ELEC 2753 Electrotechnique Transformateurs monophass E MATAGNE ELEC

ELEC 2753 Electrotechnique Transformateurs monophasés E. MATAGNE ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Mise en situation Exemple de problème Exemple de mauvaise solution Exemple de bonne solution 2 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Utilisation pour le transport d’énergie Pour transporter l’énergie électrique sur de grandes distances, on a intérêt à le faire avec un courant faible pour obtenir un compromis plus favorable entre la section des conducteurs (moins de matière et donc moins de poids) ou réduire les pertes ohmique ( en R I 2 ). Le transformateur permet de réduire le courant transporté, au prix d’une élévation de la tension : c’est grâce au transformateur que l’on peut utiliser les lignes haute-tension. Parce que le transformateur ne fonctionne qu’en courant alternatif, la distribution d’énergie électrique en courant alternatif s’est imposée. 3 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Structure des transformateurs Bobines de fil électrique couplées magnétiquement. La présence d’un noyau ferromagnétique permet d’obtenir un meilleur couplage. Si deux bobines séparées, on a l’avantage supplémentaire de l’isolation galvanique (souvent important du point de vue sécurité des personnes). 4 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Dispositions constructives des transformateurs monophasés A colonne A manteau Le noyau est feuilleté pour gêner les courants de Foucault (voir physique T 4). Le noyau de fer se comporte approximativement comme un circuit magnétique…………………donc, nous allons revoir cette notion. 5 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Rappel de bac 1 Lorsqu ’on utilise un noyau formé d’un matériau ferromagnétique, il y a réfraction du champ magnétique (voir cours de bac 1) sur la surface extérieure de ce noyau. 6 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Canalisation du flux dans un circuit magnétique Dans un noyau ferromagnétique, le flux peut être canalisé même si la géométrie est dissymétrique : la réfraction du champ B fait que les lignes de flux tendent à devenir parallèles à la surface latérale du noyau. Comme le champ Htangent est le même des deux côtés de la surface de séparation airfer, mais que la perméabilité du noyau est bc plus grande, on a Bnoyau >> Bextérieur bien que le champ H extérieur soit maintenant comparable au champ intérieur. Négligeant le champ B extérieur, on a constant le long du noyau (loi de Gauss du champ magnétique : div B = 0 ). Ne pas se tromper sur la signification de S !!!!!!! 7 Par analogie avec les circuits électriques (où le courant se conserve), on parle ici de circuit magnétique (où le flux se conserve). Le flux est une grandeur globale du circuit magnétique. Nous examinerons plus loin la liaison entre le flux et les tensions des enroulements (loi de Faraday). ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Lien entre le flux et les tensions Supposons dans un premier temps que chaque bobinage qui encercle le circuit magnétique encercle un flux total valant y = n F (vrai si on néglige les flux de fuite) On a alors y 1 = n 1 F y 2 = n 2 F donc y 1 = (n 1/n 2) y 2 Or, les flux sont reliés aux tensions par Si on néglige aussi la résistance des enroulements, on a donc u 1 = (n 1/ n 2 ) u 2 la loi de Faraday. 8 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

F. m. m. d’un circuit magnétique Dans les circuits magnétiques, on définit une seconde grandeur globale, duale du flux F, à savoir la force magnétomotrice, par Nous examinerons plus loin la liaison entre la force magnétomotrice et les courants des enroulements (loi d ’Ampère). Le circuit magnétique est caractérisé par une relation (appelée constitutive) entre F et. Cette relation est une conséquence de la caractéristique du matériau. On s ’en rend compte aisément dans le cas particulier où le flux se répartit uniformément sur toute la section S, ce qui entraîne B = F / S , et où la section S est constante tout le long du circuit magnétique, ce qui entraîne que B est uniforme dans tout le noyau, donc aussi H. On a alors F = S B et = L H. Donc la relation B = f(H) entraîne l ’existence d ’une relation F = g( ). 9 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Lien entre la f. m. m. et les courants La loi d’Ampère fournit 10 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Matériau ferromagnétique parfait Commençons par faire l ’hypothèse simplificatrice la plus radicale. Considérer le matériau ferromagnétique comme parfait consiste à admettre que H = 0 dans ce matériau. Alors, on a puisque tandis que F peut circuler sans rencontrer de « réluctance » (mot analogue à la résistance d ’un circuit électrique) dans le circuit magnétique. 