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Le transformateur électrique

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1/5 : Principe de fonctionnement

En introduction...

A quoi ça sert ?

  • Elever une tension au détriment de l'intensité
  • Abaisser une tension au bénéfice de l'intensité

Où en trouve t-on ?

  • Où n'en trouve t-on pas serait plus judicieux !
  • Dans tous les appareils électroniques (modèles à découpage HF)
  • Dans la distribution électrique pour optimiser le transport
  • ...

Aluminium ou cuivre ?



Dans les conseils+ !

Comment cela fonctionne t-il ?



C'est ce que nous allons découvrir !




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Intérêt du court-circuit magnétique !


L'expérience s'effectue avec un courant alternatif sinusoïdal classique.




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Transformateur pédagogique


Notez que lorsque le circuit magnétique est clos, la tension au primaire augmenteEn fait, notre transfo pédagogique est alimenté par un autre transfo de faible puissance possédant donc une impédance non négligeable.
Comme le transfo pédagogique consomme moins d'intensité lorsque son circuit magnétique est clos, la tension reçue au primaire augmente : U = E à vide -rI (U augmente quand I diminue)
puisque l'intensité appelée diminue. Les pertes deviennent très faibles et quasiment tout le champ magnétique variable généré est 'récupéré' pour induire une tension EA ne pas confondre avec E à vide du transfo générateur
Ici, il s'agit de la tension E auto-induite 'fem ou fcem'
qui, en se soustrayant, diminue l'intensité. I = U - E = 0+.




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Récapitulatif des expériences

Noyau ouvert Noyau en U Noyau fermé
court-circuit magnétique transfo
La bobine créée alternativement les 2 pôles : le tournevis est aimanté.
L'auto-induction est faible : l'intensité absorbée élevée.
Là aussi les 2 pôles avec un tournevis attiré.
Auto-induction plus élevéeLes pôles ne sont plus opposés : il se 'voient' : intensité plus faible.
CctCourt-circuit magnétique magnétique, aucun pôle ne subsiste, le tournevis n'est pas attiré
L’auto-inductionLa tension E = – ΔΦ / Δt ≃ U alimentation
La différence est due aux pertes fer
Imperfections du noyau ≃1 à 15%
est optimale : l'intensité est très faible
cct magnétique transfo en charge
U lampe ≪ U alimentation primaire U lampe < U alim. primaire U lampe ≃ U alim. primaire




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Le transformateur conserve le signal sinusoïdal


Le transformateur ne fonctionne correctement qu'avec un courant en perpétuelle variation et alternatifQui change de sens symétriquement en positif et négatif.
Fidèle, il reproduit les signaux d'origine avec peu de distorsion (modification).




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Quiz d'introduction !...


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2/5 : Expériences avec un transformateur torique

Expérience réversibilité avec un transformateur torique


Primaire et secondaire transfoLe primaire d'un transformateur est l'enroulement que l'on choisit d'alimenter : indépendamment de la tension !
La grande majorité des transformateurs sont réversibles.
Le primaire est aussi nommé inducteur (acteur).
Le secondaire est celui où l'on récupère, on le nomme aussi induit (il subit).
Il existe des transformateurs abaisseurs, élévateurs et égalitairesNe modifient ni U ni I (au rendement près), ils assurent l'isolement galvanique, nous y reviendrons .




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La règle du 'volt par tour'


Plus intuitive que le ratio, que l'on verra par ailleurs, la règle de la tension par spire est celle que je privilégie pour comprendre le principe de transformation.
La vidéo ci-dessus la met en évidence !
Par défaut on nomme abaisseur un transformateur qui abaisse la tension, élévateur celui qui l'élève.
C'est la tension qui fait référence pour le nommer.




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Transformateur = boîte à vitesse

V = Vitesse, C = Couple
Egalitaire
U I V C
Transfo égalitaire
Poulies égalitaires
U I V C

Abaisseur / 2
U I V C
Transfo abaisseur 2
Poulies réducteur
U / 2 I × 2 V / 2 C × 2

Elévateur × 2
U I V C
Transfo élévateur 2
Poulies élévateur
U × 2 I / 2 V × 2 C / 2


Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme... ! Au rendement près, (> à 97% pour les fortes puissances), le ratio des tensions est inversement proportionnel à celui des intensités.
Puissance d'entrée ≃ Puissance de sortie




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Abaisseur

Np/Ns = Up/Us = Is/Ip


Tout est dit !
Mais avec une série d'images, ce sera plus parlant !
(p = primaire ; s = secondaire ; N = Nombre de spires)

