Transformateurs étalons

CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
CHAPITRE II :
TRANSFORMATEURS
33
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
La méthode la plus simple et la plus précise pour comparer des impédances, est de les
comparer à des rapports de tensions fournis par les enroulements d'un transformateur. Les
transformateurs construits avec soin sont capables de fournir des rapports d'enroulements
variant très peu, au plus quelques 10-9, avec le temps et les conditions d'environnement
(température, pression, humidité,…).
Les transformateurs les plus simples possèdent deux enroulements bobinés autour d'un noyau
ferromagnétique, qui forme le circuit magnétique de couplage entre eux. Ils peuvent être
répartis en deux grandes familles. Pour la première, l'objectif est de transmettre une énergie
électrique d'un circuit à un autre, en procurant une isolation entre eux. Pour ces
transformateurs, le point important est la transmission de puissance, le rapport des tensions ou
des courants entre les différents enroulements n'étant pas une considération essentielle. Quant
à la deuxième famille leur conception doit permettre de s'approcher le plus possible d'un
transformateur idéal, dans lequel la tension induite dans chaque spire des enroulements est
identique, et la somme de ces tensions doit être égale à celle recueillie aux bornes de
l'enroulement. Ainsi les tensions (ou les courants) recueillies aux bornes des différents
enroulements sont dans le rapport de leurs nombres de spires.
II.1 PROPRIETES GENERALES D'UN TRANSFORMATEUR
A DEUX ENROULEMENTS
1.1
Equations fondamentales
Un transformateur est constitué de deux enroulements disposés sur un même circuit
magnétique. Soient n1 et n2 respectivement le nombre de spires des enroulements primaire et
secondaire. Lorsqu'on applique une tension alternative aux bornes du primaire, le courant qui
circule produit un flux alternatif qui induit dans le secondaire une force électromotrice
d'induction. Les sens positifs des courants, des tensions, des inductions et des flux sont
indiqués sur la figure II-1.
34
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS

i2
i1
n2
n1
u1
u2
Figure II-1 : circuit magnétique muni de deux enroulements
La loi d'Ohm appliquée au primaire s'écrit, si les n1 spires sont traversées par le même flux :
(II-1)
u1  r1  jL1 i1  jMi2
Si le flux traversant une spire primaire est le même que celui qui traverse une spire secondaire
alors :
 u2  r2  jL2 i2  jMi1
L1 
n n
n12
n2
, L2  2 et M  1 2



(II-2)
où L1 et L2 sont respectivement les inductances du
primaire et du secondaire, M la mutuelle inductance entre les deux circuits et  la réluctance
du circuit magnétique. Celle-ci dépend de la perméabilité magnétique du matériau et de sa
forme. Pour un circuit filiforme de section constante S, de longueur moyenne l et de
perméabilité constante ,

1.2
l
(H-1)
S
(II-3)
Le transformateur parfait
Un transformateur est parfait si les conditions suivantes sont réalisées :
 Les résistances des enroulements sont négligeables devant leurs inductances : r1  L1 ,
r2  L2
 Il n'y a pas de fuites magnétiques, le matériau a une perméabilité infinie, toutes les spires
sont alors traversées par le même flux.
 Le matériau du circuit magnétique n'a pas d'hystérésis, plus généralement les pertes
magnétiques sont nulles.
Dans ces conditions on peut écrire :
35
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS

n 
u1  jL1  i1  2 i2 
n1 

d'où
2
n
 n2  

 n
n
2

 u 2  jL1
i1    i2  jL1  i1  2  i2   2
 n1
n1
 n1  

 n1

u1
n
 1
u2
n2
(II-4)
(II-5)
Les pertes par effet Joule dans le matériau magnétique étant négligeables, le principe de
conservation d'énergie donne :
u1i1  u2 i2
i1
n
 2
i2
n1
d'où
(II-6)
Les équations (II-5) et (II-6) montrent que les tensions ainsi que les courants sont en
opposition de phase. Le rapport des valeurs des tensions u1 u 2 est égal au rapport de
transformation m   n2 n1 , et le rapport des courants vaut quant à lui  1 m .
Un transformateur parfait permet donc de quantifier un rapport de tension (ou de courant) en
fonction d'un rapport de nombre de spires, cette quantité étant invariante dans le temps et
indépendante de grandeurs d'influence telles que la température, l'humidité… Notons enfin
que le rapport de transformation est indépendant de la fréquence.
1.3
Autotransformateurs
Un autotransformateur est un transformateur dans lequel l'enroulement dont la tension
est la plus faible est constitué par une partie des spires de l'enroulement dont la tension est la
plus élevée. Cet appareil se réduit à un circuit magnétique à un seul enroulement, muni de
prise(s) de potentiel intermédiaire(s). La figure II-2 reproduit schématiquement un
autotransformateur. Il peut être considéré comme un transformateur à deux enroulements
indépendants dont l'un serait l'enroulement BA, et l'autre l'enroulement DC. Ce sont les
connexions établies entre les extrémités des ces enroulements qui déterminent le
fonctionnement en autotransformateur.
36
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
i1
D
D
B
n2
n1-n2
u1
A
n1
C
B
C
i2
n2
u2
A
Figure II-2 : représentation d'un autotransformateur
Soit n1 le nombre total de spires, n2 le nombre de spires de la partie commune AB, les
tensions u1 et u2 sont reliées par la relation :
u1 n1

(II-6)
u 2 n2
et les courants i1 et i2 par la relation :
i1 n2

i2 n1
(II-7)
Les avantages d'un autotransformateur par rapport à un transformateur sont multiples : outre
la diminution du nombre d'enroulements, il possède un meilleur rendement et permet de
s'affranchir d'éventuelles fluctuations entre les enroulements primaire et secondaire.
II.2 SOURCES D'ERREURS
Dans un transformateur réel, les impédances des enroulements et les pertes
magnétiques, bien que négligeables, ne sont pas nulles. Celles-ci sont à l'origine de l'écart
entre le rapport des tensions et le rapport du nombre de spires des enroulements [12].
2.1
Le noyau magnétique
Les matériaux employés pour réaliser les noyaux magnétiques des transformateurs
étalons sont des alliages de fer-nickel, connus sous l'appellation commerciale supermumétal
ou supermalloy. Comme il est indiqué sur les figures II-3 (a) et (b), ces matériaux ont une
perméabilité initiale très élevée (jusqu'à 100 000 pour le supermalloy) et un champ coercitif
très faible (typiquement 0,5 A/m pour le supermalloy), ce qui permet d'obtenir des pertes
magnétiques faibles. Par ailleurs, les propriétés magnétiques ne sont pas linéaires : on peut
remarquer que la perméabilité relative augmente d'un facteur deux entre sa valeur à champ nul
37
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
et sa valeur maximale puis s'effondre jusqu'à la saturation. De plus, les caractéristiques
magnétiques à une induction donnée peuvent évoluer avec le temps et dépendent également
du passé du matériau. Les chocs mécaniques et magnétiques sont susceptibles de modifier ses
propriétés. Pour limiter les fuites magnétiques les noyaux employés sont de forme torique et
sans entrefer.
C
A
B
(a)
38
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
(b)
Figure II-3 : (a) perméabilité magnétique en fonction de l'induction pour différents
matériaux (A) Supermalloy, (B) Round Permalloy 80, (C) Square Permalloy 80; (b) cycles
d'hystérésis du Square Permalloy 80 et du Supermalloy.
Lorsque le flux magnétique dans le matériau varie, il induit une force électromotrice dans le
plan perpendiculaire à sa direction. Il apparaît alors des courants de Foucault qui s'opposent
aux variations de flux comme indiqué sur la figure II-4.
39
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
Figure II- 4 : courants de Foucault dans un noyau magnétique
Cette tension, et ces courants sont proportionnels aux variations de flux. Pour une variation
d'induction donnée, le seul moyen de réduire le flux magnétique
 BdS  B dS est de réduire
 dS , c'est à dire la section perpendiculaire à B. Ceci est réalisé en construisant des noyaux
magnétiques à partir de fines feuilles ou bandes de matériau magnétique électriquement
isolées, ce qui permet de réduire l'influence de ces courants tout en gardant un flux total
important à travers la section du tore.
Les tores magnétiques utilisés dans nos transformateurs sont fabriqués à partir de bandes
isolées de supermalloy d'épaisseur variant de 0,01 à 0,10 mm, bobinées en spirale aussi serrée
que possible comme indiqué sur la figure II-5.
Figure II-5 : tore réalisé à partir d'une bande magnétique bobinée en spirale, les pointillés
représentent les flux de fuite existant aux extrémités de la spirale
Le tore ainsi formé est enfermé dans un boîtier scellé rempli de graisse ou d'huile épaisse,
pour réduire les contraintes mécaniques.
40
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
2.2
Les enroulements : l'effet des inductances, résistances et capacités de
fuite
2.2.1 Inductances de fuite
Il est impossible de faire occuper la même région de l'espace à deux conducteurs, une
partie du flux créé par le courant traversant le primaire, ne traverse pas le secondaire (figure
II-6), et le rapport de tension en sortie du transformateur est affecté.