11 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Lien entre les courants dans le cas idéal En négligeant les flux de fuite et la résistance des enroulements, on a obtenu u 1 = (n 1 / n 2 ) u 2 Si on suppose en outre que le matériau est idéal (H = 0), on a en outre Or, par la loi d ’Ampère, Donc i 1 = - (n 2 / n 1) i 2 12 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Remarque importante. La validité de l’hypothèse H = 0 dépend des conditions de fonctionnement du transformateur. Lorsque le champ B augmente, le champ H augmente très vite, et on peut alors avoir un courant primaire i 1 important même en l’absence de courant secondaire. Cela se produit lorsque le flux F devient grand. Par exemple, si on applique au transformateur une tension primaire (permanente ou transitoire) telle que le flux y 1 prenne une valeur élevée. On peut alors avoir surcharge du transformateur ou déclenchement des protection même si on ne consomme aucun courant au secondaire. 13 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Transformateur idéal Avec beaucoup d ’hypothèses simplificatrices, on a obtenu à la dia précédente deux équations qui sont celles d ’un transformateur idéal de rapport Le transformateur idéal est un élément fondamental de la théorie des circuits. Nous le représenterons dans ce cours par le symbole k = n 1 / n 2 14 à savoir u 1 = k u 2 et i 1 = - (1/k) i 2 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Prise en compte des imperfections Le champ B n ’est pas parfaitement nul en dehors du noyau. On admet que chaque enroulement encercle un « flux de fuite » en plus du flux principal. En faisant l ’hypothèse que ce flux de fuite qui ne dépend que du courant qui traverse cet enroulement, et en admettant la linéarité de ce flux (qui traverse surtout de l ’air), on a y 1 = n 1 F + l 1 i 1 et y 2 = n 2 F + l 2 i 2 ce qui correspond, avec i 1 = - (1 / k ) i 2 , au circuit équivalent ci-contre. Rappel : une inductance linéaire est un rapport entre un flux et un courant 15 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Imperfections (suite) Les enroulements ne sont pas parfaitement conducteurs. Si on tient compte de la résistance ohmique des enroulements, on a Donc, en tenant compte de l ’expression des flux introduite plus haut et de la définition du rapport de transformation k. Ces équations correspondent, avec i 1 = - (1 / k ) i 2 , au circuit équivalent ci-contre. 16 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Imperfections (suite) Le champ H dans le noyau n ’est pas nul. Donc ou Par ailleurs, on peut définir ym = n 1 F et remplacer la relation par ym = ym ( im ). En introduisant ces définitions dans l ’équation des tensions de la dia précédente, on obtient le L’élément parallèle tient compte essentiellement de la caractéristique B-H du matériau dans le noyau. circuit équivalent ci-contre. 17 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Relation constitutive dans le cas linéaire Considérons maintenant le cas d ’une relation linéaire pour le matériau, à savoir B = m H = mr mo H On doit alors avoir aussi une relation linéaire entre F et , soit où le coefficient porte le nom de (coefficient de) réluctance. Avec les hypothèses simplificatrices ci-dessus, on a simplement, puisque = L H et F = S B , Le circuit magnétique peut comporter plusieurs tronçons différents par S, L ou m. On peut alors combiner les réluctances en série ou en parallèle exactement comme les résistances dans les circuits électriques. 18 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Cas linéaire (suite) Puisque y Puisque m = n 1 F et que , lorsque l’on a une relation linéaire entre le flux F et la force magnétomotrice, il est clair que l’on a aussi une relation linéaire entre ym et im. On peut donc définir l’inductance « de magnétisation » On a évidemment 19 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Modèle à inductances couplées 0 n préfère parfois modéliser le transformateur à l’aide d’inductances couplées plutôt qu’à l’aide d’un transformateur idéal. Par exemple parce que certains programmes d’analyse de circuit ne permettent pas l ’utilisation de transformateurs idéaux. Si on néglige la saturation et les pertes magnétiques, l ’élément parallèle du circuit équivalent est une inductance idéale (linéaire et sans pertes, donc ni saturation ni pertes magnétiques), le circuit équivalent obtenu (figure de gauche ci-dessous) est équivalent à un circuit sans transformateur idéal mais comportant une inductance couplée (figure de droite) avec M = Lm / k , L 1 = Lm + l 1 et L 2 = Lm / k 2 + l 2 La transformation inverse aussi est utile. 20 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Utilisation des phaseurs Si toutes les grandeurs varient sinusoïdalement en fonction du temps et à la même fréquence, on peut les remplacer par des phaseurs. Dans beaucoup de cas, le transformateur fonctionne à fréquence fixe. Les mesures électriques que l’on réalise permettent de déterminer les impédances des éléments. Il est inutile d’en déduire la valeur des inductances si tous les fonctionnements qui seront étudiés se font à la même fréquence. On détermine alors non pas les inductances mais leur produit par w , à savoir X 1 = w l 1 X 2 = w l 2 Xm = w Lm 21 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

