TRANSFORMATEUR MONOPHASE

TRANSFORMATEUR MONOPHASE
Les parties à préparer avant la séance sont encadrées. Au début de chaque séance,
l’enseignant vérifiera que ce travail de préparation a bien été réalisé.
OBJECTIFS DE LA MANIPULATION
Le but principal de cette manipulation est de valider expérimentalement un modèle pour un
transformateur de tension en régime sinusoïdal établi, en vue de prévoir son comportement
électrique externe autour du point de fonctionnement nominal.
Le modèle étudié est précis pour décrire les transformateurs employés sur les réseaux alternatifs de
distribution de l'énergie électrique travaillant à basses fréquences. Dans ce cas, leur
fonctionnement reste proche de celui d'un transformateur idéal. Néanmoins, ce modèle peut aussi
être utilisé, en première approximation, pour des transformateurs de petites puissances utilisés
dans les alimentations de dispositifs électroniques, qu'il s'agisse d'alimentations linéaires pour
lesquelles le transformateur est directement couplé au réseau, ou d'alimentations à découpage pour
lesquelles le transformateur travaille en régime périodique non sinusoïdal à plus hautes fréquences.
A l'issue de la manipulation (et après consultation du cours !), l'étudiant doit :
- connaître la signification des différents paramètres du modèle d'un transformateur (schéma
électrique équivalent) et les ordres de grandeurs comparés,
- identifier ces paramètres au moyen de mesures à puissance réduite (essais à vide et en court
circuit en régime harmonique),
- utiliser ce modèle pour prévoir le comportement en charge (caractéristiques de sortie, courbes de
rendement) et comparer aux mesures,
- établir un bilan de puissance et détailler les différentes pertes.
MATERIEL MIS A DISPOSITION
La liste du matériel nécessaire pour effectuer cette manipulation est la suivante:
- un transformateur monophasé démontable 220V/110V-400VA,
N=440 spires
S=1,56.10-3 m²
- un générateur alternatif variable (autotransformateur) 0-220 V,
- une alimentation continue 5V/5A (ou autre, fournie par l'enseignant),
- un wattmètre numérique, utilisable aussi en voltmètre et ampèremètre,
- une charge résistive constituée d'un (ou deux) rhéostats pouvant accepter un courant de 5A au
moins,
- une self à fer variables et pouvant accepter un courant de 5A,
- un boîtier de commutation, qui permet d'utiliser les mêmes appareils de mesure au primaire et au
secondaire du transformateur.
PRECAUTIONS ET RECOMMANDATIONS
Il est impératif :
- de faire vérifier le montage à chaque modification de câblage,
- de prendre soin de ne pas dépasser les valeurs nominales de courant et de tension, aussi
bien au primaire qu’au secondaire.
Transfo - 1
MANIPULATION
Le modèle du transformateur utilisé dans ce TP est celui vu en cours (figure 1).
I1
I2
I10
V
1
R0
l j
r
V
2
0
L
0 j
V
2
m
Figure 1 : Schéma équivalent
1 - DETERMINATION DES PARAMETRES DU SCHEMA EQUIVALENT
L'objet de cette partie de la manipulation est de montrer comment déterminer les paramètres du schéma
équivalent sans devoir travailler à puissance nominale, à partir d'essais à puissance réduite. Le bon
dimensionnement du transformateur peut ainsi être vérifié sans risque, avant sa mise en service. Cette
démarche est absolument nécessaire sur les transformateurs de moyenne et forte puissance. Le
caractère prédictif du modèle est ainsi utilisé. Il est bien sûr intéressant que ces essais soient les plus
simples possibles. Le montage est toujours celui de la figure 2.
Transformateur
220V/110V
+
Cordon
220 V
Réseau 220 V
Autotransformateur
I1
V1
Primaire
I1
*ENTRÉES I2 *
V2 *
*
Secondaire
V1
I2
CC
MESURES
V *
A *
I
*
V*
W
Figure 2 : Plan de câblage
Transfo - 2
V2
Charge
variable
1-1 Plaque signalétique
Au moyen de la plaque signalétique du transformateur, relever ou déterminer les valeurs nominales
pour la puissance apparente fournie au secondaire S 2 n , la tension secondaire V2 n et le courant
secondaire I 2 n , la tension primaire V1n et le courant primaire I1n .
1-2 Mesure de la résistance des enroulements primaire et secondaire
Mesurer les résistances des enroulements primaire et secondaire ( r1 et r2 ) par une méthode voltampèremétrique : préciser le type de montage (courte ou longue dérivation) à utiliser.