Enroulement primaire
i
UE
US

Enroulement secondaire
Figure II-6 : représentation d'un flux de fuite
Le rapport des tensions induites dans les enroulements du transformateur est : U E U S .
Le courant i donne naissance à un flux  dont une partie  ne traverse pas le second
enroulement. La présence de  diminue US d'une quantité : 
d  
di
 l , et modifie le
dt
dt
rapport U E U S .
S'il n'y avait pas de flux de fuite , les tensions induites dans les enroulements seraient dans
le rapport des nombres de tours. L’influence de ce flux de fuite peut être représentée par une
inductance l en série avec l'enroulement.
2.2.2 Résistances de fuite
La résistance des conducteurs qui forment les enroulements et les pertes par effet Joule
dans le matériau peuvent être représentées par une résistance en série avec l'enroulement, et le
transformateur peut être représenté par la figure II-7 où les enroulements sont parfaitement
couplés et ont une résistance nulle.
41
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
r
l
U
Figure II-7 : représentation des inductances et résistances de fuite d'un enroulement d'un
transformateur
2.2.3 Capacités de fuite
Le potentiel des spires successives d'un enroulement augmente régulièrement jusqu'à
atteindre la valeur de la tension de sortie. Entre chaque paire de spires, il circule un courant
capacitif comme indiqué sur la figure II-8.
ic
U
Figure II-8 : capacités de fuite d'un enroulement d'un transformateur
L'ensemble de ces capacités peut être représenté par une capacité équivalente en parallèle
avec l'enroulement. Finalement, une représentation en paramètres localisés d'un
transformateur est donnée par la figure II-9.
r
l
U
i
C
U
US
Figure II-9 : circuit équivalent de l'enroulement d'un transformateur
Soit i le courant capacitif à l’origine de la chute de tension U aux bornes du transformateur.
42
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
i  jCU S
(II-8)
U  ir  jl   jCU S (r  jl )    2 lC  jCr U S
(II-9)
Ce courant vaut :
La chute de tension U est donc :
Ce qui permet d’exprimer US en fonction de U par :

