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Transfo - 1 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 - 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.

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Transfo - 1

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

- 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 - 2

MANIPULATION

Le modèle du transformateur utilisé dans ce TP est celui vu en cours (figure 1).

V1

m

0R Lj0

I1

r

I2

V2

l j

V20

I10

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

MESURES

I1

V2

I2

A V

I2

I1

CC

V1 V2

V1ENTRÉES

Primaire Secondaire

W

VI

Autotransformateur Charge

variable*

*

*

*

*

*

*

*

+

Réseau 220 V

Cordon

220 V

Figure 2 : Plan de câblage

Transfo - 3

1-1 Plaque signalétique

Au moyen de la plaque signalétique du transformateur, relever ou déterminer les valeurs nominales

pour la puissance apparente fournie au secondairen2S , la tension secondaireV

n2 et le courant

secondaireIn2 , la tension primaire V

n1 et le courant primaireIn1.

1-2 Mesure de la résistance des enroulements primaire et secondaire

Mesurer les résistances des enroulements primaire et secondaire (r1et r2 ) par une méthode volt-

ampèremétrique : 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 V20, le courant primaire I10

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 R0 ?

A partir de ces mesures, déterminer le rapport de transformation m, la résistance R0 permettant de

représenter les pertes à vide et l'inductance magnétisanteL0 .

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 - 4

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 secondaireIn2 . Le schéma équivalent se réduit alors à celui de la figure 4. On

justifiera dans la suite pourquoi les influences de R0 et L0 sont négligées.

V1cc

m

I1cc

r

I2cc

l j+

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

Vcc1 , I

cc1 et Pcc1 .

Donner les formules permettant de calculer r et l en fonction de V1cc et P1cc (ou Q1cc).

A partir de ces mesures, déterminer la résistance r et l'inductance de fuite l. Comparer r à r m r2

2

1.

Donner l’expression des puissances actives et réactives absorbées par R0 et L0.

Afin de vérifier que les influences de R0 et L0 sont effectivement négligeables dans cet essai, évaluer

par le calcul les puissances active et réactive absorbées par ces éléments et les comparer à Pcc1 et

cc1Q .

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.

V1

m

0R Lj0

I1

r

I2

V2

l j

V20

I10+

Source Charge

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 - 5

Déterminer l’expression du rendement du transformateur en fonction de V2, I2, cos 2 et des

différentes pertes dans le transformateur. Donner l’allure de en fonction de cos 2 lorsque toutes les

autres grandeurs sont fixées.

2-2 Etude du fonctionnement nominal

Pour V Vn1 1 et I I

n2 2 , tracer expérimentalement les courbes )(cosV 22 et (cos )2 . Pour cela,

mesurer 1I , P1, 2P et 2V pour quelques valeurs de 2 (5points suffisent).

Tracer la courbe expérimentale de la tension délivrée par le transformateur en fonction cos 2, puis la

courbe )(cosV 22 théorique pour V Vn1 1 et I I

n2 2 dans la gamme mesurée de 2. Conclusion.

Tracer la courbe expérimentale du rendement en fonction cos 2, puis la courbe (cos )2 théorique

pour V Vn1 1 et I I

n2 2 dans la gamme mesurée de 2. Conclusion.

* * *

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