LE TRANSFORMATEUR

cours_transformateur.odt ­ Marie Pierrot – Lycée du Rempart ­ 07/03/11
LE TRANSFORMATEUR
1. Constitution et principe de fonctionnement.
C irc u it m a g n é tiq u e
I1
1.1. Constitution.
U
Le circuit magnétique est en fer additionné de silicium afin de réduire les pertes magnétiques par hystérésis, et il est feuilleté pour réduire les courants de Foucault.
U
1
I
S e n s d e p a rc o u rs
d e s c o u r a n t s d e F o u c a u lt
lo r s q u e I a u g m e n t e .
U
2
U tilis a tio n
A lim e n ta tio n
(C o n v e n tio n
g é n é ra te u r)
(C o n v e n tio n
ré c e p te u r)
P rim a ire :
N 1s p ire s
1.1.1. Courants de Foucault.
I
I2
S e c o n d a ire :
N 2 sp ire s
Lorsqu'on applique une tension sinusoïdale aux bornes d'une bobine à l'intérieur de laquelle est placé un bloc de fer, au bout de quelques minutes le noyau de fer est chaud.
Ce dégagement de chaleur est dû au phénomène d'hystérésis magnétique, mais aussi aux pertes par effet Joule des courants de Foucault.
Les courants de Foucault ont un sens tel que par leurs effets ils s'opposent à la cause qui leur donne naissance (Loi de Lenz).
(Pour limiter ces pertes d'énergie, le circuit magnétique est constitué par un empilage de tôles minces isolées entre elles par un vernis.)
B
B
1.1.2. Pertes par hystérésis magnétique.
H
1.2. Principe.
Un transformateur ne fonctionne qu'en courant alternatif !
H
Cycle d'histérésis d'un acier normalCycle d'histérésis d'un acier au silicium
S y m b o l e d 'u n t r a n s f o r m a t e u r :
Une bobine (primaire) est alimentée par une tension sinusoïdale u1. Elle créé un flux magnétique sinusoïdale qui va traverser l'autre bobine (secondaire) et faire naître entre ses bornes une tension sinusoïdale u2. (Toutes les grandeurs du primaire ont l'indice 1, celles du secondaire l'indice 2).
ou
2. Formule de boucherot.
Le champ magnétique dans le noyau varie au cours du temps et sa valeur maximale est telle que: U1 = 4,44 Bmax N1 f S
C'est la Formule de Boucherot où:
­ N1 est le nombre de spires du primaire
­ S est la section d'une spire en mètres carrés (m²)
­ f est la fréquence d'alimentation en Hertz (Hz)
­ Bmax est le champ magnétique maximum dans le noyau en Tesla (T)
­ U1 est la valeur efficace de la tension d'alimentation en Volt (V)
Rmq: Dans le fer des transformateurs le champ maximal est voisin de 1,3 T.
3. Transformateur parfait. (Résistance des enroulements nulle, pas de fuites magnétiques).
I 1V
3.1. Montage à vide. Le secondaire est en circuit ouvert: il ne débite aucun courant.
On constate que: U 2V
U1
=
N2
N1
=m
A
P
1V
W
V
V
U
U
2V
1
où m est le rapport de transformation.
I1V: l'intensité primaire à vide est faible.
P1V: la puissance consommée à vide est faible.
Si N2 = N1, U2V = U1: c'est un transformateur d'isolement
Si N2 < N1, U2V < U1: c'est un transformateur sous­volteur Si N2 > N1, U2V > U1: c'est un transformateur sur­volteur
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3.2. Etude en charge
I1
P
A
W
P
1
U
A
W
V
Le secondaire est fermé sur un circuit d'utilisation (charge) et débite un courant d'intensité I2.
Pour un transformateur parfait on a: I2
2
N1 I1 = N2 I2 soit V
U
1
2ch
On a U 2ch =U 2V
I1
N1
=m
N2
U 2 ch N 2
soit
=
U1
N1
I2
=
Relation entre les puissances: S1 = S2 ; P1 = P2 ; Q1 = Q2 Le rendement est: η = P2 /P1 = 1 (Transformateur parfait)
4. Transformateur reel.
Tensions: U2ch < U2v ; la chute de tension est ΔU2 = U2v ­ U2ch ; la chute de tension relative est ΔU2 / U2v = 2 à 3 %
Puissances: S1 > S2 ; P1 > P2 ; Q1 > Q2 Cela est dû aux pertes dans le fer (F) par courants de Foucault et par hystérésis, et aux pertes dans le cuivre (C) par effet Joule dans les fils des bobines.
Rendement: η = P2 /P1 = P2 / (P2 + F +C) ; ( η est maximum pour F = C)
­ F est mesuré par un essai à vide: F = P1V (voir montage à vide)
­ C est connu par un essai en court­circuit: A
U
On court­circuite le secondaire sur un ampèremètre et on augmente U1 jusqu'à ce que le secondaire soit parcouru par un courant I2.
W
A
1CC
5. Transformateur triphase.
On distingue :
A
B
C
Le coté haute tension (HT) (On utilise des lettres majuscules pour repérer les enroulements)
a
b
c
Le coté basse tension (BT) (On utilise des lettres minuscules pour repérer les enroulements)
Circuit
magnétique
Les enroulements peuvent être couplés soit en étoile (Y ou y), soit en triangle (D ou d). Dans le cas d’un transformateur sous­volteur on a quatre possibilités de couplage :
Couplage Yy
Couplage Dy
Couplage Yd
Le rapport de transformation m est le rapport des tensions composées à vide : m
Couplage Dd
=
U 20
U1
. Le rapport de transformation dépend du couplage effectué : Déterminer m en fonction de N1 et N2 dans les quatre cas de couplage proposés ci­dessus.
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6. Utilisation des transformateurs dans la production d'electricite.
6.1. Production.
Centrales hydrauliques
Energie des chutes d'eau →
ALTERNATEUR →
Des tensions de l'ordre de 10 kV à 15 kV
Centrales thermiques
Combustion de gaz, de pétrole, →
de charbon ou fission de noyaux
atomiques → eau en ébulition → vapeur Puis, au départ de la centrale des postes de transformation portent les tensions à des valeurs allant de 225 kV à 380 kV.
6.2. Transport.
Le transport d'énergie électrique s'effectue sous trés haute tension (T.H.T.≈ 225 kV ou 380 kV).
Pourquoi?
En monophasé, la puissance électrique à transmettre peut s'écrire: P = U I cos(φ) soit I = P / U cos(φ).
Pour une même valeur de la puissance transportée, plus la tension est grande, et plus l'intensité du courant est faible. Ainsi, sous T.H.T. les pertes par effet Joule sont réduites.
6.3. Distribution.
La distribution d'énergie électrique s'effectue:
­ en moyennes tensions ( 20 kV ) pour les usines et les installations importantes,
­ en basses tensions ( 220 V ) pour les installations domestiques,
... et là encore des transformateurs sont nécessaires...
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