la tension d'entre du primaire courant

et le

, puisque l'enroulement primaire absorbe l'nergie du et sont

gnrateur, il se comporte comme un rcepteur :

donc lis par la convention des rcepteurs et leurs sens positifs sont pris en opposition ;

en ce qui concerne la tension de sortie du secondaire courant

et le

, puisque l'enroulement secondaire se comporte

comme un gnrateur et fournit de l'nergie au rcepteur, ils sont relis par la convention des gnrateurs et le sens positif de est pris dans le mme sens que celui de .

[modifier]Formule

de Boucherot pour le transformateur

L'une des proprits du transformateur est d'tre une machine statique flux forc. En effet, au primaire, le gnrateur impose la tension ainsi que la frquence f. Le nombre de spires N1 est

quant lui fix. Par consquent, le flux

voit sa valeur impose en module et phase par le

gnrateur. Les diffrentes grandeurs que nous venons de citer sont relies par la formule de Boucherot :

o V1 est la valeur efficace de la tension au primaire, N1 le nombre de spires de l'enroulement primaire, f la frquence du flux et max lavaleur maximale du flux magntique. Remarque : Le transformateur est une machine flux forc : aliment par une tension efficace constante, il fournit au secondaire une tension sinusodale de valeur efficace constante.

[modifier]Symboles

lectriques du transformateur

Dans un schma lectrique, le transformateur peut tre reprsent par l'un des deux symboles reports dans les volets (a) et (b) de la Fig. 4.

Fig. 4 : Symboles lectriques du transformateur monophas.

Dans ce wikilivre, nous utiliserons le symbole report dans le volet (a) de la Fig. 4.

[modifier]

Le transformateur parfait (ou idal)du transformateur parfait (ou idal)

[modifier]Dfinition

On appelle transformateur parfait, ou idal, un transformateur vrifiant les conditions suivantes :

Les pertes dans le fer, c'est--dire les pertes par hystrsis et les courants de Foucault sont nulles. Le noyau est infiniment permable au champ magntique et sa rluctance , grandeur

dcrivant la rsistance d'un circuit magntique sa pntration par un champ magntique, est nulle.

La rsistance des enroulements primaires et secondaires est nulle.

Il n'y a pas de pertes de flux magntique : tout le flux prsent dans le noyau sert magntiser l'enroulement secondaire.

Du point de vue des grandeurs lectriques, cela veut dire que :

Si le secondaire est vide, et donc si qui traverse le primaire est nul, c'est--dire que

, alors le courant ;

Le secondaire se comporte comme un gnrateur parfait, de rsistance interne nulle, de sorte que la valeur efficace de la tension au secondaire V2 est constante quand le courant au secondaire I2 varie, en valeur efficace, de 0 sa valeur nominale I2n ;

[modifier]Expression

Le rendement du transformateur est de = 1 = 100%.

des f..m dans le transformateur parfaitet dpendent de la variation du flux

D'aprs la loi de Faraday, les forces lectromotrices magntique selon la relation :

et

o N1 et N2 sont respectivement le nombre de spires des enroulements primaire et secondaire.

[modifier]Equation

de la tension dans le cas idal

Dans le cas idal, la tension au primaire vrifie la relation :

et celle au secondaire vrifie :

De fait, condition que

, on peut ramener ces deux expressions :

o m est appel le rapport de transformation. Si l'on remplace les valeurs temporelles de la tension par des valeurs efficaces, la prcdente quation se ramne, dans le cas idal, :

Remarque : le fait que l'on doive avoir fonctionner qu'en rgime alternatif.

implique que le transformateur ne peut

[modifier]Equation

d'intensit

Dans le cas gnral, le courant au primaire et celui au secondaire sont relis tout instant par la relation d'Hopkinson :

o

est le flux mutuel (dans le cas idal

) et o

est la rluctance du circuit

magntique. Cette grandeur dcrit l'opposition du noyau au passage du champ magntique : elle est par consquent lie la notion de pertes dans le fer. Or, nous sommes dans le cas d'un transformateur idal et, de fait, la rluctance du circuit noyau est nulle et la prcdente quation s'crit sous la forme :

Ceci implique que :

Si, prsent, on remplace les grandeurs temporelles par des grandeurs efficaces, on aboutit la relation, valable dans le cas idal :

Remarque : Le rapport de transformation des intensits est l'inverse de celui des tensions.

[modifier]Proprits

du transformateur parfait: diagramme de Fresnel

[modifier]Dphasages

Nous reportons sur la Fig. 5 le diagramme vectoriel associ aux quations (12) et (16) en prenant comme grandeur de rfrence le flux magntique. Ce diagramme de Fresnel reprsente donc les diffrentes grandeurs lectriques dans le cas du transformateur idal travers leurs valeurs efficaces et leurs dphasages. D'aprs les quations sus-cites, les grandeurs pour les grandeurs et . et sont alignes, et il en va de mme

Fig. 5 : Diagramme de Fresnel dans le cas d'un transformateur idal.

Par consquent, les dphasages 1 et 2 sont ncessairement les mmes.

[modifier]Lois

de conservation

A partir des quations (13) et (17), nous pouvons crire que :

et, de fait, si l'on appelle S1 la puissance apparente absorbe au primaire et S2 celle fournie au secondaire, alors :

De plus, nous avons vu que le transformateur conserve le dphasage . Or, la puissance active P s'exprime comme

tandis que la puissance ractive Q vrifie :

On remarque au passage que P, Q et S sont relies par la relation :

Comme S et sont conservs, alors il en va de mme pour P et Q. Par consquent, dans le cas du transformateur idal :

et

Le transformateur idal conserve les puissances actives, ractives et apparentes. Il conserve aussi le dphasage. Catgorie :

lectricit (livre)

Crer un compte ou se connecter

Page Discussion Lire Modifier Afficher lhistorique

Accueil La vitrine Tous les livres Rechercher un livre Wikijunior

Navigation Modifications rcentes

Aide

Communaut Le Bistro Faire un don Livre au hasard

Imprimer / exporter Bote outils

Dernire modification de cette page le 25 novembre 2011 20:03. Les textes sont disponibles sous licence Creative Commons attribution partage lidentique ; dautres termes peuvent sappliquer. Voyez les termes dutilisation pour plus de dtails.