relation constitutive avec saturation Le cas d ’un matériau magnétique linéaire est rare en pratique. Si on considère la saturation (non-linéarité du matériau), on a 22 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Introduction de la non-linéarité La non-linéarité du noyau magnétique est prise en compte dans le modèle physique vu plus haut. L’utilisation des phaseurs n’est plus rigoureuse dans ce cas puisque toutes les grandeurs ne peuvent pas être sinusoïdales en même temps. On se permet cependant souvent d’utiliser le modèle phasoriel avec une réactance Xm dont la valeur est fonction du module de sa tension E et de la fréquence. 23 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Relation constitutive avec hystérèse Souvent, la caractéristique magnétique des matériaux n ’est pas univoque. La relation B-H dépend de l ’évolution passée des champs. Si la vitesse d ’évolution n ’intervient pas, le phénomène porte le nom d ’hystérésis. En pratique, le cycle s’élargit lorsque la fréquence augmente, de sorte qu’il ne s’agit pas d’hystérésis pur. 24 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Pertes par courants de Foucault En présence de champs magnétiques variables, il apparaît dans le fer du noyau des courants de Foucault, et ceux-ci produisent des pertes par effet Joule. On réduit ces pertes en feuilletant les tôles du noyau, ceci afin d’empêcher les courants de Foucault de circuler à grande échelle. Il subsiste cependant des courants de Foucault à petite échelle. Ils circulent à l’intérieur de tôles (on peut les réduire en utilisant des tôles plus minces et moins conductrices, notamment par alliage à du silicium). Les pertes dues aux courants de Foucault à petite échelle sont liées à la valeur du champ magnétique. Elles sont difficiles à distinguer des pertes par hystérésis. On les considère donc comme des pertes «magnétiques » . 25 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Modifications du circuit équivalent liées à la fréquence Les pertes par hystérésis et par courants de Foucault sont liées à la fréquence. Avec l’augmentation de la fréquence, les flux de fuites donnent également lieu à des pertes et la répartition du courant dans les conducteurs n’est plus uniforme. On peut tenir compte de tous ces effets en ajoutant des résistances en parallèle sur les inductances et une inductance supplémentaire en série avec R 1 et R 2. Le circuit obtenu est trop compliqué pour être utilisé en pratique. 26 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Circuit équivalent de référence On peut revenir à un circuit plus simple en utilisant l’équivalence entre modèles parallèle et série des impédances, et en regroupant les éléments obtenus. On simplifie ainsi le circuit qui devient celui représenté ci-dessous, mais il faut noter que la valeur des éléments de ce circuit dépend de la fréquence. Ce circuit sera utilisé par la suite pour discuter l’importance des erreurs commises lors de diverses simplifications de calcul. Il sera appelé « circuit équivalent de référence » ou « circuit en T » . 27 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En pratique Les éléments de ce circuit ne sont pas associés de façon stricte à un seul phénomène physique. Ainsi, le champ de fuite est responsable de pertes d ’énergie (par courants de Foucault et hystérésis), de sorte qu ’il contribue non seulement à X 1 et X 2 , mais aussi à R 1 et R 2 qui deviennent fonction de la fréquence. De même, les pertes modélisées par Rpm ne se produisent pas uniquement dans le noyau. Même k n ’est pas exactement le rapport des nombres de spires ! 28 En pratique, on détermine souvent les paramètres du circuit équivalent expérimentalement. Le vocabulaire fait souvent référence à l ’interprétation physique simple présentée plus haut, même si elle n ’est pas tout à fait rigoureuse. ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Analyse : introduction Un transformateur est normalement prévu pour transmettre de la puissance d ’un système (le générateur) vers un autre (la charge). On distingue un enroulement primaire (entrée) et un enroulement secondaire (sortie). On change le sens de référence du courant secondaire pour que les deux puissances P 1 et P 2 soient positives en fonctionnement normal. 29 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Analyse détaillée On peut tracer le diagramme phasoriel facilement si on part de la charge, c-à-d. si on suppose connus En pratique, c ’est U 1 qui est connu. On pourrait faire une règle ce trois (cas linéaire) ou itérer (cas non linéaire) pour obtenir la valeur correcte de 30 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Problème : comment déterminer directement (sans faire de règle de trois) la tension et le courant secondaire ? On peut y arriver directement en manipulant le circuit équivalent pour obtenir un circuit équivalent simplifié. 