1
2
3
4
5
6
Transformateur égalitaire
EgalitairePermet uniquement l'isolement galvanique : la séparation électrique des circuits primaire et secondaires. Ils sont identiques en tension et intensité (au η près) mais indépendants électriquement
Np =
12 spires
Symbole du transformateur Ns =
12 spires
Np / Ns = 1
Up =
12 Volts
Symbole du transformateur Us =
12 Volts
Up / Us = 1
Ip =
2 Ampères
Symbole du transformateur Is =
2 Ampères
Ip / Is = 1
Is / Ip = 1
Transformateur abaisseur 12 8
Abaisseur U / 1.5 = U × 0.667
Np =
12 spires
Symbole du transformateur Ns =
8 spires
Np / Ns = 1.5
Up =
12 Volts
Symbole du transformateur Us =
8 Volts
Up / Us = 1.5
Ip =
2 Ampères
Symbole du transformateur Is =
3 Ampères
Ip / Is = 0.667
Is / Ip = 1.5
Transformateur abaisseur 12 6
Abaisseur U / 2 = U × 0.5
Np =
12 spires
Symbole du transformateur Ns =
6 spires
Np / Ns = 2
Up =
12 Volts
Symbole du transformateur Us =
6 Volts
Up / Us = 2
Ip =
2 Ampères
Symbole du transformateur Is =
4 Ampères
Ip / Is = 0.5
Is / Ip = 2
Transformateur abaisseur 12 4
Abaisseur U / 3 = U × 0.333
Np =
12 spires
Symbole du transformateur Ns =
4 spires
Np / Ns = 3
Up =
12 Volts
Symbole du transformateur Us =
4 Volts
Up / Us = 3
Ip =
2 Ampères
Symbole du transformateur Is =
6 Ampères
Ip / Is = 0.333
Is / Ip = 3
Transformateur abaisseur 12 3
Abaisseur U / 4 = U × 0.25
Np =
12 spires
Symbole du transformateur Ns =
3 spires
Np / Ns = 4
Up =
12 Volts
Symbole du transformateur Us =
3 Volts
Up / Us = 4
Ip =
2 Ampères
Symbole du transformateur Is =
8 Ampères
Ip / Is = 0.25
Is / Ip = 4
Transformateur abaisseur 12 2
Abaisseur U / 6 = U × 0.167
Np =
12 spires
Symbole du transformateur Ns =
2 spires
Np / Ns = 6
Up =
12 Volts
Symbole du transformateur Us =
2 Volts
Up / Us = 6
Ip =
2 Ampères
Symbole du transformateur Is =
12 Ampères
Ip / Is = 0.167
Is / Ip = 6

Dans tous les cas au rendement près :

Up × Ip = Is × Ip et donc Pp = Ps


La puissance est conservé !
Nb de spire et tension sont proportionnels (V/tD'où la loi Volt/tour :
Dans les illustrations on a choisi une valeur de 1 Volt par tour.
Notre transfo torique pédagogique (vidéo précédente) offre une valeur de 90 mV / tour. Cette valeur est liée au circuit magnétique (noyau) et à la fréquence.
)
Nb spires et intensité sont inversement proportionnels




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Elévateur

Np/Ns = Up/Us = Is/Ip


Tout est dit !
Mais avec une série d'images, ce sera plus parlant !
(p = primaire ; s = secondaire ; N = Nombre de spires)

1
2
3
Transfo élévateur 8 12
Elévateur U × 1.5 = U / 0.667
Np =
8 spires
Symbole du transformateur Ns =
12 spires
Np / Ns = 0.667
Up =
8 Volts
Symbole du transformateur Us =
12 Volts
Up / Us = 0.667
Ip =
3 Ampères
Symbole du transformateur Is =
2 Ampères
Ip / Is = 1.5
Is / Ip = 0.667
Transfo élévateur 6 12
Elévateur U × 2 = U / 0.5
Np =
6 spires
Symbole du transformateur Ns =
12 spires
Np / Ns = 0.5
Up =
6 Volts
Symbole du transformateur Us =
12 Volts
Up / Us = 0.5
Ip =
4 Ampères
Symbole du transformateur Is =
2 Ampères
Ip / Is = 2
Is / Ip = 0.5
Transfo élévateur 3 12
Elévateur U × 4 = U / 0.25
Np =
3 spires
Symbole du transformateur Ns =
12 spires
Np / Ns = 0.25
Up =
3 Volts
Symbole du transformateur Us =
12 Volts
Up / Us = 0.25
Ip =
8 Ampères
Symbole du transformateur Is =
2 Ampères
Ip / Is = 4
Is / Ip = 0.25

Dans tous les cas au rendement près :

Up × Ip = Is × Ip et donc Pp = Ps


La puissance est conservé !