U S  U 1   2 lC  jCr

(II-10)
L'équation (II-10) montre que la correction à apporter à la tension de sortie d'un
transformateur présente une partie réelle évoluant de manière quadratique avec la fréquence et
une partie imaginaire évoluant linéairement. Ainsi, dans un transformateur utilisé à des fins
métrologiques, on aura intérêt à minimiser r, l et C afin de diminuer cette correction.
II.3 TRANSFORMATEURS ETALONS DIT A DOUBLE
ETAGE
Afin de diminuer les effets des inductances et résistances de fuite par la diminution du
courant dans l'enroulement destiné à fournir les tensions étalons, on utilise des
transformateurs étagés. La figure II-10 représente un transformateur double étage.
Enroulement
métrologique
Enroulement
secondaire
Tore 2
e2
e1
Tore 1
Enroulement
magnétisant
Figure II-10 : vue en coupe d'un transformateur double étage
Ce type d'appareil comporte deux tores magnétiques. Un premier enroulement primaire,
l'enroulement magnétisant, enveloppe le tore 1 seulement. Un deuxième enroulement
primaire, l'enroulement métrologique, et le secondaire sont bobinés autour des deux tores
magnétiques 1 et 2. Il n'est pas nécessaire que les deux tores aient les mêmes sections, les
enroulements magnétisant et métrologique sont généralement alimentés par la même source et
ont le même nombre de spires. La figure II-11 présente un schéma électrique équivalent de ce
43
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
type de transformateur. Les Zi sont les impédances d'entrée des différents enroulements, les
Zi,j les impédances correspondant aux inductances mutuelles et les zi leurs impédances de fuite
[13].
z1
l1
Nn
spires
Z1
r1
e1
i1
Z12
z2
l2
Z14
z3
r2
Nn
spires
Z2
r3
l3
Nn
spires
i2
Z3
Z24
Z35
n spires
Z4
n spires
i3
l4
e2
r4
z4
X
r5
Z5
l5
z5
Figure II-11 : schéma électrique équivalent d'un transformateur double étage
La loi des mailles appliquée à l'ensemble conduit au système d'équations suivant :
e1  i1 z1  Z 1   i2 Z 12  i3 Z 14  0
(II-11)
e1  i1 Z 12  i2 z 2  z 3  Z 2  Z 3   i3 Z 24  Z 35   0
(II-12)
e2  i1 Z 14  i2 Z 24  Z 35   i3 z 4  z 5  Z 4  Z 5   0
(II-13)
e2  i3 X  0
(II-14)
En notant que : Z 1  Z 2 , Z 4  Z1 N 2
et Z 5  Z 3 N 2 ce qui implique Z 12  Z 1 ,
Z 14  Z 24  Z 1 N et Z 35  Z 3 N
Les équations (II-11), (II-12) et (II-13) peuvent être réécrites sous la forme :
e1  i1 z1  Z 1   i2 Z 1 
i3 Z 1
0
N
 Z  Z3 
e1  i1 Z 1  i2 z 2  z 3  Z 1  Z 3   i3  1
0
 N 
e2 
Z Z 
i1 Z 1
 Z  Z3 

 i2  1
  i3  z 4  z 5  1 2 3   0
N
N
 N 


44
(II-15)
(II-16)
(II-17)
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
En circuit ouvert ( i3  0 ), on montre que :

e2 1 
z1 
z 2  z3
 1 


e1 N  z1  Z1    z2  z3  Z 3   z1Z1  z1  Z1  
(II-18)
1   z 1  z 2  z 3

1  
N   z 1  Z 1  Z 3
(II-19)




i2
z1
z

 1
i1 z 2  z 3  Z 3 Z 3
 z  z 3  Z 3
e1  i2  2
z1



z1  Z 1   Z 1 



 e1 
z1


i2  
 z1  Z 1  z1  z 2  z 3  Z 3 
(II-20)
(II-21)
(II-22)
En examinant l'équation (II-19), on remarque que l'erreur sur le rapport de transformation est :
 z1  z 2  z 3 