31 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Modification du circuit équivalent : motivation Pouvoir rendre compte des phénomènes physiques internes au dispositif n’est pas la seule qualité requise d ’un modèle : il faut aussi tenir compte de la possibilité de l ’utiliser pour déterminer son comportement extérieur, et surtout de la possibilité de déterminer ses paramètres. Or, le circuit équivalent de référence conduit à analyser des circuits à deux mailles. Pire, sa détermination nécessite celle de 7 paramètres. C ’est impossible dans le cas linéaire (et donc difficile en pratique). En effet, le comportement extérieur d ’un dispositif linéaire à 2 accès électriques est entièrement décrit par une matrice d ’impédance, soit (en tenant compte du changement de sens de référence de i 2 ) : La matrice est symétrique et n ’a donc que trois composantes différentes. A fréquence fixée, ces composantes sont des nombres complexes : on a donc 3 x 2 = 6 degrés de liberté seulement. Il est impossible de fixer la valeur de 7 paramètres dans ces conditions. 32 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Modification du circuit équivalent La théorie des circuits montre que, dans le cas linéaire, la partie de gauche du circuit équivalent peut être remplacée par un circuit où les éléments parallèles sont en tête L ’équivalence peut être exacte à condition de modifier la valeur des éléments Attention : un transformateur idéal avec un rapport complexe ne conserve pas la puissance. 33 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Circuit équivalent simplifié Il reste à regrouper les éléments série, après passage à travers le transformateur idéal, pour obtenir le circuit équivalent simplifé. Avec ainsi que 34 Ce circuit n ’a que 6 paramètres. ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Circuit équivalent simplifié (autre forme) On peut aussi regrouper les éléments série du côté du primaire. Avec ainsi que 35 Ce circuit n ’a que 6 paramètres. ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Caractéristique externe On cherche la relation entre U 2 et I 2 pour U 1 fixé. Les phases de ne nous intéressent pas séparément. Leur écart de phase est imposé par la charge. U 1 étant supposé connu, on prend comme modèle un équivalent de Thévenin (rigoureux seulement si le circuit équivalent est linéaire). Ne pas confondre R Ne pas confondre e avec R 2 , ni Xe avec X 2. 36 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Caractéristique externe (suite) On pose et . La solution peut prendre la forme du diagramme ci-dessous, qui est construit en prenant le courant secondaire comme référence de phase (diagramme de Kapp). 37 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Caractéristique externe (suite) d ’écrire cette caractéristique sous la forme On pose I 2 cc = U 2 o / Ze , ce qui permet C ’est l ’équation d ’ellipses qui coupent les axes en x = 1 et y = 1. 38 Figure tracée pour je 58° ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Pour une valeur donnée de I 2 et de j 2 , que vaut U 2 ? Remarque : en présence de non linéarités, il faudrait en principe itérer en analysant le fonctionnement avec la valeur de U 2 trouvée (cf. graphique vu précédemment), en en déduisant la valeur de E, donc une nouvelle valeur de l’impédance de magnétisation et finalement de nouvelles valeurs de E 20 , Re et Xe. En pratique, si Ze << Zm , la correction n’est pas significative. 39 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Formules approchées Comme signalé lors du cours précédent, on souhaite souvent que le transformateur se comporte de façon proche d’un transformateur idéal. Si on suppose que l’effet des éléments série et l’effet des éléments parallèle sont tous deux petits, il est possible de les étudier séparément. On pourra alors négliger les termes du « second ordre » et obtenir des expressions approchées plus simples. 40 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Comportement de base : transformateur idéal Donc, conservation de la puissance active et réactive On a aussi une relation entre les « impédances » A quelles conditions le transformateur « réel » peut-il être étudié comme un transformateur idéal + des corrections faites séparément ? Il faut que les effets des autres éléments du circuit équivalent soient « petits » . On peut examiner cette condition sur chaque type d’éléments séparément. 