Nb de spire et tension sont proportionnels (V/tD'où la loi Volt/tour :
Dans les illustrations on a choisi une valeur de 1 Volt par tour.
Notre transfo torique pédagogique (vidéo précédente) offre une valeur de 90 mV / tour. Cette valeur est liée au circuit magnétique (noyau) et à la fréquence.
)
Nb spires et intensité sont inversement proportionnels




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Transfo Hybride et multiple

Voici les seuls types de transformateurs qui n'offrent pas de réversibilité optimaleSi le transfo offre 100 VA de puissance, elle se partage entre les secondaires (Ex : 60 VA pour Us1 et 40 VA pour Us2). La réversibilité est donc fonctionnelle mais limitera la puissance à 60 VA ou 40 VA suivant le secondaire choisi pour devenir le nouveau primaire. car seule la section de l'enroulement primaire est calibrée pour les 2 puissances de sortieDeux ou plus : Il existe des transfos multi-tensions abaisseur ou comme ici hybride : abaisseur et élévateur à la fois, le nombre de secondaires n'etant pas limité....
Transfo hybride
Transformateur Hybride
Transfo multi-tensions
Transformateur Multi-Tensions
Transformateur résistance enroulements
Méthode simple pour retrouver les enroulements lorsque la section du fil n'est pas visible :
La tension la plus élevée requière plus de tours alors que la plus basse requière une plus forte section puisque l'intensité est supérieure...
Le rapport des résistances ≃ (rapport des tension)²Un abaisseur / 3 aura 3 fois moins de spires, l'intensité étant × 3, sa section sera 3 × plus élevée. R × 3 × 3 = R × 3² = R × 9




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Quiz sur les tensions...


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3/5 : Autres transfos (TI, Autotransformateur, variable...)

Une seule spire en court-circuit !


Ce principe est utilisé sur des pistolets à souder instantanés : la panne est résistive et ferme un circuit secondaire constitué de très peu de spires. On utilise aussi un transformateur à secondaire très très basse tension (quelques Volts) pour la soudure par points2 tiges pressent des plaques métalliques (conductrices électriques) alors qu'une impulsion électrique est envoyée. Le métal fond créant une goutte constituée d'un peu des 2 plaques : le fameux point !
Voir le lien en fin de cours
!




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Comprendre la pince ampèremétrique !


La pince ampèremétrique est un transformateur élévateur Usuellement, on nomme un transformateur en fonction de son comportement en tension.
La pince ampèremétrique diminue l'intensité et augmente donc d'autant la tension.
que l'on utilise pour sa propriété diviseur d'intensité. Une seule spire au primaire et généralement 100 à plusieurs milliers au secondaire !
Nous verrons qu'il serait dangereux d'ailleurs de ne pas laisser le secondaire en court-circuit !




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TI : transformateur d'intensité

Il est plus aisé de mesurer des intensités faible !
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2
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TI pince ampèremétrique
A gauche, un tore de mesure qui fait la somme vectorielle des 3 filsIl permet justement ici de mesurer le déséquilibre, au milieu le schéma d'un TI, à droite la pince ampèremétrique.
Prenons le schéma central, l'intensité I qui circule dans le tore, due au circuit à mesurer, constitue le primaire de ce transformateur. Sur notre dessin, le secondaire compte 10 spires et se comporte ainsi comme un élévateur de tension × 10 et abaisseur d'intensité / 10. Ainsi, dans cet exemple l'intensité mesurée est 10 fois plus faible que celle du primaire. Les TITI ou T.I ou encore TC T.C. Le nom adéquat est Transformateur d'Intensité, TC désigne Transfo de Courant, le courant ne désignant pas une grandeur physique mais un mot générique, son usage n'est pas très correct...
Dans tous les cas le TI est un élévateur de tension, abaisseur d'intensité.
ont des rapports pouvant dépasser 1:1000 !
TI schéma
Le TI doit toujours être en court-circuit ! Prenons un exemple avec un TI 1:100 et Ip (Intensité primaire) = 500 A. Is (secondaire) = 5 A. Us = Is × 5 A. 5 A car le secondaire est en court-circuit via le shunt ! Or, si le secondaire est 'laissé en l'air', Us = Is × ∞ = ∞ ! Et donc risque d'explosion comme l'écran suivant vous le montrera... Il convient donc de toujours laisser le shuntLe shunt est une résistance faible dans laquelle on mesure la tension pour en déduire l'intensité I = U / Rshunt relié !
TI détruit explosé
Voici un tore ayant explosé suite à l'ouverture de son shunt qui engendra une violente surtension !




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AutoTransformateur et transfo variable

