Les transformateurs

1
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2
Les transformateurs
3
Le transformateur inventé par Lucien Gaulard
(modèles de 1884 et 1886)
4
But du transformateur
Modifier, changer les tensions alternatives, les
élever ou les Abaisser.
Afin de transporter l énergie électrique avec le
moins de pertes possible.
5
Symbole du transformateur
6
Utilité du transformateurpour le transport
delénergie électrique
7
V 220 V
8
(No Transcript)
9
(No Transcript)
10
V 445 V
11
V 445 V
12
P R.I2 1,5.1502 33750 W
Putile150x22033000 W
13
Pertes gt Putile

Récepteurs détruits
14
La solution ???
Le transformateur
15
(No Transcript)
16
Transfo parfait
La puissance absorbée au primaire est
intégralement fournie au secondaire, il ny a pas
de pertes.
V1.I1 V2.I2
17
V22 220 V
élévateur
abaisseur
18
1,5 ?
T2
T1
I22 150 A
V?
V22 220 V
abaisseur
élévateur
I21 I22 / 25 150/256 A
19
1,5 ?
T2
T1
I22 150 A
6A
V?
V22 220 V
abaisseur
élévateur
R.I 6 x 1,5 9 V
Pertes R.I2 1,5 x 62 54 W
20
1,5 ?
T2
T1
I22 150 A
6A
V?
V22 220 V
abaisseur
élévateur
V12 (25x220 9) 5509 V
21
1,5 ?
T2
T1
I22 150 A
6A
V22 220 V
abaisseur
élévateur
V11 (25x220 9)/25 220,36 V
22
à quoi ressemblent les transformateurs ?
23
Transformateur de poteau 20 kV / 380 V
24
Transfo tri 450 MVA, 380 kV
25
Transformateur d interconnexion de réseau
26
Transformateur triphasé 250 MVA, 735 kV
d Hydro-Quebec
27
15 MVA, 11000V/2968V, Dy1/Dd0, 50 Hz, 30 tonnes
28
Transfo mono 600 kV Pour TCCHT
29
Transformateur sec monophasé 1000 VA 50 Hz,
220V/110 V
30
(No Transcript)
31
Partie active de transfo mono 40 MVA 162/3 Hz,
132kV/12 kV
32
Transformateur triphasé de réglage 40 MVA 50 Hz
140kV/11,3 kV
33
Constitution-Principe
34
Un transformateur comprend
35
Circuit magnétique de transformateur triphasé à 3
colonnes
36
Circuit magnétique de transformateur à 5 colonnes
450 MVA, 18/161 kV
37
Transfo mono pour locomotives 3 MVA, 22,5
kV/2x1637 V, 50 Hz exécution en galettes alternées
38
Pourquoi feuilleter les circuits magnétiques
39
Pourquoi feuilleter les circuits magnétiques
Flux induit, loi de Lenz
40
Pourquoi feuilleter les circuits magnétiques
41
Pourquoi feuilleter les circuits magnétiques
Ces courants créeraient des pertes Joule
suceptibles d échauffer fortement le métal.
42
Pourquoi feuilleter les circuits magnétiques
En feuilletant le métal, on empêche le
développement des courants de Foucault
43
équations du transformateur
44
(No Transcript)
45
?m1
i2
i1


?f2
n2
?f1
n1
-
-
?m2
46
?m1
i1

?f1
n1
-
47
?m1
i2
i1


récepteur
?f2
n2
?f1
n1
-
-
?m2
48
Chaque bobine produit un flux propre
49
(No Transcript)
50
Flux traversant 1 spire du primaire ?1 ? F1
Flux à travers le circuit magnétique
Flux de fuite
Flux à travers le circuit magnétique
Flux de fuite
51
Le flux commun ? est donné par la relation
d Hopkinson
Les flux de fuites se refermant dans l air
52
Rappels la transformation cissoïdale
a(t) A sin(? t ?)
53
Équations du transformateurs
54
Équations du transformateurs
Ces équations ne tiennent pas compte des
pertes fer dans le circuit magnétique.
55
Le transformateur parfait

• n a pas de fuites magnétiques l1 l2 0

• n a pas de pertes Joule R1 R2 0

• n a pas de pertes fer

• possède un circuit magnétique infiniment
  perméable R 0

56
Les équations se simplifient
V1 j ? n1 ?1
V2 j ? n2 ?2
n1 I1 - n2 I2 0
57
On obtient les relations fondamentales suivantes
n2
n1
58
Le flux ? est lié à la tension d alimentation V1
V1
V1 j ? n1 ?1
?
?