41 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Effet des éléments parallèle On néglige les éléments série pour examiner l ’effet des éléments parallèle. Correction par rapport au cas idéal : L ’effet est faible si Im << I ’ 2 , ou de façon équivalente soit et 42 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Effet des éléments série On néglige les éléments parallèle pour cette discussion. On peut déplacer le transformateur idéal 43 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Effet des éléments série (suite) On a encore, en regroupant les éléments en série (Re et Xe ont été définis plus précisément précédemment). Correction par rapport au cas idéal : La correction est petite si soit R 1 et X 1 << k 2 U 2 / I 2 et R 2 et X 2 << U 2 / I 2 44 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Synthèse des conditions permettant d’utiliser les expressions approchées pour les éléments du circuit équivalent simplifié. ou On a alors pour les relations entre circuit équivalent de référence et circuit équivalent simplifié : Ces relations entraînent I 2 << I 2 cc , de sorte que l’expression de la tension secondaire devient soit 45 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Valeurs nominales = ce qui est inscrit sur la plaquette signalétique Tensions et courants nominaux sont toujours en valeur efficace. Les valeurs nominales correspondent à un fonctionnement normal du dispositif. Les caractéristiques sont spécifiées pour un fonctionnement aux grandeurs nominales. Tension primaire et fréquence nominales Souvent, U 1 N = 230 V f. N = 50 Hz car cela correspond au réseau européen. Il faut absolument éviter une tension nettement supérieure à la tension nominale car le champ B dans le noyau dépend de la tension : U 1 w n 1 S B. Un champ B trop grand entraîne une forte saturation magnétique, donc un échauffement du noyau par pertes magnétiques, mais surtout un courant magnétisant beaucoup trop grand, donc un courant primaire I 1 grand (même si I 2 faible), donc un échauffement du bobinage primaire dangereux. Le choix du rapport U 1 nom / n 1 dépend du mode de fonctionnement prévu (continu, intermittent…), de la durée de vie et de considérations économiques (prix de revient, économies d ’énergie…). 46 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Valeurs nominales (suite) Tension secondaire nominale Elle ne peut pas être choisie : les normes imposent que U 2 N soit la tension secondaire à vide, c ’est-à-dire lorsque I 2 est nul et que U 1 = U 1 N. Il ne faut pas confondre U 2 N et U 2 utile cette dernière, utilisée surtout pour de très petits transformateurs, étant la tension à courant nominal sur charge résistive. Courant ou puissance secondaire Il ne faut pas dépasser pendant un temps trop long I 2 N car le courant I 2 (et I 1 qui croît avec I 2 ) entraîne des pertes « par effet Joule » dans R 1 et R 2 , donc une montée de la température (avec un certain retard dû à l ’inertie thermique) et une réduction de la durée de vie. Les pertes Joule sont proportionnelles au carré du courant ! On spécifie souvent la puissance nominale au lieu du courant nominal. S 2 N = U 2 N I 2 N est une puissance apparente car ne peut préjuger du facteur de puissance ( cos j dans le cas sinusoïdal) de la charge. S 2 N est spécifié en VA (et non en W). On peut en déduire I 2 N. 47 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Valeurs nominales (suite) Courant ou puissance primaire On ne les spécifie ordinairement pas. En effet, le comportement du transformateur étant proche du transformateur idéal, on considère habituellement que S 1 N = S 2 N = SN. Le courant primaire vaut alors I 1 N = SN / U 1 N. Pour que l’on puisse procéder ainsi, il faut évidemment que I 0 << I 1 N et Ze I 2 N << U 2 N Ces relations peuvent s’écrire ou 48 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Notion de courant de court-circuit nominal Le courant de court-circuit nominal d’un enroulement est le courant qui y circulerait dans cet enroulement si on le court-circuitait tout en appliquant à l’autre enroulement sa tension nominale. Le courant de court-circuit est habituellement beaucoup plus grand que le courant nominal : on ne peut donc pas le mesurer sans mettre en danger le transformateur. En fait, la donnée du courant de court-circuit revient à spécifier l’impédance série. On a (en négligeant les éléments parallèles) Ze = U 2 Nom / I 2 cc Nom Z’e = U 1 Nom / I 1 cc Nom 49 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Notion de tension de court-circuit nominale On définit la tension de court-circuit nominale d’un enroulement comme la tension qu’il faut lui appliquer pour y faire circuler son courant nominal LORSQUE L’AUTRE ENROULEMENT EST COURT-CIRCUITE. On a normalement Ucc Nom << UNom Contrairement au courant de court-circuit, qui est normalement inaccessible sans mettre en danger le transformateur, la tension de court-circuit peut être appliquée sans danger. La donnée de la tension de court-circuit est une façon de spécifier l’impédance série, car on a par exemple (en négligeant les éléments parallèle) Ze = U 2 cc Nom / I 2 Nom 50 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Pertes On distingue deux types de pertes (sous-entendu d ’énergie) Les pertes « magnétiques » (sous-entendu, par unité de temps) Elles sont pratiquement constantes : on les appelle aussi « pertes fixes » Les pertes « par effet Joule » R 1 I 12 + R 2 I 22 Re I 22 avec Re R 1/k 2 + R 2 Elles dépendent du carré du courant de charge : on les appelle aussi « pertes dues à la charge » Note pour les nuls : il ne faut pas confondre • pertes (d’énergie) • fuites (de flux) 51 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Rendement Si U 1 est fixé, donc aussi approximativement U 2 , le rendement est maximum pour cos j 2 = 1 Le rendement est donc maximum pour un courant I 2 tel que les pertes « dues à la charge » soient égales aux « pertes fixes » . La position de cet optimum peut se fixer par construction. En pratique, ce courant est proche du courant nominal. Il est parfois plus faible (intéressant si fonctionnement prévu souvent à vide ou à faible charge). 52 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Détermination expérimentale des paramètres Pour une détermination convenable, il faut prévoir • des essais où Rp et Xm jouent un rôle dominant (courants faibles pour avoir peu d ’influence des éléments série, mais tensions significatives), • des essais où Re et Xe jouent un rôle dominant (tensions faibles pour avoir peu d ’effet des éléments parallèles, mais courants significatifs). Il y a deux approches possibles soit on effectue de nombreux essais et on utilise une méthode informatisée pour déterminer les valeurs des paramètres qui permettent de reproduire au mieux les résultats par calcul ; soit un effectue un nombre minimum d ’essai d ’où l ’on déduit les paramètres par calcul direct…. c ’est la méthode que nous allons suivre dans ce cours. On effectuera donc essentiellement un essai en court-circuit et un essai à vide. Avantages : ces essais ne nécessitent qu ’une puissance réduite et leur interprétation ne nécessite que des calculs faisables « à la main » . 53 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Essai en court-circuit On alimente un enroulement via des appareils de mesure, l ’autre étant court-circuité. Des normes imposent 0. 25 Inom £ Inom . On doit utiliser une U << Unom pour limiter le courant. On peut faire l ’essai par le primaire ou par le secondaire (cela dépend de la disponibilité d ’une alimentation, des appareils de mesure…. ). Si on fait l ’essai par le secondaire, on « voit » Re et Xe (et pas Rpm ni Xm ). L ’essai fournit donc une information sur les éléments série En utilisant le circuit équivalent série d ’une impédance, on obtient 54 Re = Ze cos je et Xe = Ze sin je ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Essai en court-circuit (suite) Les éléments série sont linéaires (ils ne dépendent pas du niveau de courant auquel on les détermine). On peut donc facilement retrouver par calcul la valeur de la tension que l ’on aurait si l ’essai était fait à courant nominal. C ’est cette tension que l ’on appelle la tension de court-circuit. De même, on peut calculer le courant qui existerait si l ’essai était fait à tension nominale. C ’est ce courant que l ’on appelle le courant de court-circuit Icc est normalement bc plus grand que IN et donc inaccessible à l ’expérience. Les pertes « dues à la charge » sont proportionnelles au carré du courant. A courant nominal, elles vaudraient donc On définit encore la puissance de court-circuit S 2 cc = I 2 cc U 2 N >> S 2 N 55 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Essai en court-circuit (variante) L ’essai en court-circuit peut aussi se faire par le primaire (question de facilité). Si on suppose Xp 0 et Rp 0 grands vis à vis de Re ’ et Xe ’ , c ’est Re ’ et Xe ’ que l ’on « voit » . En utilisant le circuit équivalent série d ’une impédance, on obtient Re ’ = Ze ’ cos je et Xe ’ = Ze ’ sin je. Pour rappel, on a donc Re ’ k 2 Re et Xe ’ k 2 Xe. 56 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Essai à vide On alimente un enroulement via des appareils de mesure, l ’autre étant en circuit ouvert. Des normes imposent d ’effectuer l ’essai à vide standard à la tension nominale (raison : non-linéarités) ! On peut faire l ’essai par le primaire ou par le secondaire (cela dépend de la disponibilité d ’une alimentation, des appareils de mesure…. ). Si on fait l ’essai par le primaire, on « voit » Rp 0 et Xp 0 (et pas Re ni Xe ). L ’essai fournit donc une information sur les éléments parallèle. On mesure aussi la tension de l ’enroulement non alimenté. Equivalent parallèle d ’une impédance 57 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Retour au circuit de référence En partant du circuit équivalent simplifié, on peut construire un circuit équivalent en T. Cela n’a de sens du point du vue précision que si le circuit simplifié a été déterminé sans faire les approximations de calcul. On mesure les résistances R 1 DC et R 2 DC en courant continu (avec un ohmmètre, un pont de mesure DC ou par la méthode volt-ampèremétrique) On