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Illustration auto-transformateur
L'autotransformateur n'utilise qu'une bobine, dont une ponction sert de 'secondaire'. Ce transfo est aussi réversible. La bobine étant de même section, le rendement est moyen mais on économise 1 enroulement, il était de fait utilisé en France dans les années du passage de 110 V vers 220 V pour que les particuliers ne changent pas certains appareils coûteux (machines à coudre, réfrigérateurs...). Il peut s'avérer dangereux, comme on va le voir au prochain écran ! Il permet aussi d'augmenterEn effet, si l'on alimente le primaire sur 90 % le l'enroulement, on pourra augmenter la tension en se raccordant aux 100% de la bobine... la tension du réseau facilement.
Auto-transformateur risque si inversion
Si l'on inverse neutre et phase, en sortie il n'y aura plus de neutre mais une phase complète et une phase partielle... Enfin l'autotransformateur n'assure aucune séparation des circuits : pas d'isolation galvanique !
Bobine d'un transformateur réglable
Il existe aussi des autotransformateurs et des transfos dont le secondaire est réglable progressivementL'analogie mécanique est valable avec les systèmes mécaniques à variation continue obtenus via des courroies ou chaines et flasques coniques....
Ainsi Us Varie de 0 à Ub, tension bobine. Le 'pas' de variation est égal à la constante en Volt/tour du transfo ou autotransformateur.
Photo auto-transformateur
Voici un autotransformateur réglable de puissance 1 kVA. Très pratique il permet de faire varier Us de 0 à la tension d'alimentation + 20% grâce aux spires supplémentaires.
Son principal usage est le dépannage électronique : en SAVS.A.V. Service Après Vente on l'utilise pour faire monter progressivement la tension voire la dépasser afin de valider un dépannage...
Attention au sens de branchement !
Transformateur variable pédagogique
Enfin, un transformateur TBTSTrès Basse Tension de Sécurité provenant d'un ancien train électrique... La tension varie de 0 à 15 Volts pour modifier la vitesse du train ! Aucun risque ici, l'isolement galvanique est assuré : 2 bobines !




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Transfo isolement

Comprendre le transformateur de sécurité, d'isolement
A droite, le primaire dont une des bornes est reliée au neutre lui-même relié à la terreVoir la terre et les schémas de liaison au besoin. L'autre borne est reliée à la phase. En cas de contact de la main avec la phase : le courant peut se rebouclerSi la main est sur le fil, les pieds eux, sont sur terre... via la terre.
Coté secondaire aucun risque : aucune borne de la bobine n'est référencée, on appelle cela une tension flottanteNon reliée à la terre, autorisée uniquement pour une seule alimentation d'un seul appareil. Notez la prise limitée à 50 VA et sans connexion de 'terre' PE (protection électrique)
Photo de transfo double isolement sécurité
.
Généralement en double isolation, ces transfos peuvent aussi avoir leur carcasse reliée à la terre auquel cas l'écran électrostatique Cet écran permet d'éviter l'effet capacitif entre les 2 bobines (impulsion HF due par exemple à l'orage) en l'écoulant par la masse jusqu'à la terre.
Ecran électrostatique
incorporera un feuillard relié à la masse et à la PEProtection Electrique et suivant le schéma de neutre : La 'terre'..




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Autres transformateurs

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2
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Transformateur différentiel
Le différentiel possède 2 primaires en monophasé, 3 ou 4 en triphasé (avec ou sans neutre). Si la somme des champs magnétiques n'est pas nulle, la bobine noire est soumise à une tension induite et déclenche la sécurité ouvrant le circuit.
Transformateur d'impulsion
Le transformateur d'impulsion reprend une architecture classique avec un noyau HF (Haute Fréquence). Il sert notamment à piloter des thyristors, tout en préservant l'électronique grâce à l'isolement galvanique. Il est généralement égalitaire, sa fonction étant la séparation des circuits.
Transformateur d'impédance
Le transfo d'impédance sert à transporter le son à longue distance. C'est un couple élévateur/abaisseur comme en distribution électrique avec les mêmes avantages : limiter les pertes et économiser du cuivreEn diminuant l'intensité, on peut diminuer la section des fils et limiter la puissance perdue en chaleur (pertes Joule : P = R × I²).
En jouant sur le rapport U, I on modifie l'impédance Généralement 100 Ω pour la partie haute impédance, 8 ou 16 pour l'autre soit un rapport de 12.5 à 6.25... :
Z = U / I dont il tire son nom.




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Quiz type de transfo !...


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4/5 : Autres caractéristiques et symboles

Formes des noyaux, bilan

Transfo classique torique et semi-torique
A droite un transfo classique fait de E et de INotez une symétrie de 2 demis circuit magnétiques. Les bobines sont enroulées concentriquement, ou encore : l'une sous l'autre.
E et I transfo
.
Au centre un torique : le noyau est un ruban fin enroulé en spirale.
A gauche un semi-toriquePlus facile à fabriquer, c'est celui que nous utilisons en début de vidéo
Transfo pédagogique semi torique
, compromis moins retenu.

Avantages du torique :
  • Très faibles pertes ferLe transfo converti le courant alternatif en champ magnétique alternatif coté primaire et refait l'inverse coté secondaire. les imperfections du noyau magnétique créent des pertes de quelques %... (50% de pertes en moins) !
  • Très faible rayonnementLe champ magnétique circule mal 'à angle droit' dans les transfos classiques. Avec le torique, plus d'angle, de plus le fer est inaccessible et le rayonnement minimal.
  • A puissance égale : plus léger et moins encombrant
  • Désormais plus économique jusqu'à quelques centaines de Watts

Inconvénients du torique :
  • Plus complexe à fabriquer
  • Encore peu disponible en forte puissance (> quelques kW)

Sec ou à huile ?

