Fonctionnement du transformateur monophasé - mines2010-14

Le dernier laboratoire: Le transformateur
Questions:

Comment fonctionne un transformateur?
Fonctionnement du transformateur monophasé [modifier]
Transformateur parfait ou idéal [modifier]
Transformateur monophasé idéal
C'est un transformateur virtuel sans aucune perte. Il est utilisé pour modéliser les
transformateurs réels. Ces derniers sont considérés comme une association d'un
transformateur parfait et de diverses impédances.
Dans le cas où toutes les pertes et les fuites de flux sont négligées, le rapport du nombre
de spires primaires sur le nombre de spires secondaires détermine totalement le rapport
de transformation du transformateur.

Exemple : Un transformateur dont le primaire comporte 230 spires alimenté par une
tension sinusoïdale de 230 V de tension efficace, le secondaire qui comporte 12 spires
présentera à ses bornes une tension sinusoïdale dont la valeur efficace sera égale à
12 V. (Attention, en général 1 spire n'est pas égale à 1 V)
Comme on néglige les pertes, la puissance est transmise intégralement, c'est pourquoi
l'intensité du courant dans le secondaire sera dans le rapport inverse soit près de 19 fois
plus importante que celle circulant dans le primaire.
De l'égalité des puissances apparentes :
, soit :
on tire :
Les pertes de puissance d'un transformateur [modifier]
Les pertes par effet Joule [modifier]
Les pertes par effet Joule dans les enroulements sont appelées également « pertes cuivre»,
elles dépendent de la résistance de ces enroulements et de l'intensité du courant qui les
traverse : avec une bonne approximation elles sont proportionnelles au carré de
l'intensité.
Avec
courant qui le traverse.
la résistance de l'enroulement i et
les intensités du
Les pertes magnétiques [modifier]
Ces pertes dans le circuit magnétique, également appelées « pertes fer », dépendent de la
fréquence et de la tension d'alimentation. À fréquence constante on peut les considérer
comme proportionnelles au carré de la tension d'alimentation. Ces pertes ont deux
origines physiques :


Les pertes par courants de Foucault. Elles sont minimisées par l'utilisation de tôles
magnétiques vernies, donc isolées électriquement les unes des autres pour constituer le
circuit magnétique, ce en opposition à un circuit massif.
Les pertes par hystérésis, minimisées par l'utilisation d'un matériau ferromagnétique
doux.
Mesure des pertes [modifier]
La méthode des pertes séparées consiste à placer le transformateur dans deux états :

Un état pour lequel les pertes Joule sont élevées (fort courant) et les pertes
magnétiques très faibles (faible tension). La mise en court-circuit du transformateur
(essai en court-circuit) avec une alimentation en tension réduite permet de réaliser ces
deux conditions. Les pertes du transformateur sont alors quasiment égales aux pertes
Joule.

Un état pour lequel les pertes magnétiques sont élevées (forte tension) et ou les pertes
Joule sont très faibles (faible courant). Le fonctionnement à vide (essai à vide), c’est-àdire sans récepteur relié au secondaire, correspond à ce cas. La puissance consommée
au primaire du transformateur est alors quasiment égale aux pertes magnétiques.
On dit que l'on a deux états qui permettent « une séparation » des pertes d'où l'expression
« méthode des pertes séparées ». Elles ont également l'avantage de permettre la mesure
du rendement avec une consommation de puissance réduite, sans faire l'essai en
fonctionnement réel. Ceci est intéressant lorsqu'on réalise les tests d'un transformateur de
forte puissance et que l'on ne dispose pas dans l'atelier de la puissance nécessaire pour
l'alimenter à son régime nominal. Mis à part pour les plates-formes d'essai chez les
constructeurs, cette méthode n'a donc pas grand intérêt pour uniquement connaître le
rendement car, dans ce contexte, une mesure directe à puissance nominale (normale) est
bien souvent suffisante.
En revanche, dans le cadre de l'électrotechnique théorique, elle est importante car elle
permet de déterminer les éléments permettant de modéliser le transformateur.

Un transformateur peut-il fonctionner en courant continu?
Non, car un courant continu ne permettrait pas un déplacement libre des électrons et
garderait les électrons du deuxième fils fixe, sans mouvement possible comme un aimant
sur un frigo. Donc, il n’y aura aucune création de courant dans le second fils du
transformateur.
Observations : L'application d'une composante continue de tension sur les enroulement
sature le matériau magnétique, dans ce cas le courant appelé tend vers l'infini. Le
transformateur ne supporte pas les tensions continues.

Le rapport du nombre de tours a-t-il un lien avec les résultats obtenus?
Oui,
Les enroulement
Les enroulements sont en général concentriques pour minimiser les fuites de flux.
Le conducteur électrique utilisé dépend des applications, mais le cuivre est le matériau de
choix pour toutes les applications à fortes puissances. Les fils électriques de chaque tour
doivent être isolés les uns des autres afin que le courant circule dans chaque tour. Pour
des petites puissances, il suffit d'utiliser des conducteurs magnétiques émaillés pour
assurer cette isolation ; dans les applications à plus fortes puissances on entoure les
conducteurs de papier diélectrique imprégné d'huile minérale. Pour les plus fortes
puissances on utilise des conducteurs multibrins pour limiter l'effet de peau ainsi que les
pertes par courants de Foucault.
Les enroulements du primaire ou du secondaire peuvent avoir des connexions externes,
appelées prise, à des points intermédiaires de l'enroulement afin de permettre une
sélection de rapport de tension. Les prises peuvent être connectées à un changeur
automatique de prises en charge pour le contrôle de la tension du circuit de distribution.
Les transformateurs à fréquences audio, utilisés pour la distribution de l'audio à des hautparleurs, ont des prises afin de permettre l'ajustement de l'impédance de chacun des hautparleurs. Un transformateur à prise médiane est souvent utilisé dans les amplificateurs de
puissance audio. Les transformateurs de modulation dans les transmetteurs à modulation
d'amplitude sont très similaires.
Principe
L'enroulement primaire comportant n1 spires, est parcouru par le courant i1, l'enroulement
secondaire, parcouru par le courant i2, débite dans une charge Z le courant i2.
On a : n1.i1 = n2.i2 + n1.i10
La précision sur la mesure de i1 est d'autant meilleure que le courant magnétisant i10 est
faible.

Est-ce que notre transformateur peut être considéré comme performant?
Je ne crois pas que notre transformateur serait très performant parce que nous n’avions pas fait
suffisamment de tour de filage et de couche d’épaisseur. Tout cela dans le seul but de créer une
meilleur performance électromagnétique. Par la suite, les matériaux que nous avons utilisés
pour faire notre transformateur étaient de très base qualité comparé à un transformateur qui
serait performant. Pour finir, le notre était fait à la main. Il était donc moins parfait qu’un autre
fait par de la machinerie.