impose la condition X 1 = X ’ 2 car on n ’a pas en général pas d ’information permettant de faire mieux. On aura donc X 1 X ’e / 2 et X ’ 2 X ’e / 2 (donc X 2 Xe / 2 ) De même, on impose la condition (R 1 -R 1 DC) = k 2 (R 2 -R 2 DC) d ’où l ’on tire facilement 58 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Autres éléments On peut alors trouver la valeur des éléments parallèles et une valeur améliorée du rapport de transformation à mettre dans le circuit équivalent en utilisant Dans le calculs ci-dessus, on a amélioré la valeur des éléments parallèle en utilisant celle des éléments série. Par contre, l ’erreur à ne pas commettre est de vouloir améliorer la valeur des éléments R 1 R 2 X 1 X 2 en utilisant la valeur des éléments parallèle tirée de l ’essai à vide standard. En effet, l ’essai en court-circuit s ’effectue à tension réduite, de sorte que la saturation des éléments parallèle est beaucoup plus faible que lors de l ’essai à vide standard. Comme quoi le mieux est parfois l ’ennemi du bien. 59 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Introduction d’un déphaseur dans le modèle Jusqu’ici, nous sommes peu préoccupé du sens des enroulements. Dans beaucoup de cas, on peut permuter les bornes de l’un des enroulements, ce qui a pour effet de changer le signe du rapport de transformation. Si on raisonne en terme de phaseur, on peut voir les choses autrement et dire que l’on garde un rapport de transformation positif, mais que l’on adjoint au modèle du transformateur un déphaseur qui retarde simultanément la tension et le courant de 180°. Il y a donc, une fois les sens de connexion choisis, deux groupes de transformateurs selon que le déphaseur vaut 0° ou 180°. Comme le transformateur idéal, le déphaseur peut être déplacé à l’intérieur du circuit équivalent. Cette opération ne change pas la valeur des éléments. 60 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Marche en parallèle de transformateurs En associant un transformateur de 20 k. VA et un transformateur de 10 k. VA, obtient-on l ’équivalent d ’un transformateur de 30 k. VA ? Oui, mais seulement sous certaines conditions. On examine le cas où les deux transformateurs ont les tensions nominales souhaitées, et sont donc connectés en parallèle. 61 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Marche en parallèle (suite) Il faut impérativement que les secondaires soient connectés dans le bon sens (que les deux transformateurs appartiennent au même groupe 0° ou 180°). Comment vérifier ? Il faut aussi, idéalement, • Mêmes tensions secondaires à vide (donc en pratique même tension nominale secondaire), soit k. A = k. B car, sinon, les transformateurs ont un courant au secondaire même à vide (en l ’absence de charge). • U 2 cc. A = U 2 cc B car c ’est la condition pour que les deux courant nominaux soient atteints simultanément. Il faut en effet pour cela que Ze. A I 2 ANom = Ze. B I 2 BNom. • je A = je B car les courants sont dans le rapport Soit 4 conditions. 62 . Leur différence de phase est donc je A - je B. Or leur somme ne peut être faite en module que s ’ils ont la même phase. ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Note sur mise en parallèle On peut rattraper de petits déséquilibres à l ’aide d ’un transformateur d ’équilibrage qui impose aux courants de garder le bon rapport. Si le déséquilibre à compenser est faible, ce transformateur peut être de petite taille (par rapport aux deux transformateurs mis en parallèle). 63 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Transformateurs à prises multiples Surdimensionnement car une partie de l ’enroulement soit est hors du circuit, soit est parcourue par un courant inférieur au courant maximum admissible ! Une autre façon, utilisable pour obtenir deux tensions nominales dans un rapport 2, consiste à utiliser deux demienroulements que l ’on connecte en série ou en parallèle. 64 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Autotransformateurs Primaire et secondaire peuvent avoir une partie commune Le courant qui y passe vaut I = | I 1 - I 2 | < max (I 1 , I 2), donc économie sur le fil électrique, surtout si le rapport k est proche de 1. 65 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Difficulté d’utilisation des autotransformateurs Dans le cas d’un transformateur normal, on peut toujours connecter une borne du secondaire à n’importe quel point d’un circuit sans provoquer le passage d’un courant. Ceci n’est pas vrai avec un autotransformateur. Certains montages possibles avec un transformateur sont donc impossibles avec un autotransformateur. 