Prenez l'exemple d'un moteur à explosion :

Avantages du sec :
  • Le refroidissement par air est plus simple
  • Il présente moins de risque de pollution due au liquide de refroidissement
    Dans le cas des transformateurs il convient d'installer un bac de rétention
  • Pas de risque d'explosion et peu de risque d’incendie
    Les modèles à huile, inflammable, requièrent un contrôle de température...
Inconvénients du sec :
  • Plus onéreux
  • Généralement moins compact




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Ferrites de transformateur et bobine

Ferrites de transfo et bobines
De gauche à droite : plaque E et IE et I petit transformateur, tore au centre et noyaux à poudre de fer HFHaute Fréquence, résistance supérieure, moins d'intensité pour les courants de Foucault à droite.
Noyau plaques E et I de transfo
Cliquez pour relancer

L'animation représente la méthode utilisée pour réaliser un transformateur classique constitué de E et de I. Notez que les bobines sont disposées avant l'empilage des plaques de métal (contrairement à l'animation dans un souci de clarté).

Matériaux

Si le Mu-métalLe Mu-métal, Mumétal, est un alliage considéré comme le meilleur 'conducteur' magnétique, offrant la plus grande perméabilité, très utilisé comme écran de blindage contre les rayonnements électromagnétiques est la matériaux le plus perméable, on utilise du fer moins onéreux pour les bobines. Dès que l'usage est en courant alternatif (transfos...) on veillera à ne pas utiliser un noyau plein mais feuilleté, comme les fameux E et IE et I petit transformateur afin de limiter les 'courants de FoucaultToute variation de flux due soit à un déplacement mécanique, ou à une variation électrique (courant alternatif), induit à son tour un courant dans une masse métallique comme ici notre noyau.
Ce noyau agissant comme un secondaire à spire unique et en cct...
'.
Pour limiter leur intensité, I = ELa tension induite E par la variation de flux
E = - ( ΔΦ / Δt )
/ R, on augmente la résistance R du noyau magnétique en prenant des plaques dont le traitement de surface augmente la résistance entre les plaques en contact.
En HFEn Haute Fréquence Δt diminue faisant augmenter E :
E = - ( ΔΦ / Δt ) et donc I (I = E / R), d'où le besoin d'augmenter R !
, on choisira des aglomérats de poudre de fer pour augmenter la résistance électrique du noyau.

Voir des applications des courants de Foucault




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Pertes et mesures

Transformateur 20 kV triphasé
La puissance d'un transformateur s'exprime en VA (Volts × Ampères) car il agit comme un 'générateur' qui fournit S : la puissance apparente S = U × I. La puissance réelle en W sera fonction du cosinus φ du récepteur connecté.
Les pertes sont toujours très faibles et se résument principalement à :
  • Les pertes ferLe transfo converti le courant alternatif en champ magnétique alternatif coté primaire et refait l'inverse coté secondaire. Les imperfections du noyau magnétique créent des pertes de quelques %... se mesurent à videSi le transfo était parfait, 100% de rendement, la consommation à vide serait de 0. La mesure de U et I à vide précise ces pertes. Notez que le cosinus φ à vide étant proche de 0, la mesure au Wattmètre serait proche de 0
  • PJ, les pertes JouleDues à la résistance des enroulements primaire(s) et secondaire(s).
    Pertes J primaire + Pertes J secondaire :
    PJ totales = (Rp × Ip²) au primaire + (Rs × Is²) au secondaire !
    = (Rp × Ip²) + (Rs × Is²)
    (p = primaire ; s = secondaire)
Pour estimer les pertes Joule d'un transfo, on l'alimente avec son UccAlors que le primaire (les pour du triphasé) est alimenté avec par exemple 14 V (6% de U en 230 V), le secondaire est mis en court-circuit. Ainsi, les intensités sont identiques à l'usage en puissance nominale (et pas maximale, on le verra) et la puissance mesurée (ici sous 14 V) correspond aux pertes Joule à P nominal (≃6% de U nominal) fourni par le fabriquant.

Enfin le choix des protections, s'il est fait via le test précédent pour déterminer le calibre nominal, il requière un test en court-circuit à tension nominale pour déterminer le PdC, pouvoir de coupureUn transformateur encaisse un cct complet, à condition qu'il soit bref et que le transfo ne soit pas déjà à haute température. La mesure d'intensité en court circuit tant coté primaire que secondaire permet de relever les valeurs requises en pouvoir de coupure des disjoncteurs ou fusibles. Notre cours sur les protections le détaille, il est lié en fin du présent, cliquez sur choix des protections ci-dessus.
Ce test, effectué par le fabriquant, indique l'intensité maximaleIl s'agit de l'intensité maximale qui est au moins 6 fois supérieure à la nominale. Elle intervient qu'en cas de court-circuit et très brièvement à mise sous tension (comme le moteur asynchrone), permet de garantir que les protections ne seront pas détruites lors de leur ouverture !

