CORRIGE TP ELT1 Transformateur monophasé 1 Préparation I 1 Transformateur parfait TP i1(t) i2(t) u2(t) u1(t) Charge équations du transformateur parfait : Avec le fléchage du schéma et la position des points homologues on peut écrire : • En valeurs instantanées : u2(t) = m u1(t) i1(t) = m i2(t) • En régime sinusoïdal on peut adopter la notation complexe U 2 = m.U 1 I 1 = m.I 2 • En valeurs efficaces (Il n’est pas nécessaire de connaître la position des points homologues) : U 2 = m.U 1 I 1 = mI 2 I 2 Transformateur réel I1 U1 • • • • • Rf mI2 I0 L TP m I2 Rs mU1 Lsω ∆U U2 L est l’inductance magnétisante. Elle consomme la puissance réactive dans l’essai à vide. Rf résistance qui modélise les pertes fer. Elle consomme la puissance active dans l’essai à vide. (pertes fer) U m rapport de transformation m = 2 (c’est aussi le rapport du nombre de spires U1 N m= 2 ) N1 Rs résistance des enroulements ramenée au secondaire Elle consomme la puissance active dans l’essai en court circuit. (pertes cuivre ou pertes joule) R s = R 2 + m 2 R1 . R1 et R2 étant respectivement les résistances des enroulements primaires et secondaires Ls inductance de fuite ramenée au secondaire Elle consomme la puissance réactive dans l’essai en court circuit. Ls = L 2 + m 2 L1 . L1 et L2 étant respectivement les inductances de fuite des enroulements primaires et secondaires. CORRIGE TP105 106 transformateur monophasé page 1/6 II Manipulation On utilise le transformateur 230 V/230 V 2500 VA. C’est un transformateur d’isolement. Les courants nominaux primaires et secondaires sont identiques et valent S 2500 I 1N = I 2 N = = = 10,9 A UN 230 II 1 Essai à vide du transformateur Ph 230V variable transformateur V N II 1 Il y a proportionalité et on trouve m = 1,03 Le schéma équivalent est celui-ci car mI2 = 0 m se mesure à vide.. Il est supérieur à 1 car le constructeur a prévu des spires supplémentaires au secondaire pour compenser la chute de tension dans les charges inductives. II 1 2 I10 = 400 mA P10 = 37 W Q 10 = 61 vars sous U1 = 230 V. 2 Rf = U1 P10 = 1430 Ω 2 U1 867 Ω .. et L = 2,3 H = Q10 Ces valeurs devraient être infinies pour un transformateur parfait Le courant à vide est faible devant le courant nominal. Lω = II 1 3 On révise le cours d’électromagnétisme… CORRIGE TP105 106 transformateur monophasé page 2/6 I1 I0 U1 Rf L La courbe 1 représente la tension du secteur. La courbe 2 représente l’intensité à vide La courbe 3 représente le flux. On ne peut pas mesurer le déphasage car le courant n’est pas sinusoïdal. 1 2πRC = 1,59 Hz lorsque R= 100 kΩ et C = 1 µF est très inférieure à la fréquence du secteur soit 60 Hz.. R Tension Sonde proportionnelle Sonde courant transformateur U2 Tension au courant I10 C tension proportionnelle au flux Φ Le flux est parfaitement sinusoïdal alors que la tension secteur présente une légère distorsion. Le transformateur fonctionne à flux forcé. Le filtre RC se comporte comme un intégrateur dès lors que sa fréquence de coupure La caractéristique magnétique Φ = f(i) du matériau magnétique n’est pas linéaire . Si on baisse la tension U1 la saturation disparaît mais l’hystéresis demeure. II 2 Essai avec secondaire en court circuit I1 = mI2 TP U1 m I2 mU1 Lsω Rs ∆U