? n1
Si la section du circuit magnétique est S,
59
Application
Si un transfo est prévu pour être alimenté, au
primaire, en 220 V 50 Hz, peut-il fonctionner
correctement en 60 Hz ?
Ça fonctionne !
60
Application
Si un transfo est prévu pour être alimenté, au
primaire, en 220 V 60 Hz, peut-il fonctionner
correctement en 50 Hz ?
Nous aurons au moins
61
Nous pourrons même avoir
Ça risque fort de chauffer !
L impédance d une bobine à noyau
ferromagnétique chute lorsque le  fer  est
saturé.
62
(No Transcript)
63
Pour une même d.d.p. , à 60 Hz l intensité passe
moins longtemps dans la bobine primaire au cours
dune demi période quen 50 Hz, B atteint une
valeur moins importante en 60 Hz quen 50 Hz.
Conclusion ne pas utiliser un transfo
en-dessous de sa fréquence nominale.
64
Si la section du circuit magnétique est S,
V ? n1.S
65
n2
?
La phase de V2 et de V1
n1
ou de I1 et I2 est la même.
66
Le rendement d un transformateur parfait est
égal à 1
P1 V1 I1 cos ?1 V2 I2 cos ?2 P2
67
Impédance ramenée du secondaire au primaire ou
réciproquement
Z2
I1
I2

V1
V2
E2
n1
n2
Question posée
Quel est le modèle de Thévenin sur lequel débite
le primaire
68
Z1
I1

V1
E1
Z1 ?
E1 ?
69
à identifier avec
70
n1
E2
E1
n2
71
Cette propriété est utilisée en électronique
pour réaliser des adaptateurs d impédance.
Exemple, on souhaite connecter un
amplificateur dont l impédance de sortie est de
4 ? sur des haut-parleurs d impédance 8 ?.
Le théorème de l adaptation d impédance
nous indique que le transfert d énergie est
optimum lorsque les impédances de sortie et de
charge sont égales.
72
4 ?
?
8 ?

Le transfo est tel que vu du primaire, la
charge apparaisse comme valant 4 ?.
73
Transformateur parfait
V1
I2 0
I1 0
74
Transformateur réel
A
0
V1
I2 0
75
Transformateur réel à vide
à vide ? I2 0
Pour un transfo parfait, I2 0 ? I1 0
Or, un transfo réel absorbe un courant I1 ? 0 si
I2 0.
On ne peut plus négliger R, les équations
deviennent
76
Le bobinage primaire absorbe un courant égal à
77
P 33 du polycop
Relation d Hopkinson n I R ?
Expression de l inductance n ? L I
78
Modélisation du transformateur
79
Schéma équivalent
n2
I2
I1
I2
n1
I10
V2
V1
L1
n2
n1
80
Diagramme de Fresnel
81
Prise en compte des pertes fer
Le flux alternatif provoque des courants de
Foucault qui, bien que diminués par le
feuilletage du circuit magnétique, échauffent ce
dernier.
Le flux alternatif provoque également des pertes
par hystérésis (retournement des petits aimants
élémentaires).
En plus du courant absorbé I10 pour faire
circuler le flux ?, le primaire absorbe une
intensité I1F en phase avec la tension V1 et
responsable des pertes fer.
I1F est une intensité active, en phase avec V1
I10 est une intensité réactive en quadrature avec
V1
82
Pfer V1 I1F V1 I1V cos ?1v
?1v déphasage entre V1 et I1V
83
Les pertes fer sont approximativement
proportionnelles à la tension V1 et
proportionnelles au carré de la fréquence de V1.
84
Schéma équivalent
n2
I2
I1
I2
n1
I1V
I1F
I10
V2
V1
Rf
L1
n2
n1
85
n2
I2 I1V
I1
n1
n2
n1
Lorsque le courant absorbé par la charge placée
au secondaire est très important, I1 gtgt I1V, le
transfo se comporte à peu prés comme un transfo
parfait.
86
Schéma équivalent du transfo réel en charge
Lorsque les courants absorbés sont importants, on
doit prendre en compte

• les chutes de tension dans les résistances
  ohmiques
• des bobinages primaires et secondaires.

• les chutes de tension dans les inductances de
  fuites.

87
Schéma équivalent du transfo réel en charge
l1
l2
n2
I2
R1
R2
n1
I1V
I1F
I10
V1
Rf
L1
Les chutes de tension aux bornes de R1 et l1
étant faibles devant V1, on peut intervertir (Rf,
L1) et (R1, l1).
88
Schéma équivalent du transfo réel en charge
l1
l2
n2
I2
R1
R2
n1
I1V
I1F
I10
V1
Rf
L1
Appliquant le théorème du transfert d impédance,
on peut ramener R1 et l1 au secondaire en les
multipliant par (n2/n1)2
89
Schéma équivalent du transfo réel en charge
En les groupant avec R2 et l2, on pose
90
Schéma équivalent du transfo réel en charge
ls
n2
I2
Rs
n1
I1V
n2
I1F
I10
V1
n1
Rf
L1
91
Localisation des imperfections du transfo
ls
n2
I2
Rs
n1
I1V
n2
I1F
I10
V1
n1
Rf
L1
Réluctance du circuit magnétique
92
Localisation des imperfections du transfo
ls
n2
I2
Rs
n1
I1V
n2
I1F
I10
V1
n1
Rf
L1
Pertes fer
93
Localisation des imperfections du transfo
ls
n2
I2
Rs
n1
I1V
n2
I1F
I10
V1
n1
Rf
L1
Pertes cuivres effet Joule
94
Localisation des imperfections du transfo
ls
n2
I2
Rs
n1
I1V
n2
I1F
I10
V1
n1
Rf
L1
Fuites de flux
95
Équation de Kapp équation de maille du
secondaire
Diagramme de Kapp
96
Détermination des éléments du schéma équivalent
Essai à vide
0
A
V2
V1
V2
n2

n1
V1
97
Détermination des éléments du schéma équivalent
Essai à vide
0
W
A
V1
98
Détermination des éléments du schéma équivalent
Essai à vide
I1F I1V cos ?1v
I10 I1V sin ?1v
I1 très faible, on considère que les pertes
cuivres sont nulles.
99
Détermination des éléments du schéma équivalent
Essai en court-circuit
W
A
A
V1
Le secondaire est en court-circuit, donc le
primaire est alimenté sous faible tension, sinon
100
Détermination des éléments du schéma équivalent
Essai en court-circuit
W
A
A
V1
V1 très faible, on considère que les pertes
fer sont nulles.
101
Détermination des éléments du schéma équivalent
Essai en court-circuit
2
P1cc ? Rs I2cc ? Rs

102
Le diagramme de Kapp se réduit à un triangle
rectangle V2 0
? ls
103
Chute de tension
Diagramme vectoriel de Kapp
n2
V1
.
n1
I2
104
EXERCICES du CHE
105
Transformateur triphasé
106
Il serait possible d utiliser 3 tranfos
monophasés identiques
primaire
secondaire
Primaire en étoile
Les flux magnétiques ?1, ?2, ?3 sont distincts et
indépendants on dit qu il s agit d un transfo
triphasé à flux libres
107
Il serait possible d utiliser 3 tranfos
monophasés identiques
primaire
secondaire
Primaire en triangle
108
Théoriquement, les configurations suivantes
permettraient un gain sur ?
l encombrement ? la masse de fer utilisé
109
En pratique, on réalise les configurations
suivantes
110
Circuit magnétique usuel à 3 noyaux
111
Même si les tensions appliquées ne forment pas un
système triphasé équilibré, on a obligatoirement
?1 ?2 ?3 0
Loi des nœuds appliquée au circuit magnétique
On dit qu il s agit d un transformateur à flux
forcés
112
On utilise parfois des circuits magnétiques à 5
noyaux. Les 2 noyaux latéraux supplémentaires non
bobinés forment un passage de réluctance faible
pour le flux total, ce qui restitue une certaine
indépendance aux flux ?1, ?2, ?3
113
Couplage des transformateurs
114
Mode de connexion des enroulements triphasés
115
Soit l enroulement basse tension secondaire et
ses 3 bornes a, b, c
Bobines en étoiles notation y
116
a
n
117
Bobines en étoiles notation y
118
Bobines en triangles notation d
119
Bobines en triangles notation d
120
Enroulements en zig-zag
a
n
b
a
c
121
Enroulements en zig-zag
a
n
b
a
c
122
Enroulements en zig-zag
123
Enroulements en zig-zag
124
Enroulements en zig-zag
a
c
b
b
n
a
c
125
Enroulements en zig-zag
a
b
c
a
b
n
c
c
b
a
c
a
b
126
Couplage d un transformateur triphasé
127
Les enroulements primaires d un transfo peuvent
être reliés
en étoile, symbole Y
en triangle, symbole D
Les enroulements secondaires d un transfo
peuvent être reliés
en étoile, symbole y
en triangle, symbole d
en zig-zag, symbole z
128
L association d un mode de connexion du
primaire avec un mode de connexion du secondaire
caractérise un couplage du transformateur (Yz par
exemple).
Pour représenter le schéma d un transfo
triphasé, on établit les conventions suivantes,
on note par
A, B, C les bornes du primaire
a, b, c les bornes du secondaire
129
Représentation conventionnelle d un transfo
triphasé
130
Couplage Yy6
A
b
c
a
B
C
131
Indice horaire
Si OA est la grande aiguille (minutes) d une
montre, oa la petite aiguille (heures)de cette
montre, ici la montre affiche 6 heures, d où
Yy6.
132
Indice horaire
Selon le couplage choisi, le déphasage entre
tensions phase-neutre homologues (Van et AAN par
ex) est imposé.
En triphasé, les déphasages obtenus sont
nécessairement des multiples entiers de 30 (?/6).
133
Indice horaire
En posant ? l angle entre Van et VAN , l indice
horaire est donc le nombre entier n tel que ?
n.?/6, avec ? positif, Van étant toujours prise
en retard sur VAN.
? varie de 0 à 330, donc n varie de 0 à 11
VAN aiguille des minutes placée sur 12
Van aiguille des heures placée sur n
134
Indice horaire
Suivant leur déplacement angulaire, on peut
classer les transfos triphasés en 4 groupes
1. groupe de déplacement angulaire nul ? 0 (à
2?/3 près), indice horaire 0 (à 4k près)
2. groupe de déplacement angulaire 180 (ou 60)
indice horaire 6 (ou 2, ou 10)
3. groupe de déplacement angulaire 30 indice
horaire 1 (ou 5, ou 9)
4. groupe de déplacement angulaire -30 (ou
330) indice horaire 11 (ou 7, ou 3)
135
Couplage Dy11
A
a
C
c
b
B
136
A
a
C
c
b
B
137
Couplage Yz11
A
a
b
o
B
C
c
138
Couplage Yd11
A
a
b
B
c
C
139
Les couplages les plus courants sont
Yy0
Dy11
Yz11
Yd11
140
Pourquoi coupler des transformateurs ?
141
S
142
S
143
(No Transcript)
144
Pour que l on puisse coupler à vide 2 transfos
triphasés, il faut que leurs diagrammes
vectoriels coïncident ?
Même rapport de transformation
Même ordre de succession des phases
Même décalage angulaire
Ils doivent donc appartenir au même groupe
Pour avoir une répartition correcte des
puissances entre les 2 transfos en charge, il
faut aussi qu ils aient la même chute de tension
donc pratiquement la même tension de
court -circuit.
145
Rapport de transformation
146
Rapport de transformation
Couplage Dy
V2 m U1
147
Autotransformateur
U1
U2lt U1
148
Autotransformateur
U2gtU1
U1
149
Autotransformateur
Attention pas d isolement entre primaire et
secondaire
Rapport de transformation limité à 2 ou à 1/2 en
pratique
Pas de dissipation par effet Joule comme dans un
potentiomètre
150
Transformateurs de mesure
transformateur de tension
151
transformateur de tension
7000 VA, 80,5 kV, 50 Hz à 60 Hz précision 0,3
hauteur totale 2565 mm hauteur porcelaine
1880 mm huile 250 litres masse 740 kg
152
Transformateurs de mesure
transformateur de courant
calibre 5 A
Ne pas ouvrir le secondaire dun transfo de
courant
153
transformateur de courant
500 VA, 1000/5 A isolé pour 230 kV
154
transformateur de courant
entrée dun poste de transformation, ligne 220 kV
155
transformateur de courant
50 VA, 400/5 A, isolé pour 36 kV
156
transformateur de courant toroïdal
1 spire ligne 600 A
200 spires
3 A
157
?saturation
Ne pas ouvrir le secondaire dun transfo de
courant
158
Thats all Folks !