Exposé Transformateur [PDF]

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Généralité sur les transformateurs

Les transformateurs

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Généralité sur les transformateurs

I Introduction Le transformateur de puissance est l’élément clé dans le réseau électrique. Sa non fiabilité n'affecte pas uniquement la disponibilité en énergie électrique, mais aussi, elle conduit à des pénalités technico-économiques, très lourdes en conséquences (techniques, financières, commerciales, environnementales) ; d’où la nécessité de détecter et d’identifier dès les premiers stades les défauts latents pour une éventuelle action préventive. Les transformateurs sont principalement utilisés dans : • La gestion du transport et de distribution d'énergie. • la sécurité de la séparation électrique. • des circuits de mesure. • alimentation des circuits électroniques.

1-Qu'est-ce qu'un transformateur ? Un transformateur a pour but de modifier les amplitudes des grandeurs électriques alternatives: il transforme des signaux de tension et de courant de fréquence donnée en signaux de même fréquence mais de valeurs efficaces différentes. L'une des particularités du transformateur est qu'il a un rendement très élevé, souvent proche de 100 % : dans les gros transformateurs, on a moins de 1 % de pertes. Pour simplifier, nous ne considérerons ici que le cas du transformateur monophasé, mais les principes physiques abordés s'appliquent aussi au cas du transformateur triphasé.

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2-Pourquoi utiliser un transformateur ? Le transformateur joue un rôle important dans le transport et la distribution de l'énergie électrique. En effet, si l'on s'intéresse auxpertes en ligne lors d'un transport de puissance électrique, et plus particulièrement aux pertes Joule, ces-dernières sont, quel que soit le conducteur, d'autant plus importantes que le courant électrique est élevé. Or, à puissance transportée constante, l'utilisation d'une tension plus élevée implique un courant électrique plus faible puisque, d'une manière générale et quel que soit le nombre de phases utilisées, la puissance électrique est proportionnelle au produit de la tension par le courant I : P=V*I De fait, afin de limiter au maximum les pertes en ligne, il faut transporter un courant aussi faible que possible : quand les distances deviennent importantes, le transport de l'énergie électrique ne peut se faire qu'à très haute tension. Il est donc nécessaire d'élever la tension fournie par les générateurs avant de la transporte, ret pour cela d'utiliser des transformateurs. D'un autre côté, les tensions élevées demandent une maîtrise plus importante. Pour des raisons de sécurité, tournant notamment autour de problèmes d'isolation des conducteurs, ou lorsqu'il n'est pas nécessaire de transporter l'énergie sur de longues distances, on n'a pas toujours recours à l'utilisation des hautes tensions. En particulier, il n'est pas envisageable de câbler les bâtiments avec des tensions très élevées : une fois le transport effectué, l'énergie électrique doit être distribuée sous la forme de basses tensions et l'on doit par conséquent avoir là aussi recours à un transformateur. En résumé, le transformateur permet à l'énergie électrique d'être transportée à longue distance de façon économique et distribuée dans les industries et les habitations.

3-Les différents types de transformateurs : 3-1-Transformateur de courant : Le transformateur de courant permet de mesurer la valeur de courant en vue d’une protection des appareils, ce transformateur se charge de transformer le courant en la valeur parfaite du circuit si le courant dans le circuit est trop haut pour être fourni à l’outil de mesure.

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Figure 1 : Transformateur de courant 3-2-Transformateur de puissance : Est utilisé dans les réseaux qui se chargent de la transmission de tension élevée, ses valeur nominales sont entre 400 KV, 66 KV, 33KV et 110 KV.

Figure 2 : Transformateur de puissance 3-2-1-Principe de fonctionnement Un transformateur comprend essentiellement deux circuits électriques montés sur un circuit magnétique, l’un des circuits électriques dit enroulement primaire comporte N1 spires étant raccordé à une source de tension alternatif U1, le courant I1 qui traverse cet enroulement donne naissance à un flux фm dans le circuit magnétique. Ce flux induit une force électromotrice dans le deuxième enroulement dit « enroulement secondaire » de N2 spires aux bornes duquel apparait une tension U2

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Fig3 : Schéma de principe de fonctionnement d’un transformateur de puissance.

