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Chapitre II : Transformateurs
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Chapitre II : Transformateurs

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Cours : Machines électriques

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  • 1. LES TRANSFORMATEURS2010-2011 Mohamed ELLEUCH 1
  • 2. PRINCIPE2 circuits électriques galvaniquement isolés bobinés sur le circuit magnétique isolés, N1 Spires N2 SpiresSoient V1 et V2 les valeurs efficaces : V1 < V2 : élévateur de tension V1 > V2 : abaisseur de tension V1 = V2 : isolementSelon m = N2 / N1m: Rapport de transformation 2 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 3. Transformateur monophaséLe transformateur est un une machine électrique permettant de modifier les amplitudes des grandeurs électriques alternatives (tension et courant).1.1 Constitution : Circuit ferromagnétique fermé, feuilleté et de grande perméabilité. Plusieurs enroulements Pl i l t Un enroulement primaire alimenté par la source. Un ou plusieurs enroulements secondaires débitant sur des chargesRemarque : vu que ces enroulements sont galvaniquement isolés, celui-ci est utilisé dans certains cas comme appareil d’isolement. N1 Spires N2 Spires 3 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 4. Circuit magnétique Le circuit magnétique duntransformateur permet decanaliser le flux produit parlenroulement primaire. Pour réduire lé h ff P éd i léchauffement par tcourant de Foucault, il est forméde tôles parallèles à la directiondu flux et isolées les unes desautres (circuit magnétiquefeuilleté). ) Les tôles sont laminées à froid(tôles à cristaux orientés) etprésentent une directionprivilégiée du flux, dans le sensdu laminage laminage. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 4
  • 5. Noyau / Culasse•Le noyau (colonne) porte les bobinagesqui sont circulaires de façon à mieuxrésister aux efforts électrodynamiques. y q•La culasse ne porte pas de bobines. Sasection est généralement plus simple quecelle du noyau.•La section du noyau doit donc sinscriredans un cercle, lencombrement minimalétant obtenu pour une section circulaire. core cross sections: adaption to circle 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 5
  • 6. Les joints Le problème est de raccorder lesnoyaux sur les culasses, au moyen y , ydun joint aussi simple que possible,avec des pertes minimales. Le joint plan facilite le montage et ledémontage des bobinages. Lesparties des noyaux et culasse àassembler sont usinées usinées. Un joint isolant est nécessairepour éviter les courts-circuitsmagnétiques. Le joint enchevêtré est la solution jclassique. Le montage est fait tôle partôle. Les qualités magnétiques du jointsont meilleures. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 6
  • 7. Technologies des JointsLa qualité du j q joint p peut être encoreaméliorée par les coupes obliques à45° permettant une meilleurecirculation du flux dans le sens dulaminage. Elimination des joints dans les circuits magnétiques en bande !!! g q Circuit magnétique en bande 7 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 8. Le bobinage Cales en bakélite Isolants Galette isolée et imprégnée p g en cuivre émaillé --- Transformateur triphasé --- Bobinage en bande de cuivre basse tension-fort courant2010-2011 Mohamed ELLEUCH 8
  • 9. Transformateurs Refroidis à l’huile Transformateur placé dans une cuve2010-2011 Mohamed ELLEUCH 9
  • 10. Transformers Transformateur parfait2010-2011 Mohamed ELLEUCH 10
  • 11. ModélisationOn commence par le transformateur parfait (idéal) !Hypothèses: pas de pertes dans les conducteurs pas de pertes dans le noyau magnétique perméabilité infinie du circuit magnétique (Réluctance=0) couplage magnétique parfait des enroulements 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 11
  • 12. Transformateur parfait (1) Hypothèses • Circuit magnétique •Pertes par effet Joule : rj = 0 (j = 1..k) •Flux de fuites sont nulsEquations de fonctionnement • Equations des tensions Si 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 12
  • 13. Transformateur parfait (2)Avec m : rapport de tA t d transformation f tiRemarques :• m >1: transformateur élévateur 1:• m<1: transformateur abaisseur• m = 1 : transformateur d’isolementRelation de Boucherot 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 13
  • 14. Transformateur parfait (3)• Equation aux intensités:• *Théorème d’Ampère – Relation d’Hopkinson Théorème d Ampère d Hopkinson• Les AT primaires servent à compenser les AT secondaires• S b l Symbole: Diagramme vectoriel2010-2011 Mohamed ELLEUCH 14
  • 15. Propriétés des transformateurs parfaits Comportement énergétique p g qImpédance ramenée 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 15
  • 16. GénéralisationOn peut ramener au primaire d’un T P une partie de l’impédance d un T.P l impédance secondaire en la divisant par m², on peut également ramener du primaire une impédance z1 au secondaire en la multipliant par m². 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 16
  • 17. Transformateur réel• Toutes les hypothèses du transformateur parfait sont à reprendre, à savoir : Il y a présence des pertes : – Joule au primaire (de résistance r1) et secondaire de résistance (r2) – F Ferromagnétiques (Foucault et hystérésis) éti (F lt t h té é i ) De même, chaque enroulement traversé par un courant présente un flux de fuite . Circuit magnétique réluctant :(Réluctance non nulle!) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 17
  • 18. équations de fonctionnement2010-2011 Mohamed ELLEUCH 18
  • 19. Mise en équationsSecondaire (Générateur): ( ) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 19
  • 20. Equation des A T Φ = cteComme: 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 20
  • 21. Schéma équivalent I10r2010-2011 Mohamed ELLEUCH 21
  • 22. Etude du transformateur par l’hypothèse de Kapp• L’hypothèse de Kapp consiste à négliger le courant primaire à vide devant le courant de charge,• ce qui est d’autant vérifié que la charge est importante d autant importante.• Cette hypothèse se traduit par l’élimination dans le schéma équivalent de l’impédance magnétisant e .Paramètres ramenés au secondaire:• Résistances ramenées au secondaire:• Inductances ramenées au secondaire:• m Xs Rs I2 U1 U2o U2 Schéma équivalent du transformateur :   paramètres ramenés au secondaire Schéma équivalent du transformateur : paramètres ramenés au secondaire 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 22
  • 23. Schéma équivalent: paramètres ramenés au primaire • Résistances et inductances ramenées au primaire, désignées parfois par Rk et Xk.Ordre de grandeur de Xs et Rs- Transfos: 380V/63kV ou 220V/63kV Rs et Xs en mΩ 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 23
  • 24. Schéma corrigé• Parfois, P f i pour tenir compte du courant magnétisant et des pertes fer, on t i t d t éti t td t f « corrige » le schéma équivalent en branchant sous la tension l’impédance magnétisante Zµ, formée de Rf et Xµ en parallèle, qui absorbe P10 et Q10 m Xs Rs I2 Io Ioa Ior V1 V2o V2 Rf Xµ Fig. 1. Schéma équivalent du transformateur I 2 I1 I10 Rp=0,20Ω Xp=0,750Ω I2 m0 U1 R0=300Ω Xm=80Ω U 2 U2 Figure 1a : Schéma équivalent du transformateur :  Paramètres ramenés au primaire 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 24
  • 25. Etude de la chute de tensionDéfinitionDéfi iti : ΔU• Expression approchée 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 25
  • 26. Variations de ΔU 262010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 27. Valeurs relativesPour déduire une valeur relative on compare sa grandeur en unité SI avec relative,la grandeur de base correspondante.Exemple : le courant magnétisant relatif exprimé en % est : 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 27