CORRIGE TP105 106 transformateur monophasé page 3/6 U2= 0 Sur le schéma équivalent de l’essai on peut supprimer Rf car la tension U1 est faible et donc les pertes fer et la sont négligeables. On peut également supprimer L car la puissance réactive dans l’inductance magnétisante est négligeable. U1CC = 7,7 V. I1CC = 11,3 A. I2CC = 10,9 A P1CC = 59 W. Q1CC = 60 vars Rs = P1cc I 2CC 2 = 0,50 Ω Ls ω = P1CC I 2CC 2 = 0,51 Ω. LS = 1,35 mH II 3 Fonctionnement sous charge nominale résistive II 3 1 Prédétermination On dessine dans l’ordre (mais pas à l’échelle) : mU1 jLSωI2 U2 • • • • • Direction de I2 La direction de I2, origine des phases. U2 en phase avec I2 RSI2 en phase avec I2 jLSωI2 en quadrature avance sur I2 mI2 = U2 + RSI2 + jLSωI2 ∆U = ( R S I 2 )2 + ( L S ω I 2 )2 mU 1 = (U 2 + RS I 2 )2 + (LS ωI 2 )2 U2 = RSI2 (mU 1 )2 − (LS ωI 2 )2 = 7,8 V − RS I 2 Avec m = 1,03 U1 = 230 V RS = 0,5 Ω. LSω = 0,51 Ω. et Ι2 = 10,9 Α On trouve : U2 = 231 V P2 rendement. η = P2 + Pf + Pc avec Pf = pertes fer mesurées à vide = 37 W. PC = pertes cuivre mesurées en court circuit = 59 W. η = 96% L’essai à puissance nominale confirme ces résultats. Le rhéostat choisi est la banc de charge 4 KW en position 60%. On Charge progressivement en ajustant la tension U1 pour la maintenir à 230 V. CORRIGE TP105 106 transformateur monophasé page 4/6 II 4 Prédétermination sous charge inductive pure Le courant I2 est en quadrature arrière sur U2. U2 ∆U RSI2 mU1 jLSωI2 Direction de I2 U2 = (mU 1 )2 − (RS I 2 )2 − L S ωI 2 Prédétermination sous charge capacitive Le courant I2 est en quadrature avance sur U2. Direction de I2 jLSωI2 mU1 RSI2 U2 U 2 = (mU 1 ) − (RS I 2 ) + LS ωI 2 Sous charge capacitive, on remarque que la tension de sortie est supérieure à la tension à vide. 2 2 III Partie facultative : Un transformateur expérimental S = 16 cm2 U1 = 230 V N1 = 600 spires. N2 = 72 spires. I1 = 2,2 A. I2 = 12 A. N On calcule U 2 = U 1 2 = 27,6V N1 Etude de la bobine primaire seule. CORRIGE TP105 106 transformateur monophasé page 5/6 S On trouve L1 = 7,2 mH sans noyau de fer. l = 10 cm l Le courant qui circulerait si on branchait une tension de valeur efficace 230 V serait de 84 A très supérieur au courant maximum. Le circuit magnétique est indispensable. S L1 = µ r µ 0 N 2 .L1 = 1,44 H. I1 = 0,4 A. Ce courant représentera le courant à vide lf Lorsque le fer n’est pas feuilleté le tronçon de fer massif devient sensiblement très chaud. Ce sont les pertes par courants de Foucault. La puissance absorbée avec le tronçon non feuilleté est de 400 W. C’est énorme comparé à la puissance du transformateur (U2.I2 = 330 VA) la puissance perdue à vide (avec le tronçon feuilleté) est de P10 = 20 W: ce sont les pertes fer. 1. L1 = µ 0 N 2 2. 3. 4. 5. Etude du transformateur N2 = 0,12. N1 7. formule de Boucherot U1 = 4,44 S.N1.Bf. B = 0,9 T Φ = 1,4 mWb 8. Puissance apparente S = U2.I2 = 330 VA 9. Puissance perdue en court circuit P1CC = 27 W. Ce sont les pertes joule. 10. Charge R = 2,3 Ω pour avoir le courant nominal au secondaire. Cette résistance doit pouvoir dissiper 330 W. P2 330 11. Rendement η = = 87% = P2 + Pf + Pc 330 + 20 + 27 6. rapport de transformation. m = CORRIGE TP105 106 transformateur monophasé page 6/6