(II-23)
 z1  Z 1  Z 3 
alors que pour un transformateur conventionnel simple étage, elle aurait été z1 z1  Z 1  . En
pratique, le facteur z 2  z 3  Z 3 dû au deuxième étage est de l'ordre de 10-3, ce qui permet
d'obtenir des erreurs sur les rapports de l'ordre de quelques 10-6.
Les équations (II-20) et (II-22) montrent que uniquement une petite fraction du courant
délivré par la source circule dans l'enroulement métrologique. Cette propriété est
particulièrement intéressante si cet enroulement est subdivisé en sections, comme c'est le cas
pour un autotransformateur, les erreurs des rapports de tension accessibles dues aux inégalités
des impédances de fuite des différentes sections sont réduites par un facteur
z1 z1  z 2  z 3  Z 3  , par rapport à un autotransformateur conventionnel.
Les transformateurs (ou autotransformateurs) destinés à fournir des rapports de tensions
étalons sont toujours des transformateurs double étage.
II.4 TECHNIQUES DE CONSTRUCTION DES
TRANSFORMATEURS ETALONS
Les principales techniques de construction employées dans la fabrication des
transformateurs visent à générer un flux magnétique toroïdal dans le noyau magnétique, et à
réduire ou répartir au mieux les impédances de fuite.
45
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
4.1
Les enroulements
Un enroulement doit être bobiné uniformément sur toute la surface du tore
magnétique, ainsi ses deux extrémités sont adjacentes. Comme il est montré sur la figure II12, un enroulement bobiné "naturellement" sur un tore forme l'équivalent d'une boucle dans le
plan de ce dernier.
Est équivalent à
Figure II-12 : bobinage naturel
Pour éviter que le tore génère ou soit sensible à un champ magnétique extérieur, une spire de
retour, dite spire "anti-progression" est ajoutée. Elle a pour effet de diminuer la surface de la
boucle considérée comme indiqué sur la figure II-13.
Est
équivalent à
Figure II-13 : bobinage avec spire de retour
Une meilleure solution consiste à bobiner les enroulements selon la méthode "Ayrton-Perry"
illustrée sur la figure II-14. La moitié des spires est bobinée dans un sens, l'autre moitié est
46
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
bobinée par dessus et dans le même sens mais dans la direction opposée jusqu'au début de
l'enroulement.
Figure II-14 : bobinage "Ayrton-Perry"
Ces types d'enroulements, insensibles aux champs magnétiques extérieurs et ne rayonnant
pas, sont appelés astatiques.
4.2
Minimisation des inductances, résistances et capacités de fuite
Les performances d'un transformateur peuvent être optimisées selon la manière dont
vont être bobinés les différents enroulements destinés à fournir les rapports étalons.
Malheureusement, la minimisation des inductances et capacités de fuite sont mutuellement
exclusives. En effet, réduire les inductances de fuite impose d'avoir des enroulements aussi
proches que possible les uns des autres, ce qui a pour effet d'augmenter les capacités de fuite.
Et inversement, réduire les capacités inter-enroulements conduit à éloigner les enroulements
les uns des autres, ce qui augmente les inductances de fuite. Deux types de bobinages sont
principalement employés dans la construction de transformateur étalon : le premier, constitué
de fils torsadés, vise à diminuer les inductances de fuite, le second, constitué de fils en
nappes, permet de réduire les capacités entre enroulements.
4.2.1 Bobinages constitués de fils torsadés
Les différents conducteurs destinés à former les enroulements sont torsadés, la torsade
ainsi formée est bobinée sur un nombre de tours suffisant autour du tore magnétique. La
47
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
position de chacun des conducteurs tout au long de la torsade doit être aléatoire, ainsi les
capacités inter-enroulements peuvent être sensiblement égales.
Figure II-15 : enroulements torsadés
Pour minimiser le courant capacitif entre les différentes sections, on prendra soin de connecter
entre eux les enroulements présentant la plus forte capacité, pour les soumettre à une faible
tension. Une torsade de onze conducteurs est connectée comme indiqué sur la figure II-16
pour former un transformateur de rapport 10 (+10:-1).
+10U
+9U
+8U
+U
0
-U
Figure II-16 : schéma des connexions des différents conducteurs dans un transformateur de
onze sections
48
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