Résumé gestion des protections en sortie transfo :
TGBT en pdf.




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Symboles de transformateurs

Symboles de transformateursTransformateur (Isolation galvanique entre primaire et secondaire)

Transformateur triphasé (Triangle / étoile)

Auto-transformateur variable (Pas d'isolation galvanique, sortie de 0 à U)

Transformateur à secondaire variable

Transformateur à isolation galvanique renforcé

Transformateur à isolation galvanique renforcée de sécurité (Us < 50 V : TBTTrès Basse Tension)

Transformateur d'intensité (De 'courant', mesure type pince ampèremétrique)

Exemple de schéma de distributionSchéma distribution transformateurs en usine.




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Mise en série et parallèle...


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5/5 : Transformateurs triphasés

De 3 à un seul transformateur en Δ / λ

1
2
3
3 transfos
Il est possible de coupler 3 transformateurs monophasés pour obtenir 1 transformateur triphasé. Mais cette solution est plus encombrante et complexe, à réserver à des cas particuliersPour nos besoins en formation, un transfo triphasé de moins de 100 VA, compact, étant introuvable ; nous avons assemblé 3 toriques :
Maquette transfo triphasé montage
Transformateur triphasé monté
...
Transfo tri
Comme le montre cette illustration, chaque phase possède son propre noyau et les 3 sont reliés, le noyau est donc plus compact que 3 éléments séparés grâce au court-circuit magnétique extérieur unique.
Transformateur triphasé triangle étoile
Les transformateurs abaisseursPour les installations de puissances moyennes : 20 kV vers 400 V triphasé (230 avec le neutre)
Si la consommation est supérieure ; l'arrivée se fait en 63 kV avec un intermédiaire en 5.5 kV ou autre
d'usine sont généralement câblés ainsi :
Le primaire est en triangle et le secondaire en étoile afin de disposer d'un neutre




Zoom sur cet élément

Transformateur triphasé, photo :

Transformateur triphasé 1000 VA




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Couplage Zig-Zag

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Transformateur étoile équilibré
A gauche le générateur : l'alternateur, qui alimente le primaire en triangle d'un transfo HT. Coté secondaire en étoile les intensités sont identiques, le primaire est de fait lui aussi équilibré. Les conditions sont optimales.
Transformateur étoile non équilibré
Désormais la phase grise est 2 fois plus sollicité que la noire, la marron n'est plus utilisée. De par le couplage étoile un léger ré-équilibrage s'opère au primaire...
Transformateur Zig-Zag non équilibré
Avec le secondaire en zig-zag, nous allons le détailler, le ré-équilibrage est optimal ! Ce procédé est très utilisé en distribution.




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Zig-Zag explications

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Zoom zig-zag transfo 1
Le secondaire est câblé assez bizarrement, allons voir de plus près....
Zoom zig-zag transfo 2
En effectuant un zoom sur le secondaire, nous constatons que les demi-bobines sont croisées...
Animation zigzag vecteurs
Sans croisement, le déphasage serait de 60°, ce qui rendrait la somme vectorielle des 2 égale en amplitude à celle qui manque, anéantissant tout gain d'amplitude ! (comme en triangle). Avec l'opposition à 90°, on obtient 120° comme en étoile et la somme devient égale à tension unitaire × √3
Déphasage Zig-zag
Les tensions de sortie sont déphasées de 60° par rapport au primaire. Notez aussi le symbole du zig-zag.
symbole transfo triangle zigzag
Primaire à gauche en triangle, secondaire en zig-zag à droite. Ce transfo, très usité en distribution pour ses propriétés d'équilibrage limite aussi, de par son déphasage et de la somme vectorielle ne sollicitant jamais 1 seule phase, les distorsions de signal.




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Le montage zig-zag permet ? ...


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EE = à vide, au 'coeur' du générateur
U = tension réelle aux bornes de la source de tension
, la tension induite...

  • Une bobine devient source d'une tension E uniquement lors de variations de champ
  • E est proportionnel à l'intensité du champ magnétique
  • E est aussi inversement proportionnel au tempsPlus le temps requis pour faire varier ce champ est court, plus l'effet est élevé
    (Vu avec : introduction de l'aimant...)
    E est proportionnel à la vitesse
    La vitesse est un déplacement par unité de temps, il est plus simple de raisonner directement sur le temps !
  • E s'oppose, E est donc négatif –
Mettons tout celà en équation :

Tension E = – ( Variation de flux / temps requis pour cette variation )


E = - ( ΔΦ / Δt )

Volt = - ( Weber / seconde )



Il existe bien des déclinaisons de cette formule générale, dans nos autres cours nous y reviendrons...

