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Le transformateur monophasé regroupe différent type de transformateur ( autotransformateur, à fuite magnétique, etc.) pour des emplois très divers ( jouets, protection des personnes, appareils utilisant habituellement des piles, ballast de lampes à décharge, etc...).
Le plus souvent le transformateur sert à transformer une énergie électrique en une autre énergie électrique dont la tension est différente. Il est donc impossible ( tout comme pour un moteur par exemple) de considérer le transformateur comme un récepteur électrique. Le récepteur sera l'appareil raccordé au secondaire du transformateur. La puissance et donc le courant absorbé par le primaire du transformateur est donc indépendant de ce transformateur ( tout comme le courant absorbé par un moteur ne dépend pas de la valeur notée sur la plaquette signalétique mais de la charge du moteur).
Comme son nom l'indique ce type de transformateur comprend une alimentation alternative
monophasée (tension primaire, notée U1) qui alimente une bobine appelée bobine primaire.
Cette bobine est fixée sur un conducteur de champ
magnétique à très faible réluctance dont les pertes magnétiques sont les plus
petites possibles. Le flux magnétique sert de liaison entre
le primaire et le secondaire ( seulement si le flux n'est pas constant). Le secondaire est
constitué d'une autre bobine comprenant un nombre de spires différents que celui du
primaire. Au borne de cette bobine, on y mesure une tension ( tension secondaire, notée U2).
Lorsqu'on raccorde une impédance au secondaire un courant secondaire (noté I2)
circule. Le secondaire peut être considéré comme une source de
tension commandée par une tension.
Le courant dans la bobine du secondaire est d'un sens tel qu'il engendre un flux magnétique (voir relation entre courant et flux magnétique) qui s'oppose au flux inducteur ( merci M. Lenz). Le flux magnétique globale diminue ce qui engendre une modification (une diminution si I2 croît) de la valeur de l'inductance de la bobine primaire. Et donc une variation (diminution ) de la réactance d'induction et par là-même de l'impédance de la bobine primaire. Si l'impédance varie (diminue), le courant primaire varie (augmente) aussi.
La puissance soutirée au secondaire est ainsi rapportée au primaire.
A vide le transformateur n'est traversé que par un tout petit courant, et se comporte comme une inductance (presque) pure.
note 1 : la tension secondaire est une tension sinusoïdale de même fréquence que celle du primaire
note 2 :ors de l'emploi d'un transformateur à d'autres fréquences que celle du réseau ou celle préconisée par le fabriquant, il se peut tout a fait que l'effet capacitif des enroulements deviennent prédominant et que l'on ai alors à faire à un "récepteur" bobiné capacitif.
Si l'on observe les formules liées aux transformateurs, on remarque que plus le nombre de spire du primaire ( N1) est grand par rapport à celui du secondaire ( N2), plus U2 sera petit. (transformateur directement combiné avec une prise réseau pour obtenir des tensions équivalente à celle de piles (6V, 9V, etc..).
Le transformateur est une machine réversible : si on alimente le secondaire, on obtient une tension au primaire. Donc Il peut également fonctionner pour élever la tension.
Le rapport des tensions primaire et secondaire se nomme : rapport de transformation ( m ou ü).
Dans certain cas, il peut même pour des questions de sécurité avoir les mêmes tensions primaire et secondaire ( transformateur de séparation).
Du point du vue de la construction, les enroulements sont plutôt superposés ce qui diminue les pertes magnétiques.
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Le transformateur de séparation est construit avec deux enroulements ( si monophasé sinon 6 enroulements pour du triphasé) qui n'ont absolument aucune liaison électrique entre eux.
Ce type de transformateur les formules relatives à ce transformateur sont les mêmes que celle du transformateur "normal".
On utilise un tel transformateur là où la sécurité l'exige. C'est à dire où l'emplacement de travail avec des appareils électriques présente de grande surface conductrice ( cuve métallique). Le secondaire du transformateur étant totalement isolé du primaire, donc aussi du conducteur de protection et donc de toutes parties conductrices du bâtiments ou d'objets, lors défaut d'un appareil, nul courant ne peut traverser le corps humain ( puisque aucun retour possible). Bien sûr on ne peut raccorder et utiliser qu'un seul appareil à la fois car il est impossible d'exclure tout risque de défauts simultanés et alors de permettre un passage du courant électrique dans le sens source - défaut de l'appareil 1 - corps humain (avec effets néfastes)- éléments conducteurs ( cuve) - défaut de l'appareil 2 - retour à la source.
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La particularité de l'autotransformateur réside dans son unique enroulement. Un des fils est commun primaire et secondaire, un autre sert d'alimentation pour la partie primaire. Un troisième fils touche en 1 endroit l'unique enroulement. Le nombre de spires compris entre le fil du primaire et le commun est N1 alors que celui entre le fil secondaire et le commun est N2. |
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exemple :Si U1 = 150 V, U2 100 V et Z2 = 10 ohms alors : I2 = 10 A I1 =6,67 A I = 3,33 A
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Ce type de transformateur fonctionne très bien grâce à la self-induction (induction propre de la bobine sur elle même - à la source du déphasage courant - tension).
Un fil étant commun au primaire et au secondaire, il ne faut absolument pas l'utiliser là où la sécurité (NIBT) impose l'emploi de transformateur de séparation ( par exemple utilisation d'appareil électrique dans un cuve métallique).
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Il s'agit d'un transformateur monophasé qui fonctionne comme un autotransformateur.
Il est construit avec un enroulement bobiné sur un noyau torique ( en cercle). La prise de la tension secondaire se fait entre un fil commun et une spire de l'enroulement par un balai.
Ce transformateur permet des réglages en continu de la tension (alternative) secondaire ( souvent de 0 à 110 %).
Un fils étant commun au primaire et au secondaire, il ne faut absolument pas l'utiliser là où la sécurité (NIBT) impose l'emploi de transformateur de séparation ( par exemple utilisation d'appareil électrique dans un cuve métallique).
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Ce type de transformateur est particulier dans sa construction. Il est construit avec une bague bobinée qui représente le secondaire du transformateur, le primaire étant le fil ou la barre de cuivre qui passera à l'intérieur de l'anneau.
Le TI est principalement utilisé pour alimenter des compteurs d'énergies. Lorsque le courant nominal est important (généralement dès 100 A) la section des fils devient trop grande pour fabriquer de petit compteur d'énergie. Dans ce cas on installe sur chacun des conducteurs polaires ( phases, L1, L2, L3) un transformateur d'intensité. Le courant maximal aux secondaire du TI est de 5 ampères. Il existe différent rapport de transformation primaire / secondaire ( par exemple 100 / 5 A). Le compteur d'énergie électrique ne mesure alors qu'une partie ( proportionnelle) de l'énergie réellement consommée. Pour connaître la vraie quantité d'énergie à comptabiliser ( à facturer), il suffit de multiplier la consommation indiquée par le facteur de transformation.
note : dans le commerce on trouve des petits compteurs "privés" dont le courant maximum est de 5 ampères. Donc pour des intensités plus élevées, il faut obligatoirement utiliser un TI.
La désignation des bornes est "K, L" au primaire et "k, l" au secondaire . Les bornes "l" seront raccordées au conducteur de protection
Lors de l'installation d'un tel transformateur il est d'usage de raccorder également une "boîte à bornes". Son utilité est de pouvoir mettre en court-circuit le secondaire du TI ( le courant maximum sera de 5A et donc sera supporté par les enroulements primaires et secondaires sans aucun problème) lors d'une déconnexion du circuit secondaire ( par exemples . remplacement d'un ampèremètre ou du compteur).
Si le circuit secondaire se trouve "ouvert" alors qu'un courant circule dans le circuit primaire il y a un très grand risque de destruction du TI.
En effet : S1 = S2 ( les puissances apparentes primaires et secondaires sont toujours ( environs) égales.
donc U1 . I1 = U2 . I2 . Si l'on coupe le circuit secondaire, le courant I2 est nul alors que S1 ne l'est pas. Pour garder l'équilibre S1 = S2, la tension secondaire U2 doit augmenter ( théoriquement à l'infini) ce que le bobinage aura de peine à supporter.
La pince ampèremétrique fonctionne selon le même principe que le TI.
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La construction d'un transformateur triphasé est électriquement identique à trois transformateur monophasé. Physiquement on trouve trois noyaux (colonnes) sur lesquels sont enroulés chaque fois une bobine primaire et une bobine secondaire; ces noyaux étant reliés par des traverses (culasses) à faible réluctance magnétique.
Le calcul des transformateur triphasé se diffèrent que très peu de celui du monophasé.
On distingue plusieurs types de couplage :
couplage primaire | caractéristiques | couplage secondaire | caractéristiques |
étoile (Y) | tension de phase plus base | étoile (y) | réseau secondaire avec neutre (dissymétrique) |
triangle (D) | courant dans les bobines moins grand | triangle (d) | réseau secondaire sans neutre (symétrique) |
zigzag (z) | réseau secondaire avec neutre fortement dissymétrique. |
consiste à diviser les trois bobines secondaire (couplées en étoile) en deux et de placer les demi-enroulements sur deux colonnes différentes. Ce type de construction permet de rapporter la puissance secondaire sur deux enroulements primaires différents et de mieux répartir les charges au primaire.
Une tension de phase est donc composée de deux demi-tensions décalée de 120 degrés entre elle. La somme - vectorielle - de ces tensions n'est plus égale (mais plus petite) à celle -arithmétique - de deux demi-tensions en phase. Pour compenser cette diminution de l'amplitude de la tension, en augmente le nombre de spire secondaire d'un facteur 2/30,5 ( environs 1,16).
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Ce type de transformateur est rarement utilisé car il sert à diminuer la tension à disposition dans le but de faire des mesures. Ce n'est donc que chez les distributeurs que l'on emploie ce type d'appareil.
La tension au secondaire d'un TU est de 100 V.
La désignation des bornes est "U, V" au primaire (HT) et "u, v" au secondaire (BT) . Les bornes "v" seront raccordées au conducteur de protection
Lors de l'installation d'un tel transformateur il faut absolument placer des coupe-surintensité ( fusibles) dans le circuit secondaire pour éviter des courants très élevés qui pourraient détruire le TU.
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Pour déterminer les pertes à vides et les pertes en charge d'un transformateur, on pratique 2 essais :
1) essais à vide
L'essai à vide se pratique avec le secondaire ouvert, et la tension nominale au primaire. La mesure de la puissance primaire correspond aux pertes fer ( hystéresis et courant de Foucault). Ce type de pertes sont constantes quelque soit la charge du transformateur.
note : les pertes cuivre (Joule) dans l'enroulement primaire ( R .I2) sont négligeables par rapport aux pertes fer car le courant primaire est très petit à vide.
2) essais en court-circuit :
Cet essai se pratique en faisant un court-circuit au secondaire du transformateur. Le courant primaire doit être égale au courant nominal, pour cela il faut diminuer la tension primaire. La puissance mesurée au primaire est celle due aux pertes cuivre ( R .I2) des enroulements primaire et secondaire.
note : les pertes fer sont négligeables par rapport aux pertes cuivre car le courant primaire est très grand..
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dS_de_M