Etude des systèmes techniques Les transformateurs

Etude des systèmes techniques
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Les transformateurs
1. Les matériaux magnétiques
1.1 Définition
a) les matériaux diamagnétiques
Ils s’aimantent très faiblement dans le sens inverse du champ magnétique
b) Les matériaux paramagnétiques
Ils s’aimantent très faiblement dans le sens du champ magnétique
c) Les métaux ferromagnétiques
Ils s’aimantent très fortement en présence d’un champ magnétique et dans le même sens que celui-
ci
1.2 Courbe d’aimantation
B0 = µµ
µµ
µ0 H dans l’air
Lorsque l’on augmente l’excitation magnétique H dans une bobine
munie d’un noyau magnétique, le champ B mesuré varie suivant cette
courbe.
1.3 Cycle d’hystérésis
La forme d’un cycle d’hystérésis constitue la photo d’identité
d’un matériau magnétique.
Elle est caractérisée par:
L’aimantation rémanante Br.
C’est la valeur de l’induction B lorsque le champ H est nul
Le champ coercitif Hc.
C’est la valeur du champ pour que l’induction B soit nulle
1.4 Pertes par hystérésis
Il y a une consommation d’énergie pour magnétiser un matériau. Cette consommation est traduite
par la surface du cycle d’hystérésis, ce qui correspond aux pertes par hystérésis.
Formule de Richter simplifiée pour les fortes valeurs de l’induction B > 1T

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Elles sont proportionnelles à la fréquence et au carré de l’induction
Ph = b V f B²
b Constante dépendant du matériau
V Volume du matériau
f fréquence
B Induction
1.5 Courant de Foucault
a) Rappel
Lorsqu’un matériau métallique est soumis à un champ magnéti-
que variable, ou s’il se déplace dans un champ fixe, la variation de
flux engendre des courants induits qui s’oppose la cause qui leur a
donné naissance ( loi de Lenz ). Ce qui entraîne un échauffement.
b) Pertes dues aux courants de Foucault
Ces pertes sont données par la relation:
P= k v f² b²
Le coefficient K est donné par la mesure sur un échantillon
Elles sont proportionnelles au carré de la fréquence et au carré de
l’induction.
1.6 Constituants
A partir du fer et selon les matériaux d’addition on obtient des caractéristiques magnétiques diffé-
rentes.
a) Le silicium
De 1à 4%, pour augmenter la résistivité
b) Le carbone
Jusqu’à 4% pour augmenter l’induction rémanente
c) Aluminium nickel
Réduit la largeur du cycle
d) Autres éléments
L’augmentation de l’induction rémanente est produite par
le chrome, le cobalt, le molybdène, le tungstène.

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1.7 Pertes globales
On résume les pertes par hystérésis et les pertes par courant de Foucault
en les exprimant en watts par Kg de matériau magnétique. Elles sont don-
nées pour une fréquence et une induction précise. ( 1T 50 Hz ). On peut les
diminuer avec une orientation des grains.
Exemples:
Tôle au silicium à grain orienté laminé à froid dans le sens du laminage 0.89 W/kg.
Tôles pour transformateur 1,1 W/kg.
Tôles pour moteur 3,6 W/kg.
2. Classification des matériaux magnétiques
2.1 Les aimants permanents
On distingue deux types d’aimant permanant:
- Les métalliques: Nikel, cobalt, aluminium, et fer
- Les Ferrites: Cristaux d’oxyde de fer et d’éléments de Baryum
Ils présentent un cycle d’hystérésis très large in-
duction rémanante très forte et un champ coercitif
important.
2.2 Matériaux pour électro-aimant en courant alternatif
Il faut obtenir un cycle d’hystérésis étroit, qui supporte une forte induction et un faible champ
coercitif.
Exemple
Fer pur ( ferholtzer S)
2.3 Matériau pour circuit magnétique en courant alternatif
a) tôles laminées à froid à cristaux non orientées
Elles sont utilisées dans les transformateurs et machines tournantes.
b) Tôles magnétiques à grains orientés
Ce sont des tôles d’acier au silicium qui subissent un traitement lors du laminage permettant une

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orientation de la structure du métal dans le sens du
laminage.
Les pertes sont plus faibles.
La perméabilité est améliorée dans le sens du
laminage.
L’assemblage des tôles à grains orientés nécessite
certaines précautions dans le cas des changements
de direction du circuit magnétique.
Il faut prévoire un recouvrement lors de la dé-
coupe des tôles pour ce rapprocher de la figure 1.
c) Isolation des tôles entre elles
Elle est réalisée par :
- Phosphatation, dépose par traitement thermochimique de phosphate (1 à 2 microns)
- Par vernis synthétique
3. Constitution des transformateurs
3.1 Rappels
a) Principe
On place deux enroulements sur un circuit ma-
gnétique. Lorsque l’enroulement primaire est
traversé par un courant alternatif, il crée un flux
alternatif. Ce flux variable crée aux bornes de
l’enroulement secondaire une F E M. Si on place
un récepteur aux bornes du secondaire, un courant
alternatif parcours le circuit. La puissance transite
du primaire au secondaire par l’intermédiaire de la variation de flux.
b) Formules
Rapport de transformation:
Formule de Boucherot
3.2 Constitution
(1) Circuit magnétique comprenant: des colonnes
une culasse supérieure et une culasse inférieure.
(2) Bobines : 2 par noyau. l’une formant
enroulement primaire, l’autre enroulement secondaire.
(3) Bornes haute tension.
(4) Commutateur de réglage de tension à + 5 %.
(5) Couvercle avec crochet de manutention.
(6) Cuve formant protection et contenant l’isolant
m = U2
U1

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liquide.
Le transformateur est une machine d’induction qui comporte
principalement :
- Un circuit magnétique.
- Un circuit électrique.
- Des organes mécaniques assurant les fonctions telles que:
support, protection, manutention, refroidissement.
4. CIRCUIT MAGNETIQUE
Son rôle essentiel est de canaliser le flux et de présenter le minimum de pertes par hystérésis et courant
de Foucault.
Ils peuvent être soit à deux ou trois colonnes soit cuirassé, c’est à dire que les enroulements sont
placés sur 1 ou 3 colonnes centrales, et le flux se referme par chacun des cotés qui forment la cui-
rasse.
4.1 Section des colonnes
On utilise des sections circulaires pour les bobines, . Pour
avoir une meilleure utilisation du fer on se rapproche de cette
section avec des architectures en gradins.
4.2 Assemblage colonne cuirasse
Il faut réaliser des assemblages avec le moins de pertes possibles.