4.2.2 Bobinages constitués de nappes de fils
Une meilleure répartition des capacités inter-enroulements est obtenue en bobinant des
nappes de fils. Les conducteurs sont disposés les uns à coté des autres, aussi serrés que
possible. Les différents enroulements sont connectés comme précédemment.
Figure II-17 : enroulements en nappe
Cette disposition d'enroulements présente l'inconvénient de répartir davantage dans l'espace
les conducteurs qu'un bobinage en torsade. Ceci a pour effet de rendre le transformateur plus
sensible au flux de fuite, et d'augmenter les inductances de fuite.
4.3
Ecrans électriques et magnétiques
4.3.1 Ecrans électriques
Le courant capacitif circulant entre deux enroulements peut être éliminé en disposant
entre eux deux écrans, chaque écran étant connecté à un enroulement. Comme indiqué sur la
figure II-18, ils sont tous les deux au même potentiel, sans être directement reliés. Ces écrans
sont réalisés à l'aide de feuilles de matériau conducteur dont la surface est recouverte d'un
isolant afin qu'ils ne forment pas de spire en court-circuit.
49
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
V=0
i=0
Figure II-18 : écrans électriques entre enroulements
4.3.2 Ecrans magnétiques
L'utilisation d'écrans magnétiques permet de s'affranchir d'une part, du flux de fuite
existant aux extrémités de la spirale constituant le noyau magnétique (voir figure II-5) et
d'autre part, d'être insensible aux champs magnétiques extérieurs et par réciprocité de ne pas
rayonner. Chaque spire est ainsi traversée par le même flux.
Un écran magnétique réalisé en matériau conducteur peut également être utilisé comme un
écran électrique. On veillera toujours lors de leur mise en place à ce qu'ils ne forment pas une
spire en court-circuit.
On peut remarquer sur la figure II-19 qu'un écran forme une spire ouverte autour du noyau
magnétique. Il existe donc à ces extrémités une différence de potentiel à l'origine d'un courant
capacitif. Ce courant peut avoir un effet néfaste sur les performances du transformateur. Dans
le cas d'un écran magnétique, il faut trouver un compromis entre l'efficacité du blindage et
l'importante capacité qu'introduit une grande zone de recouvrement.
50
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
Figure II-19 : courant capacitif circulant dans un écran
II.5 FABRICATION D'AUTOTRANSFORMATEURS AU
BNM-LNE/LAMA
5.1
Autotransformateurs "ancienne génération"
Ils sont au nombre de deux, référencés AT1 et AT2 : ils sont respectivement utilisés
sur le pont de comparaison dit "Lampard", et sur le pont de capacité. Leurs principaux défauts
résident dans le fait qu'ils ne possèdent pas d'écrans magnétiques, ce qui les rend sensibles
aux champs magnétiques extérieurs.
Figure II-20 : autotransformateur étalon "ancienne génération" du BNM-LNE/LAMA
De plus, la tension maximale supportée par ces transformateurs est de l'ordre de 70 V à basses
fréquences (400Hz).
51
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
Ces dispositifs ne possèdent que onze sections, ce qui ne permet pas de disposer de rapports
multiples de 2, or ces rapports sont particulièrement intéressants pour comparer des
impédances de même valeur nominale.
Le dernier étalonnage de ces transformateurs a été effectué en 1993. Cet opération a permis de
mettre en évidence un rayonnement des appareils et une influence de la position (verticale ou
horizontale) sur la valeur des rapports. Ces transformateurs n'étant pas modifiables, il a été
décidé de lancer la fabrication de nouveaux transformateurs [14].
5.2
Fabrication d'une nouvelle génération d'autotransformateurs
Ces nouveaux autotransformateurs sont au nombre de trois. Ils ont été conçus au BNM-
LNE/LAMA et fabriqués en collaboration avec la société Mécagis. Les principales
améliorations attendues de ces appareils sont les suivantes :
-
augmentation de la tension maximale d'utilisation (augmentation de la section des
tores magnétiques), typiquement 200 V à 400 Hz.
-
réduction de l'effet des champs parasites extérieurs et des champs rayonnés par l'ajout
de blindages magnétiques.
-
réduction du couplage électrostatique entre enroulements (ajout d'écrans électriques)
-
possibilité de réaliser des rapports multiples de 2, 3 et 4 par l'adjonction d'une
douzième section.
-