3-2-2-Utilisations de transformateur de puissance

Les transformateurs de puissance sont des appareils très employé dans les réseaux électriques et les applications industriels. la sortie des centrales électriques. Transport d’énergie électrique. Distribution d’énergie électrique. les applications industrielles (transformateur de four et sous-station ferroviaires). Un transformateur peut assurer deux fonctions : élever ou abaisser une tension alternative monophasée ou triphasée, assurer l’isolation entre deux réseaux électriques (isolation galvanique entre deux réseaux électriques).

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Fig 4: Emplacement d’un transformateur dans le réseau électrique

3-3-Transformateur de distribution :

C’est un type de transformateur électrique

qui dispose des cotes qui sont basses tel que 11 KV ; 3,3 KV, 440 V, 230 V, 6,6 KV. Sa capacité nominale est en dessous de 200 MVA. Il est le plus utilisé au sein des réseaux de distribution de transformation de tension dans les réseaux électriques.

Figure 03 : Transformateur de distribution 3-4-Transformateurs triphasés : On utilise des transformateurs triphasés pour élever ou abaisser la tension des lignes triphasées de transport de l’énergie électrique en basse fréquence 50 ou 60 Hz).

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Figure 5: Transformateur triphasés

3-4-1-Modèle de Transformateur triphasé : On peut transformer la tension d’une source triphasée à l’aide de trois transformateurs monophasés identiques comme l’indique la Fig 6

Fig 6: Transformateurs à phases indépendantes. Les primaires de ces transformateurs seront : - en étoile - en triangle Pour les bobinages secondaires pourront être couplés que dans les primaires. Dans cette disposition, les flux magnétiques Φ1, Φ2, Φ3, correspondant à des circuits magnétiques

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Généralité sur les transformateurs complètement indépendants. Dans ce cas, on dit qu’il s’agit d’un transformateur triphasé à flux libre.

Fig 7: Schéma d’un transformateur triphasé de type colonne. il est possible de créer un circuit magnétique plus efficace pour le système triphasé -trois colonnes ou trois membres de base (principalement utilisé dans les applications industrielles)

somme des flux est nul dans la colonne centrale 3-4-2-Coupe transversale d'un transfo triphasé à 3 membres :

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3-4-3-Les noyaux de transformateurs triphasés :

3-4-4-enroulements sans culasse supérieure :

Fabrication des enroulements :

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hypothèses sur la charge: - Alimentation au moyen de trois tension triphasées équilibrées. - La charge est faite par trois impédances égales.

Hypothèses sur la machine: - Symétrie magnétique entre phases. - Linéarité magnétique. -Même structure pour chaque phase d'enroulement (primaire et secondaire). connexion en étoile pour les deux enroulements primaires et secondaires (connexion aa).

Toutes les quantités sont celles d’une phase avec V tension composée E= V/√3

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-Le flux homopolaire est nul dans des conditions symétriques et équilibrées. -Chaque colonne fonctionne comme un transfo monophasé.

3-4-5-circuit équivalent pour la connexion Yy :

Dans des conditions équilibrées et symétriques le centre des étoiles ont les mêmes potentiel

3-5-Transformateur monophasé : Le transformateur électrique monophasé est l’appareil statique qui fonctionne sur le principe de la loi de Faraday. Il transfère le courant alternatif d’un circuit vers un autre. En son sein, se trouve l’enroulement primaire vers lequel est fourni l’alimentation de courant alternatif et l’enroulement secondaire auquel la charge se connecte.

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Figure 8: Transformateur monophasé

3-5-1-Constitution d’un transformateur monophasé : Un transformateur monophasé est constitué : – d’un circuit magnétique fermé. – de deux bobinages, enroulés autour du circuit magnétique. Le circuit électrique lié au générateur est appelé le circuit primaire, celui qui est lié au récepteur est appelé le circuit secondaire. Appelons V1 la valeur efficace de 𝑉1 au primaire et V2 la valeur efficace de 𝑉2 au secondaire alors : – Si V1 < V2, le transformateur est dit élévateur. – Si V1 > V2, le transformateur est dit abaisseur. – Si V1 = V2, le transformateur est dit transformateur d’isolement.

Fig 9 : Transformateur monophasé

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3-5-2- Symbole électrique du transformateur : Le transformateur peut être représenté par l’un des deux symboles reportés dans la fig. 7

Fig. 10: Symbole électrique d'un transformateur monophasé

3-5-3-circuit équivalent monophasé : E1= V1//√3

V1 ,V2 Tension de ligne I1, I2 Courant de ligne

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3-6-Essais sur les transformateurs A partir de ces essais on peut déterminer les paramètres du circuit équivalant des transformateurs. Il s’agit des essais suivants : 3-6-1-Essais à vide : L’essai à vide consiste à appliquer la tension nominale en gardent le secondaire à vide. La mesure du courant, de la puissance et de la tension permet la détermination des paramètres et pertes fer (I2=0). Le montage de mesure utilisé sont résumés dans le tableau suivant :

Cas monophasé

Cas triphasé

Circuit de teste

Facteur de

cos( 𝜑) =

nc

1

e

shunt Réactan

=

𝑅ƒ 1

ce shunt 𝑋N

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cos( 𝜑) =

𝐼0

cos( 𝜑)

=

𝐼0 𝑉0

1

=

𝑅ƒ

𝑉0 sin( 𝜑)

𝑃0

√3𝑉0𝐼0

𝑉0𝐼0

puissan ce Résista

𝑃0

1 𝑋N

𝐼0−pℎ𝑎ce

cos( 𝜑)

𝑉0−pℎ𝑎ce =

𝐼0−pℎ𝑎ce 𝑉0−pℎ𝑎ce

sin( 𝜑)

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Tableau (I.1) Essais à vide.

3-6-2-Essais en court-circuit : L’essai en court-circuit permet la détermination des paramètres et pertes joule, consiste à appliquer la tension réduite (valeur minimale) au primaire en gardent le secondaire en court-circuit. Puis on augmente la tension primaire jusqu’à ce que le courant secondaire atteigne sa valeur nominale. On mesure le courant et la puissance de court circuit. Le montage de mesure utilisé sont résumés dans le tableau (I.2).

Cas monophasé

Cas triphasé

Circ

d

uit

e

teste Facteur

d

puissan

e

ce L’impédanc e équivalente

cos( 𝜑) =

𝑃cc

cos( 𝜑) =

√3𝑉cc 𝐼cc

𝑉cc 𝐼cc =

𝑍

𝑉𝐶𝐶

cos( 𝜑)

𝑍 e

eq

q

𝐼𝐶𝐶

=

𝐼𝑐𝑐−𝑝ℎ𝑎𝑠𝑒

cos( 𝜑)

𝑉𝑐𝑐−𝑝ℎ𝑎𝑠𝑒

𝑅 eq

Réactan ce série

𝑋 eq

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=

𝑉𝐶𝐶

𝑃cc

=

𝑃cc 2

3𝐼cc

sin( 𝜑) 𝑋eq = √𝑍eq2 − 𝑅eq2

𝐼𝐶𝐶

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Tableau (I.2) Essai en court-circuit. 3-7-Bilan de puissance :

Figure 11: Schéma de bilan de puissance d’un transformateur. Bilan de puissance égale a :

P1 =PJ1+Pfer+PJ2+P2

3-7-1-Rendement : Le rendement de transformateur par définition égale le rapport de la puissance fournie par le secondaire sur la puissance absorbée au primaire.

Conclusion Dans ce exposé nous avons présenté quelques généralités sur les transformateurs, nous avons aussi donné un aperçu sur les principaux éléments qui les constituent, leur rôle et leur importance dans cette machine statique.

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