Transformateur, principe

Base du transformateur en début de vidéo



Ici nous mettons en évidence la tension induite lors d'une variation de champ magnétique.

Le shunt magnétique du poste à souder

Shunt magnétique réglage poste à souder
Cliquez sur l'image pour relancer l'animation
Simplifié à des fins pédagogiques, voici le principe de réglage des 'vieux' postes à souder par shunt magnétique. C'est en dégradant le shunt et en modifiant ainsi l'efficacité de transformation (au détriment du rendement) que l'on adaptait la puissance de soudage au diamètre de baguette souhaité.
Aujourd'hui l'électronique a bien amélioré tout cela !

Résistivité des principaux matériaux

Matériauρ
Argent16×10-9
Cuivre17×10-9
Or22×10-9
Aluminium28×10-9
Fer100×10-9

Notons au passage le ratio entre cuivre et fer :
100 / 17 = 5.88, soit environ 6 comme vu dans la vidéo !

Pour simplifier l'utilisation du tableau, nous allons utiliser ce résumé pratique :
1 m de cuivre en 1 mm² ≃ 0.017 ΩLe mm² est l'unité usuelle en électricité.
Ainsi de 10-9 on arrive à 10-3 ce qui est plus pratique à manier pour les calculs !
Un mètre de fil de suivre de 1 mm² de section offre une résistance de 17 mΩ.
Soit : 0.017 Ω


Coté aluminium :
1 m d'aluminium en 1 mm² ≃ 0.028 ΩLe mm² est l'unité usuelle en électricité.
Un mètre de fil d'aluminium de 1 mm² section offre une résistance de 28 mΩ
Soit : 0.028 Ω


Alors aluminium ou cuivre ? Si le coté économique peut jouer, nous resterons sur un plan technique :
L'aluminium est 28 / 17 ≃ 1,65 fois plus résistif que le cuivreA section et longueur comparables :
Ainsi on choisit 16 mm² aluminium pour remplacer 10 mm² en cuivre,
25 mm² en 'alu' au lieu de 16 mm² en cuivre...
, en augmentant donc la section pour conserver les mêmes caractéristiques électriques coté résistance, on subira un fil plus volumineux (la section augmentera de 60%) ! Mais il sera plus léger...
En effet, la densitéla densité est une valeur sans unité relative à l'eau pure.
Un litre d'eau = 1 kilogramme = densité 1 = la référence
Le cuivre est donc quasiment 9 fois plus 'lourd' à volume identique...
du cuivre est de 8.92 pour seulement 2.7 pour l'aluminium.
Soit une densité : 8.92 / 2.7 ≃ 3.3 fois moindre pour l'aluminium...
Malgré la compensation nécessaire en section et donc masse d'≃ 60 % :
3.3 / 1.6 ≃ 2
L'aluminium pour une résistance égale sera 2 fois plus léger... C'est une des raisons de son choix pour certaines applications où la masse des conducteurs est un facteur important :
Lignes électriques aux piliers moins soumis à contraintes et plus éloignés...

Courants de Foucault

Lorsqu'une masse conductrice subit une variationComme pour les transformateurs, cela ne s'applique pas à un champ fixe
(aimant immobile ou alimentation continue lisse sans mouvement)
A noter que cette masse agit comme une spire secondaire en court-circuit
de flux magnétique, elle est soumise à une tension induite qui, de par la conductanceL'inverse de la résistance 1 / R, une conductance élevée offre une résistance faible, le cuivre mais aussi fer, inox... Offrent une forte conductance. Celle des isolants tend vers 0. de la masse, engendre à son tour une intensité et donc 2 phénomènes :
  • Un échauffement de par les pertes Joule : Pj = R × I²
  • La force de LaplaceVoir le moteur à courant continu qui s'oppose à cette variation

Chauffe par induction

Puissance ≃ 200 W
La vidéo ci-dessus utilise un module Haute Fréquence qui s'inspire de ce qui est utilisé dans bien des applications dont les plus connues sont les plaques de cuisine, les fours et les bobines utilisées pour chauffer des axes à coeur uniformément et rapidementTraitements de surface, modification de dimension temporaire pour réaliser ou retirer des ajustements serrés de roulements à billes ou autre....