66 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Danger du réseau Le réseau domestique est dangereux, même si on ne touche qu’un seul des conducteurs. En effet, il existe souvent un chemin possible pour le courant entre d’autres conducteurs et la terre, de sorte qu’une personne en contact avec le sol et qui touche un conducteur peut être traversée par un courant. Même le conducteur neutre, à supposer qu’il existe et qu’il soit identifié, est dangereux car son potentiel peut prendre des valeurs dangereuses en cas de défaut (notamment coupure du fusible correspondant à ce conducteur) 67 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Sécurité apportée par un transformateur d’isolation Quand on insère entre le réseau et l’utilisateur un transformateur normal, avec une isolation de sécurité entre le primaire et le secondaire, le danger est moindre car on peut toucher sans danger UN point quelconque du circuit secondaire. De plus, il suffit d’ouvrir un interrupteur simple au primaire pour que le secondaire ne présente plus de danger. 68 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Danger des autotransformateurs Dans le cas des autotransformateurs, il n’y a pas d ’isolation galvanique entre le primaire et le secondaire. Si le primaire est relié au réseau, le secondaire présente les mêmes dangers que ce dernier • MEME SI LA TENSION SECONDAIRE EST NULLE (cas des autotransformateurs réglables) • MEME SI, SUITE A L’OUVERTURE D’UN INTERRUPTEUR, LA TENSION PRIMAIRE EST NULLE mais qu’il reste une borne du primaire connectée au réseau. Soyez prudents lors des séances de laboratoire ! 69 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Compléments relatifs aux dispositions constructive A colonne A manteau Le noyau est feuilleté pour gêner les courants de Foucault (voir cours de bac ? ). 70 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Les deux enroulements ont à peu près le même volume (si l’un a plus de spires, il est fait de fil de section plus faible). Ceci est moins vrai si l’un des deux enroulements est prévu pour une tension très élevée, car il contient alors beaucoup d’isolant. Ce n’est pas toujours l’enroulement qui a la tension la plus élevée qui est bobiné au dessus de l’autre. L’écart h entre les deux enroulements est d’autant plus grand que le niveau d’isolation est plus élevé. 71 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

L’écart h entre les deux enroulements augmente le flux de fuite, donc aussi les inductances série. On peut réduire ces inductances en allongeant la fenêtre, ou en partageant les enroulements en plusieurs parties intercalées. Au contraire, si on bobine les deux enroulements sur des bobines séparées (pour faciliter la construction ou l’isolation), on augmente les flux de fuite. On augmente parfois intentionnellement les flux de fuite (pourquoi? ). 72 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

73 Champ de fuite faible Champ de fuite fort (long chemin hors du noyau) (court chemin hors du noyau) ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Si on utilise du fil rond bobiné en couches, la fin de la première couche est proche du début de la première, ce qui pose un problème d’isolation. Les enroulements HT sont souvent divisés en plusieurs galettes pour réduire les différences de potentiel entre spires voisines. On utilise aussi du fil plat (construction plus aisée, meilleur remplissage, meilleur refroidissement). Le fil (rond ou plat) est parfois subdivisé pour lutter contre l’effet de peau et les courants de Foucault induits par les champs de fuite. 74 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Isolation Autour des fils : verni … Séparation entre noyau de fer et bobines, entre bobines… : carton bakélisé, polyéthylène… Le papier est hygroscopique : il doit être imprégné. L’air peut servir pour l’isolation et le refroidissement. Moins bon isolant que les isolants solides : il faut surveiller la longueur des contournements possibles. L’huile peut servir à la fois au refroidissement et à l’imprégnation. Le transformateur est enfermé dans une cuve, laquelle est reliée au conservateur d’huile (qui sert aussi de vase d’expansion). L’askarel est ininflammable, mais n’est plus utilisé car il produit de la dioxine en cas d’accident. Le gaz SF 6 sous pression est un meilleur isolant que l’air. Aux puissances petites et moyennes, le remplissage solide est aussi possible. 75 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Protection contre les défauts internes : signalons deux dispositifs intéressants -Protection différentielle On compare I 1 et I 2 /k. La différence (courant magnétisant) doit être petite, sauf lors de la mise sous tension où il est normal qu’elle dépasse largement le courant nominal. -Protection Buchholz Cette protection consiste à détecter un dégagement gazeux (dû à la dégradation d’un isolant). Pour cela, on place entre la cuve du transformateur et son conservateur d’huile une tubulure horizontale avec le dispositif cicontre. Dégagement de gaz lent : accumulation dans la cloche, puis déclenchement d’une alarme. Dégagement rapide : le flux d’huile repousse la palette et fait déclencher un disjoncteur. 76 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain