TP 14 - lejeune

LYCEE LOUIS DE CORMONTAIGNE.
12 Place Cormontaigne – BP 70624.
57010 METZ Cedex 1
Tél.:
03 87 31 85 31
Fax : 03 87 31 85 36
Sciences Appliquées.
Savoir-faire expérimentaux.
.
Référentiel
.
. :
.S5 Sciences
. Appliquées.
.
.
.
.
C1 : Transformateurs.
TP Sciences Physique N°14 :
monophasé.
Support Matériel :
monophasés 3 KVA
Transformateur
Transformateurs
Matériel spécifique : Pince Chauvin Arnoux F 27
Objectifs :
Valider le modèle d’un transformateur monophasé.
Détermination des grandeurs réduites.
Mesure du rendement par une méthode d’opposition
STS2_14 Transformateur monophasé.doc
Page 1 / 6.
.
Savoir-faire expérimentaux.
TRANSFORMATEUR MONOPHASE
Introduction
La distribution de l'énergie électrique en alternatif 50Hz se fait sous différentes valeurs efficaces de
tension. Le transformateur a pour but l'adaptation entre deux réseaux de tension différente. Le
second intérêt du transformateur et d'isoler électriquement les deux réseaux.
Le transformateur peut fonctionner indifféremment en abaisseur ou en élévateur de tension.
1 - But du TP
Le but du TP est d'appréhender les principes de fonctionnement et la modélisation des
transformateurs monophasés.
2 - Le transformateur monophasé
1 - Description
Un transformateur monophasé est constitué d'un circuit magnétique sur lequel sont bobinés des
enroulements caractérisés par leur nombre de spires. Le circuit magnétique, destiné à canaliser le
flux magnétique, est constitué de tôles feuilletées ( isolées entre-elles ) enrichies en silicium afin de
limiter les pertes par hystérésis et courant de Foucault.
Le côté source constitue le primaire et le côté récepteur le secondaire.
J2
J1
Φ
source
V1
recepteur
N1
N2
V2
2 - Modèle du transformateur avec impédance de fuites ramenée au secondaire
En fonctionnement normal tensions, courants et flux sont sinusoïdaux.
Le transformateur peut être modélisé par :
• un transformateur idéal parcouru par un flux φ
• une inductance de magnétisation Lm
• une résistance équivalente aux pertes fer Rf
• une inductance de fuites magnétiques Ls ramenée au secondaire
• une résistance équivalente aux pertes joules totales (primaire et secondaire) ramené au
secondaire
• Les équations de fonctionnement en régime sinusoïdal sont :
STS2_14 Transformateur monophasé.doc
Page 2 / 6.
Savoir-faire expérimentaux.
•
•
V1 = jωN1Φ
V’2 = jωN2Φ
rapport de transformation
m = V '2 = N
V1
N
équation des ampère-tours
N1J10 = N1J1 - N2 J2
2
1
impédance de fuites ramené au secondaire
J2
mJ2
J1
J1o
Rs
V1
Rf
N1
Lm
N2
Ls
V2
V'2
transformateur parfait
impédance de magnétisation
3 - Préparation
3 - 1– Détermination du rapport de transformation et de l’impédance de
magnétisation à partir d’un essai à vide
Le principe de l’essai à vide est décrit ci dessous.
Les mesures effectuées lors de cet essai sont affectées de l’indice « 0 »
L’impédance du voltmètre placé au secondaire est considérée comme infinie.
Montrer que la mesure de la tension à vide primaire V10 et de la tension à vide secondaire V20
permet de déterminer le rapport du nombre de spires du transformateur.
Montrer que la mesure de la puissance active P10 et de la puissance réactive Q10 permet de
déterminer l’impédance de magnétisation.
J10
W
P10
V10
A
V
Q10
transformateur
primaire
secondaire
V
V20
3 – 2 Détermination des impédances de fuite à partir d’un essai en court-circuit
Les mesures effectuées lors de cet essai sont affectées de l’indice « cc »
L’essai en court-circuit se fait sous une tension réduite V1cc = qq % V1nom. tel que le courant
secondaire J2cc soit très proche de sa valeur nominale J2n
Montrer que les puissances consommées dans l’impédance de magnétisation sont négligeables.
Montrer que les mesures permettent de déterminer Rs, Ls
STS2_14 Transformateur monophasé.doc
Page 3 / 6.
Savoir-faire expérimentaux.
J1cc
W
A
J2cc
transformateur
P1cc
V1cc
primaire
V
secondaire
A
Q1cc
3 – 3 Chute de tension en charge, définition des grandeurs réduites
La chute de tension en charge représente la différence des valeurs efficaces entre la tension
secondaire à vide et la tension secondaire en charge en maintenant la tension primaire constante.
∆V2 = V20 – V2
On utilise le modèle avec impédance de fuites ramenée au secondaire.
On montre que si l’impédance de fuite est faible ( transformateur de bonne qualité) la chute de
tension s’exprime : ∆V2 = Rs J2 cos φ2 + Xs J2 sin φ2 avec Xs = Lsω
ou φ2 représente le déphasage courant tension de la charge.
La chute de tension est, en général, exprimée en % par rapport à la tension nominale
∆V2% = 100 ∆V2/V2n
On pose J2 = k J2n
Si l’essai en court-circuit est fait sous courant secondaire nominal on note les puissances mesurées
P1ccn et Q1ccn .
Par définition la puissance apparente nominal Sn = V2n J2n
Montrer que ∆V2% s’exprime en fonction de R% , X% , k et φ2
avec : R% = 100 P1ccn / Sn
X% = 100 Q1ccn / Sn
R% et X% sont appelées : grandeurs réduites du transformateur. Ce sont ces grandeurs que
définissent les constructeurs de transformateur.
On utilisera un transformateur 3 KVA 220 / 110 V
Pour un transformateur de ce type le constructeur donne : pertes fer 70 w, R% = 1.7% et X% = 1.2
%.
Tracer les caractéristiques de chute de tension ∆V2% pour cos ϕ = 1, cos ϕ = 0.8 inductif et
cos ϕ = 0.8 capacitif.
3 – 4 Rendement du transformateur
On admet que la tension primaire reste constante, dans ce cas la tension V2 = V20 – ∆V2 et le
rendement peut s’exprimer par
η=
V2 I 2 cos ψ 2
V2 I 2 cos ψ 2 + Pfer + Pcuivre
Donner l’expression du rendement en fonction de k, R%, X% , ϕ2 et Pfer.
On admet que le rendement η est maximum lorsque les pertes joules sont égales aux pertes fer.
Calculer pour quel le valeur du courant J2 le rendement est maximum.
Présenter sous forme de tableau Excel le calcul du rendement et tracer les courbes η = f(k) pour
cos ϕ = 1, cos ϕ = 0.8 inductif et cos ϕ = 0.8 capacitif.
STS2_14 Transformateur monophasé.doc
Page 4 / 6.
Savoir-faire expérimentaux.
Manipulation
Pour mesurer tension, courant et puissances on utilisera une pince analyseur de réseau F27.
1 – Plaque signalétique du transformateur
La plaque signalétique du transformateur donne : 3 KVA. 220 V / 110V
Calculer le courant nominal primaire et le courant nominal secondaire.
2 – Essai à vide
Faire l’essai à vide sous une tension V10 = 110V. En déduire le rapport de transformation m et les
éléments Rf , Lm. de l’impédance de magnétisation.
Faire un deuxième essai sous tension primaire nominale 220 Vet déterminer m ,Rf et Lm.
Conclure sur la validité du modèle en fonction de la tension d’alimentation.
3 – Essai en court-circuit
Mettre la table hors tension.
Il faut utiliser une alimentation de la table MORS permettant de fournir le courant nominal au
primaire du transformateur. Choisir l’alimentation qui convient.
Mettre en court-circuit l’enroulement 110 V en doublant le cordon de de court circuit
ATTENTION : le courant nominal est atteint pour une tension primaire de
l’ordre de 4 ou 5 V
Faire croître la tension primaire pour obtenir le courant nominal au secondaire.
En déduire Rs, Ls, R% et X%
4 – Essai en charge et mesure directe du rendement.
J1
J2
W
V1n
V
A
W
transformateur
primaire
secondaire
A
rhéostat de charge
V
V2
4 kW 220 V
Le primaire est alimenté sous tension nominale qu’il faut maintenir constante pendant toute la
durée de l’essai
La charge est un rhéostat de 4 kW 220V. Quelle puissance maximum peut-on dissiper avec ce
montage ?
Mettre le rhéostat sur 0% mesurer la tension à vide V20. Faire varier la charge et relever V2, J2, P1 et
P2.
Tracer la caractéristique de chute de tension ∆V2% = f (J2) et la caractéristique de rendement
η = P2/P1 = f (J2)
STS2_14 Transformateur monophasé.doc
Page 5 / 6.
Savoir-faire expérimentaux.
5 - Prédétermination de la caractéristique de chute de tension
A partir de la valeur de R% et X% mesurées lors de l’essai en court-circuit tracer la caractéristique
∆V2% = f (J2) et comparer à la courbe expérimentale relevée dans l’essai précédent.
6 – Détermination des pertes d’un transformateur par la méthode de
récupération de Ayrton et Sumpner
Pour déterminer les pertes cuivre et les pertes fer dans les conditions de fonctionnement normal il
est nécessaire de mesurer ces pertes sous pleine tension.
Pour cela on utilise deux transformateurs identiques T1 et T2 couplés en parallèle sur une même
source d’alimentation. Pour faire varier le courant secondaire I2 on utilise un troisième
transformateur T3 alimenté sous tension variable par un autotransformateur.
Les tensions V21 et V22 doivent être en phase afin de limiter le courant de circulation entre les deux
transformateurs.
L’interrupteur K et le voltmètre V permettent de contrôler cette condition.
La puissance fournie par T3 représentent les pertes joules des transformateurs T1 et T2. Le réseau
fournit les pertes fer de T1 et T2.
Les transformateurs étant identiques : P1 = 2 Pfer et P2 = 2 Pcuivre.
I2
P1
V1
V1
V21
V
V22
V1
T2
T1
P2
Vs
Auto transformateur
T3
Pour 0 < I2 < I2n mesurer les pertes fer et les pertes joule.
Prédéterminer la courbe η = f(k) pour cos ϕ = 1.
Comparer à la courbe à la courbe relever lors de l’essai directe.
Cet essai est-il intéressant pour les transformateurs de grosse puissance ( > 10 KVA )
STS2_14 Transformateur monophasé.doc
Page 6 / 6.