  • 28. Valeurs relatives• La chute de tension relative: 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 28
  • 29. Valeurs réduites « standard » Exemples Remarque:2010-2011 Mohamed ELLEUCH 29
  • 30. Etude du Rendement Formules et pertes2010-2011 Mohamed ELLEUCH 30
  • 31. Rendement Maximum2010-2011 Mohamed ELLEUCH 31
  • 32. Ordre de grandeur2010-2011 Mohamed ELLEUCH 32
  • 33. Essais standardsEssai à vide: Po I1o(paramètres du schéma équivalent) U1nle transformateur , alimenté sous U1nabsorbe: U20• Po (≈ pertes fer); m Xs Rs I2 Rf = (U1n)²/ Po; Io•I1o (Courant à vide) Ioa Ior (Qo)² = (I1o.U1n)²-(Po)² ; Xµ = V1 V2o V2 Rf Xµ (U1n)²/ Qo•On mesure la tension secondaire U2O m = U2O/U1n Fig. 1. Schéma équivalent du transformateur 33 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 34. Essais standardsEssai en court-circuit: P1C I1CC Csous la tension d’alimentation réduiteU1ccn, le transformateur absorbe: U1C C• le courant I1cc = I1n et I2cc = I2n I2CC Rs = P1ccn/(I2cc)² P1cc Zcc m Xs Rs I2cc•et la puissance P1ccn. Io X Ioa IorZs = [Rs)²+ (xs)²]0.5 = mU1ccn/ I2cc U1cc Rf Xµ mU1cc I2cc A Xs = [(Zs)²- (Rs)²] 0.5 Fig. 1. Schéma équivalent du transformateur 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 34
  • 35. Ucc% et pj%2010-2011 Mohamed ELLEUCH 35
  • 36. Quelques caractéristiques d’un transformateur On ajoute aussi le type de refroidissement2010-2011 Mohamed ELLEUCH 36
  • 37. Données de transformateursSn Po Io pjn Ucc ΔU(%) Rendement(%); Cosφ2 = 0.8 AR 08(kVA) (W) (%) (W) (%) Cosφ =0.8 Cosφ =1 I2n=50% I2n=75% I2n=100% 372010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 38. Refroidissement 382010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 39. •Fin Fin Transformateur Monophasé2010-2011 Mohamed ELLEUCH 39
  • 40. Three-phase transformer Transformateur triphasé à 3 colonnes 100 kVAa) Refroidi à l’air libre b) refroidi à l’huile (placé dans une cuve)2010-2011 Mohamed ELLEUCH 40
  • 41. é1. Constitution :Circuit Magnétique :Circuits magnétiques symétriques :Ci it éti ét i • Culasse en étoile Y • Culasse en delta Δ • Trois éléments monophasés 2010-2011 41 Mohamed ELLEUCH
  • 42. Circuits magnétiques asymétriques Culasse droite à 4 ou 5 noyaux (fluxlibre) Culasse droite à 3 noyaux (flux forcé) a   a   b   c   o b  c  o       Flux Flux  homopolaire!En régime équilibré  o   0En régime déséquilibré  o   0 et doit se refermer par un nouveau chemin: La 4 La 4ème/5ème colonne si elle existe colonne si elle existe L’air ou la cuve dans le cas du 3 colonnes  régime dangereux! g g 42 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 43. EnroulementsChaque noyau porte :‐ Un enroulement primaire n1 spires‐ Un ou plusieurs enroulements secondaires n2 spiresCouplage des enroulementsComparaison des couplagesTension liT i ligne composée : U ; é Courant en C tligne : ICouplage D: Tension aux bornes de chaque  p g qenroulement : U;  Couplage YC l 43 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 44. L’AutotransformateurL’autotransformateur est constitué par unseul enroulement placé dans un circuitmagnétique fermé.L’autotransformateur peut être abaisseur de tension Fig.a ouélévateur de tension Fig..b è 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 44
  • 45. Utilisations 452010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 46. Autotransformateur Triphasé2010-2011 Mohamed ELLEUCH 46
  • 47. Désignation des modes de refroidissement2010-2011 Mohamed ELLEUCH 47
  • 48. Modes de refroidissement Transformateur dans l’huile2010-2011 Mohamed ELLEUCH 48
  • 49. Modes de refroidissement Transformateur dans l’huile l huile2010-2011 Mohamed ELLEUCH 49
  • 50. FIN Transformateurs2010-2011 Mohamed ELLEUCH 50