possibilité de modifier la valeur des tensions métrologiques, sans changer les rapports
(disposition d'un enroulement supplémentaire, dit de compensation, autour du tore
métrologique) [15].
5.2.1 Description des différents éléments
Les figures II-21 et II-22 montrent une vue d'ensemble et un schéma électrique
équivalent de ces appareils.
52
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
tores magnétiques "a" et "e"
Sortie blindage "h"et "j"
Enroulement
métrologique "i"
240 spires (12*20)
Sortie
écran "c"
Sortie écran "d"
Enroulement de
compensation "f"
30 spires
Enroulement
magnétisant "b"
240 spires (12*20)
Les différents écrans
sont prolongés par
des tubes concentriques
Blindages
magnétiques "h" et "j"
Ecrans
électrostatiques "c" et "d"
Figure II-21: vue d'ensemble des nouveaux autotransformateurs
"b"
magnétisant
12*20 spires
"c" écran
électrostatique
"i"
métrologique
12*20 spires
"f"
compensation
30 spires
"h" et "j" blindages magnétiques
"d" écran
électrostatique
Figure II-22 : schéma électrique équivalent des nouveaux autotransformateurs
- tores magnétiques "a" et "e"
: Tores en Perminphy 6 avec une épaisseur de bande
de 0,07 mm; les diamètres intérieur et extérieur sont
respectivement de 90 mm et 145 mm; la hauteur de
20 mm, enrobés d'un boîtier rigide. Le tore "e" est
composé d'un tore seul et le tore "a" d'un
empilement de deux tores (soit une section fer totale
53
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
de 1650 mm2),
- enroulement magnétisant "b"
: Fil en cuivre de 1 mm de diamètre, bobiné sur le
tore "a" seul et formant 12 sections de 20 spires.
L'enroulement est constitué par 12 fils en nappe
formant 20 spires, bobinés 10 spires "aller" et 10
spires "retour" selon la méthode "Ayrton-Perry".
- enroulement métrologique "i"
: Fil de cuivre de 1 mm de diamètre, bobiné autour de
l'ensemble des tores "a" et "e". L'enroulement est
constitué de la même façon que l'enroulement
magnétisant (12 fils formant 20 spires bobinées
selon la méthode "Ayrton-Perry").
- enroulement de compensation "f"
: Il est bobiné sur le tore "e" seul. Il est destiné à
modifier
la
tension
totale
aux
bornes
de
l'enroulement métrologique (sans modifier ses
rapports) de façon à avoir un courant nul entre les
enroulements métrologique et magnétisant. Il est
constitué de 30 spires de fil de cuivres de diamètre
0,3 mm, également réparties sur le tore "e" terminé
par une spire de retour.
- écrans électrostatiques "c" et "d"
: Ils sont constitués d'une feuille d'isolant recouverte
de laque d'argent, avec une fente en recouvrement.
Ces écrans sont prolongés par des tresses en cuivre
sur les fils de sortie correspondants. Dans le cas de
plusieurs écrans disposés côte à côte (c et d), une
couche d'isolant est interposée entre eux.
- blindages magnétiques "h" et "j"
:
Boîtiers en mumétal comportant des sorties
tubulaires sur quelques centimètres pour les fils
Tous ces éléments sont solidaires mécaniquement pour éviter les problèmes de vibrations
microphoniques.
54
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
5.2.2 Mesures préliminaires
Avant de procéder à la connexion définitive des différentes sections et de placer les
transformateurs dans leur boîtier, un contrôle des différents éléments accessibles a été
effectué.
a - Capacités entre enroulements et blindages
Les différentes capacités parasites entre les éléments constituant les trois
autotransformateurs étalons ont été mesurées à la fréquence de 1 kHz à l’aide d’un pont
d’impédance automatique.
b
c
h
i
j
d
f
Figure II-23 : représentation des différentes capacités mesurées
Les résultats obtenus sont portés dans le tableau II-1. Les résultats trouvés sont du même
ordre de grandeur pour les trois autotransformateurs.
CAPACITE
VALEUR
MESUREE
(pF)
Cb,c
Ch,i
Cf,d
Cc,h
Cc,d
Ch,d
Cb,i
Cb,f
Ci,f
3500
1400
350
400
350
350
1,5
1,0
1,0
Tableau II-1 : capacités mesurées entre les différents éléments constitutifs des
transformateurs
55
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
Les mesures des capacités Cb,c à Ch,d sont effectuées à titre de contrôle pour vérifier qu’il n’y
a pas de contact entre les différents éléments. Les capacités Cb,i, Cb,f et Ci,f entre les différents
enroulements sont mesurées pour évaluer l’efficacité des écrans. Ces capacités semblent
fortes pour des transformateurs munis de deux écrans entre chaque enroulement, les valeurs
attendues pour ce type de transformateur étant de l'ordre de quelques centièmes de picofarad.
b - Capacités entre les sections des enroulements métrologiques
Sur les trois autotransformateurs étalons, les capacités entre chacune des douze
sections constituant l'enroulement métrologique ont été mesurées. Ces mesures avaient pour
but de connaître l'ordre de placement, dans la nappe, de chacune des douze sections, afin de
réaliser une mise en série permettant de minimiser les tensions aux bornes des capacités les
plus fortes.
Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau II-2.
section
repérée:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
55
40
50
70
50
50
60
30
30
80
930
capacité (pF) par rapport à la section repérée :
11
10
9
8
7
6
5
4
40
45
65
50
35
30
20
50
45
45
45
40
30
10
15
45
60
30
20
30
30
15
70
950
40
35
25
25
25
50
950
20
15
10
40
60
990
25
15
30
60
990
20
15
40
940
40
50
950
70
1010
1000
3
50
1010
2
880
Tableau II-2 : capacités mesurées entre les différentes sections de l'enroulement
métrologique
Les différentes sections ont donc été branchées en série, selon l'ordre de leurs numéros de
repère, afin que les capacités les plus fortes soient soumises à la tension la plus faible (les
capacités les plus fortes, 880 à 1010 pF, se trouvant entre chacun des fils et le fil de numéro
immédiatement supérieur).
5.2.3 Tension maximale d'utilisation
L'essai a été effectué sur un seul autotransformateur, les nombres de spires et sections
de mumétal étant identiques pour les trois appareils. Cet essai effectué à la fréquence de
40 Hz avait pour but de déterminer la tension maximale admissible, avant saturation du noyau
magnétique. A cette fréquence, la tension ne se trouve pratiquement pas déformée jusqu'à une
valeur voisine de 25 V, la saturation étant effective pour une tension de l'ordre de 35 V.
56
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
La tension maximale admissible étant proportionnelle à la fréquence, on peut en déduire :
Umax= 0,6.f
avec f : fréquence exprimée en hertz.
Ces transformateurs pourront donc fonctionner à 200 V à 400 Hz. Pour les fréquences
élevées, la tension maximale sera limitée à une valeur raisonnable (environ 350 V), la tenue
avant claquage des isolants inter-écrans étant mal connue.
5.2.4 Boîtiers et plaques à bornes
Les transformateurs on été montés dans des boîtiers spéciaux. Ils ont été installés dans
le plan des tores magnétiques horizontaux, de façon à éviter les déformations des circuits
magnétiques par flambage sous l'effet de leur propre poids. Afin de limiter les chocs
mécaniques et les vibrations qui sont préjudiciables aux qualités magnétiques du mumétal et
d'éviter les problèmes microphoniques, les transformateurs sont suspendus sur un support
reposant sur quatre amortisseurs.
Les deux enroulements (métrologique et magnétisant) aboutissent aux deux plaques à bornes
qui sont disposées sur deux des faces opposées du boîtier, afin de diminuer leur couplage
magnétique et capacitif. Les plaques à bornes assurent l'isolement des embases coaxiales
(UHF) des connexions. Cette disposition permet de relier toutes les embases en un seul point
pour assurer leur équipotentialité ; elle permet également de diminuer les inductances
mutuelles des connexions en faisant cheminer les fils de liaison des embases coaxiales le long
des fils reliés à l'âme correspondante. Cette disposition est illustrée sur la figure II-24.
Figure II-24 : connexion de la plaque à bornes
57
CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
La disposition géométrique des bornes coaxiales sur la plaque a été réalisée de telle façon que
l'orientation de la boucle de mesure reste la même lorsque cette dernière se déplace sur tous
les enroulements (de 1 à 12), lors de l'étalonnage des transformateurs. Cette précaution
permettra de rendre quasiment constant l'effet éventuel d'un champ extérieur traversant la
boucle de mesure. Pour cela, certaines prises ont été doublées, comme le montre la figure II25.
Figure II-25 : disposition des bornes de l'enroulement métrologique
Une vue d'ensemble de ces nouveaux autotransformateurs est présentée sur la figure II-26.
Figure II-26 : nouveaux autotransformateurs étalons au BNM-LNE/LAMA
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CHAPITRE II : TRANSFORMATEURS
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