1-3 Essai à vide
Lorsque le transformateur fonctionne à vide, le schéma équivalent proposé correspond à celui de la
figure 3.
Le transformateur étant alimenté au primaire sous tension nominale et le secondaire étant non chargé (à
vide), mesurer la tension secondaire V2 0 , le courant primaire I 10 et la puissance active absorbée au
primaire P10 .
Donner les formules permettant de calculer R0 et L0 en fonction de V1n et P10 (ou Q10).
Quel type de pertes représente donc effectivement la résistance R 0 ?
A partir de ces mesures, déterminer le rapport de transformation m, la résistance R 0 permettant de
représenter les pertes à vide et l'inductance magnétisante L 0 .
Donner l’expression des pertes joules à vide dans le bobinage primaire.
Calculer les pertes cuivre à vide dans le bobinage primaire et comparer à P10 .
Observer à l’aide de l’oscilloscope le courant et la tension au primaire du transformateur pour V1=70
V, 110 V, 160V et 220 V.
Donner la relation entre la valeur efficace de la tension appliquée au primaire, sa fréquence, l’induction
dans le circuit magnétique, le nombre de spires du bobinage et section du circuit magnétique (relation
de Boucherot).
A partir de la relation de Boucherot, calculer le champ d’induction maximal dans le circuit magnétique
pour chacune des tensions étudiées.
Connaissant le cycle d’hystérésis du matériau magnétique (figure 3), interpréter l’allure du courant
mesuré et son évolution en fonction de la tension appliquée.
Figure 3 : Cycle d’hystérésis du matériau magnétique
Transfo - 3
1-4 Essai en court-circuit
Dans cet essai, le secondaire est en court circuit et la tension primaire est réglée de façon à obtenir le
courant nominal au secondaire I 2 n . Le schéma équivalent se réduit alors à celui de la figure 4. On
justifiera dans la suite pourquoi les influences de R 0 et L 0 sont négligées.
I1cc
I2cc
l j
+
r
V
1
cc
m
Figure 4 : Schéma équivalent pour l'essai en court-circuit
Régler la tension primaire à 0 Volts et placer le secondaire en court circuit. En augmentant
progressivement la tension primaire, amener le courant secondaire au courant nominal. Relever alors
V1cc , I 1cc et P1cc .
Donner les formules permettant de calculer r et l en fonction de V1cc et P1cc (ou Q1cc).
m 2 r1 .
A partir de ces mesures, déterminer la résistance r et l'inductance de fuite l. Comparer r à r2
Donner l’expression des puissances actives et réactives absorbées par R0 et L0.
Afin de vérifier que les influences de R 0 et L 0 sont effectivement négligeables dans cet essai, évaluer
par le calcul les puissances active et réactive absorbées par ces éléments et les comparer à P1cc et Q 1cc .
2 - FONCTIONNEMENT SUR CHARGE R-L
Le schéma équivalent du montage étudié correspond à la figure 5. La charge variable est constituée
d'un rhéostat et d'une self réglable en parallèle.
I1
I2
I10
+
Source
V
1
R0
l j
r
V
2
0
L
0 j
V
2
Charge
m
Transformateur
Figure 5
2-1 Approximation de Kapp de la chute de tension - Rendement
Rappeler l’approximation de KAPP de la chute de tension au secondaire du transformateur.
En déduire la relation entre V2 et cos
2
lorsque I2 est fixé.
Transfo - 4
Déterminer l’expression du rendement du transformateur
différentes pertes dans le transformateur. Donner l’allure de
en fonction de V2, I2, cos
en fonction de cos
2
2
et des
lorsque toutes les
autres grandeurs sont fixées.
2-2 Etude du fonctionnement nominal
Pour V1 V1 n et I 2 I 2 n , tracer expérimentalement les courbes V2 (cos
mesurer I1 , P1 , P2 et V2 pour quelques valeurs de 2 (5points suffisent).
2
) et (cos
2
) . Pour cela,
Tracer la courbe expérimentale de la tension délivrée par le transformateur en fonction cos 2, puis la
courbe V2 (cos 2 ) théorique pour V1 V1 n et I 2 I 2 n dans la gamme mesurée de 2. Conclusion.
Tracer la courbe expérimentale du rendement en fonction cos 2, puis la courbe (cos
pour V1 V1 n et I 2 I 2 n dans la gamme mesurée de 2. Conclusion.
***
Transfo - 5
2
) théorique
Transfo - 6
Transfo - 7
Transfo - 8
Transfo - 9
Transfo - 10
Transfo - 11
Transfo - 12