Ralentisseur : la force de Laplace

Roue de ralentisseur TelmaLe fil conducteurCuivre, aluminium... : conducteur électrique se déplace sur le 'rail de Laplace' car une intensité le traverse alors qu'il est soumis à un champ. Les ralentisseursComme le moteur asynchrone ne tourne que parce qu'il subsiste un champ tournant, d'où le glissement, le ralentisseur n'oppose une force que parce qu'il subsiste une rotation mécaniques connus sous le nom de la marque TelmaMarque réalisant des ralentisseurs pour camions, trains... utilisent cette particularité. Là le champ magnétique est fixe et continu mais c'est la masse de métal, un disque ou une roue de train, qui tourne devant la bobine, ce qui revient au même !
L'effet est identique : courant de Foucault ⇒ force qui en s'opposant viendra ralentir la roue ou le disque en mouvement tout en provoquant un échauffement...
Encore une fois, ce procédé ne peut freiner totalement l'objet car il faut qu'un champ tournant subsiste ! Donc plus le disque ralentit, moins la tension induite et donc moins  l'intensité est élevée ce qui réduit la Force de ralentissement... Ce ralentisseur sera plus efficace à grande vitesse, sans effet à l'arrêt, d'où son nom ! Notons que l'énergie absorbée en ralentissant est dissipée en chaleurSans protections et précautions, un usage trop intensif du ralentisseur peut provoquer un incendie !.

Déterminer le calibre, InIntensité nominale, IccIntensité de court-circuit = intensité maximale, PdCPouvoir de Coupure des protections électriques

Comment sont déterminés les choix des protections à la sortie du transformateur dans une usine ?
Voici un premier schéma simplifié en monophaséEn triphasé, il convient simplement de répéter cela à chaque phase... pour appréhender tout ceci :
Schéma simplifié du circuit protection sortie transfo
Nous verrons comment sont déterminées les intensités nominales et maximales (PdC) tant coté sortie qu'en armoire déportées représentées à droite sur le schéma ci-dessus...

Le fabriquant nous communique :


Courbe tension en fonction de l'intensité transfo
  • Un en charge (pour In, I nominal), U0 (à vide)
  • Rappel Un . In . √3Uniquement en triphasé = S en VA
  • Icc (Intensité de court-circuit du transfo)

Données pour le magnétothermique :


  • In : calibre nominal de la protection
  • Icc : Intensité de déclenchement en cct
    (lié aussi à la courbe de déclenchement : C, D, MA... )
  • PdC : Pouvoir de coupure en Ampères
    (I maxi avant destruction ; ex : 10 kA IEC)
Courbes déclenchement disjoncteur magnéto-thermqiue

Données du câble via sa section, longueur :


Résistance R = ρ × lg / Section

  • In, (I nominal), du disjoncteur de tête doit être inférieur ou égal à In transformateur
  • PdC, (intensité de Pouvoir de Coupure), du disjoncteur de tête doit être supérieur à Icc transfo pour garantir qu'il parviendra à ouvrir sans se détruire !
  • Icc (I court-circuit) du disjoncteur de tête doit être inférieur à Icc transformateur
  • Le PdCPouvoir de Coupure des magnétothermiques déportés doit être supérieur à Icc du disjoncteur en amont !
  • Icc (I court-circuit) des magnétothermiques déportés doit être inférieur à I max (I max = Un transfo / R ligne : câbles+contacts+...) pour garantir qu'il ouvrira bien instantanément en cct et pas en surcharge quelques secondes après !
Temps d'ouverture d'un disjoncteur en surcharge ≃ 5 s donc risque d'incendie !
Alors qu'en déclenchement cct le délai est inférieur à 0.02 s !

Rappel : Icc disjoncteur = In × 5 à 10 pour une courbe C (U), 20 × et plus en courbes D, MA...

Déporté, schéma unifilaire simplifié :

Résistances pour dimensionner le Pdc, Icc
En bout d'installation, à cause de la résistance des câbles de liaison, I max (en rouge foncé sur le schéma), est largement inférieur à Icc transfo !
Si l'on réalise un cct en bout d'installation, l'intensité sera limité par ces câbles et donc sera plus faible que le Icc du transformateur...
En effet, les résistances des fils, des contacts intermédiaires, des connexions, du/des disjoncteur(s) en amont... ...sont en série et s'ajoutent, diminuant cette intensité I max.

Il convient donc de s'assurer que I déclenchement en cct du magnéto-thermique déporté soit ≪ (très inférieur) à ce I max sous peine de déclenchement en simple surcharge du disjoncteur Mg-ThMagnéto-Thermique, cct et surcharges et donc avec un délai dangereux engendrant un risque d'incendie !

Une mesure de tension en chargeOn fait circuler une intensité représentative pour engendrer une chute de tension.
R sera trouvé simplement avec R = U / I
à la sortie du transformateur et à la sortie du dernier disjoncteur sont le moyen le plus sûr de mesurer ces résistances réellesSi l'on peut estimer R fil (ρ × lg / S), il en va autrement des résistances de contact et de leur tenue dans le temps.... !
Document TGBT protections en pdf
Conseils+, compléments, prérequis :
Lenz Faraday
Intro. transformateur vidéo
Shunt poste à souder
Résistivité cuivre, alu...
Courants de Foucault
Protection transformateur

Cours connexes recommandés par l'auteur :

Crée le 19 / 03 / 2017, der. màj le 05 / 12 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 394 fois ★★☆☆☆
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