Travaux pratiques : Étude d`un transformateur

Travaux pratiques : Étude d'un transformateur
PSI* - 2016/2017
Les questions commençant par
Pn doivent être traitées en préparation
AVANT la séance de travaux pratiques.
Les questions commençant par
En correspondent aux résultats du travail
expérimental.
Ces deux types de numérotations doivent être conservés pour la rédaction
du compte-rendu.
Objectifs de la séance :
Mettre en ÷uvre un transformateur et étudier son rendement sur charge résistive.
1
Transformateur étudié
Le transformateur étudié est constitué par un circuit magnétique torique sans entrefer,
en fer doux (FeSi), portant deux enroulements "primaires" et deux enroulements "secondaires". Le primaire est alimenté par une source de tension sinusoïdale issue du secteur
(après abaissement) de fréquence f = 50 Hz . Le secondaire débite sur un circuit de charge
sous une tension diérente de celle du primaire. Le constructeur, RADIALEX, fournit les
valeurs nominales :
•
•
•
•
Puissance nominale apparente : 100 VA
Tension nominale au primaire : 2 x 120 V (valeur ecace)
Tension nominale au secondaire : 2 x 15 V (valeur ecace)
Fréquence de fonctionnement : 50 à 60 Hz
La puissance nominale apparente correspond, pour le primaire ou le secondaire, au produit
de la tension nominale UN par l'intensité nominale IN .
P1
: Quelle(s) diérence(s) y-a-t-il entre la puissance apparente et la puissance moyenne transitant à travers le transformateur ?
1
Ainsi, si on alimente un seul des deux enroulements du primaire, l'intensité nominale au
primaire sera I1,N = 100
120 = 0, 83 A.
P2
: Quelle sera l'intensité nominale au primaire si les deux enroulements du primaire sont
utilisés avec un branchement en série ?
P3
: Quelle sera l'intensité nominale au secondaire ?
ATTENTION : La tension d'alimentation du transformateur (110 V)
est dangereuse à manipuler sans précautions. Pour respecter les normes
ocielles de sécurité, vous ne devez utiliser que des cordons de sécurité
possédant des ches protégées non rétractables ainsi que des appareils
acceptant ces ches de sécurité. Ces appareils (rhéostat, multimètres,
wattmètre, oscilloscope,...) doivent être également protégés.
Il vous est interdit d'utiliser tout autre matériel, même au secondaire.
2
E1
Mesure des résistances des enroulements
: Mesurer à l'ohm-mètre les résistances électriques de chaque enroulement.
3
Précautions pour éviter les surtensions
Dans tout ce qui suit, on utilise un transformateur abaisseur 220 V/110 V branché sur le
secteur 220 V. Ce transformateur sert également de transformateur d'isolement.
La sortie 110 V de ce transformateur est reliée à un autotransformateur (ou alternostat)
permettant d'obtenir des tensions ecaces réglables entre 0 et 220 V. La sortie de l'autotransformateur alimente le circuit étudiée, elle est protégée. Vous n'avez pas accès à tout
ce qui est en amont de cette sortie.
Il faut systématiquement ramener PROGRESSIVEMENT à 0 V la tension de sortie de l'autotransformateur avant d'ouvrir
le circuit du montage. C'est le cas quand on le modie, mais aussi lorsque
l'on change de calibre les ampèremètres (placés en série). Si on ne prend
pas cette précaution, la présence de bobinages provoque à l'ouverture du
circuit des surtensions qui peuvent l'endommager.
ATTENTION :
Pour intervenir sur le circuit, on procédera ainsi :
(a) Ramener progressivement à 0 V l'autotransformateur ;
(b) Éteindre le wattmètre ;
(c) Éteindre le (ou les) ampèremètre(s) ;
(d) Éteindre l'autotransformateur ;
(e) Procéder aux interventions ;
(f) Rallumer l'autotransformateur ;
2
(g) Rallumer le (ou les) ampèremètre(s) ;
(h) Rallumer le wattmètre ;
(i) Amener progressivement l'autotransformateur de 0 V à la valeur voulue, en suivant
les indications de tension et d'intensité dans le wattmètre pour aller très doucement
au voisinage des changements de calibre du wattmètre (qui se font automatiquement).
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Fonctionnement à vide
Réaliser le montage suivant :
On utilisera un seul enroulement au primaire comme au secondaire.
Le multimètre donne la valeur ecace U1 aux bornes du primaire. L'oscilloscope branché
en I et II donne une représentation de i1 (courant primaire) et u2 (tension secondaire)
pour un fonctionnement à vide (pas de charge branchée sur le secondaire).
E2
: L'autotransformateur étant à 0, augmenter progressivement U1 jusqu'à la valeur nominale
U1,N = 120 V. Observer à l'oscilloscope le courant magnétisant i1 = im en voie I et la
tension u2 aux bornes du secondaire.
Constater que u2 (t) est approximativement sinusoïdale (elle est en fait écrêtée) tant que la
tension U1 ne se rapproche pas de la valeur nominale. Noter la valeur de U1 pour laquelle
de fortes distorsions apparaissent.
i1 (t) fait également apparaître les non-linéarités du matériau ferromagnétique quand on se
rapproche de la valeur nominale U1,N . Relever alors l'oscillogramme de i1 (t). Comparer la
valeur maximale de i1 à la valeur nominale I1,N = 0, 83 A.
Reprendre le montage précédent en remplaçant le multimètre du primaire par le wattmètre
numérique UNIGOR 390. Cet appareil permet de mesurer à la fois l'intensité ecace
3
du courant primaire, la tension ecace aux bornes du primaire et la puissance moyenne
entrante au primaire.
Sélectionner la fonction utilisée avant de le brancher et ne pas forcer sur les masques de
protection des entrées.
Transformateur à étudier
•
•
Wattmètre
•
⊥ V A
◦ • •
•
•
•
Figure 1 Branchement du wattmètre UNIGOR 390
Brancher un multimètre entre les deux bornes du secondaire pour mesurer la tension
ecace de sortie.
E3
: Mesurer pour diérentes valeurs de la tension ecace au primaire (U1,o , "o" comme
secondaire "ouvert"), la tension ecace au secondaire (U2,o ), l'intensité ecace au primaire
(I1,o ) et la puissance moyenne entrante au primaire (P1,o ).
On commencera à partir de U1,o = 90 V puis on fera décroître progressivement U1,o de
10 V en 10 V jusqu'à 0 V.
E4
: Tracer le rapport m = U2,o
en fonction de U1,o et faire une régression linéaire. En déduire
1,o
la valeur expérimentale de m.
E5
: Pour U1,o = 90 V, déterminer le rapport
Qu'en concluez-vous ?
E6
2 . Déterminer la valeur de R dénie
: Pour U1,o ∈ [0, 80 V], tracer P1,o en fonction de U1,o
p
U
par P1,o =
E7
2
r1 I1,o
P1,o
où r1 est la résistance électrique du primaire.
2
U1,o
Rp .
: Que représente Rp ?
5
Essai en charge
Ne pas oublier les précautions à prendre pour éviter les surtensions.
Reprendre le montage précédent en gardant le wattmètre branché au primaire et en plaçant
aux bornes du secondaire un rhéostat (résistance variable de puissance). Placer au niveau
du secondaire deux multimètres permettant de lire simultanément la tension ecace aux
bornes du secondaire (U2 ) et l'intensité ecace traversant le rhéostat (I2 ).
Me montrer le montage avant mise sous tension.
Sur le rhéostat est indiquée le courant maximal admissible Imax . On fera en sorte de ne
jamais dépasser I2 = 0, 9 Imax .
4
E8
: Régler le rhéostat à mi-course et augmenter progressivement la tension du primaire en
surveillant le courant secondaire I2 . Régler la tension primaire sur U1 = 90 V.
Régler alors le rhéostat pour obtenir le courant I2 = 0, 9 Imax . ATTENTION à ne jamais
provoquer un courant plus grand que Imax sous peine de destruction du matériel.
Mesurer U1 , I1 , P1 , U2 et I2 Répéter cinq fois cette mesure en diminuant régulièrement I2
sans modier la tension d'entrée : on ajustera donc progressivement le réglage du rhéostat
en faisant attention de déplacer le curseur dans le bon sens.
E9
: Tracer
I2
I1
en fonction de I2 . Interpréter le résultat.
E10
: Tracer ∆U = U2,o − U2 en fonction de I2 . Vérier que l'on obtient une droite. Interpréter
la valeur obtenue pour la pente de cette droite.
E11
: Tracer le rendement de transformation η =
avec I2 et interpréter ce résultat.
5
P2
P1
en fonction de I2 . Constater que η augmente