Transformateurs monophasés

Transformateurs monophasés 

De nombreux appareils sont conçu pour fonctionner en très basse tension :

soit pour des raisons de sécurité, 

soit pour pouvoir être alimentés à partir de piles ou de batteries, 

soit encore parce qu'ils utilisent des composants électroniques.

Pour pouvoir les brancher sur le secteur, il faut déjà abaisser la tension au niveau adéquat. Pour les petites puissances, on utilise un transformateur monophasé.

Dans cette étude, nous ferons un rappel sur le principe de fonctionnement, la formule de Boucherot qui permet de déterminer la valeur de la f.é.m. induite et le rapport de transformation.

Vous verrez ensuite :

leur constitution, 

puis les transformateurs triphasés.

  Principe de fonctionnement d'un transformateur :

Un transformateur est constitué de deux enroulements réalisés autour d'un circuit magnétique, comme le montre la figure suivante.

Schéma de principe d'un transformateur :

Le premier enroulement, constitué de N₁ spires, est appelé le primaire du transformateur. Si on l'alimente par une source de tension alternative U₁, il se crée un flux ø variable. Si la tension est sinusoïdale, comme c'est le cas généralement, le flux est également sinusoïdal.
Le second enroulement, constitué de N₂ spires, est appelé le secondaire du transformateur.
On sait que si un conducteur, une spire ou une bobine sont placés dans un champ magnétique variable, ils seront le siège de forces électromotrices (f.é.m.) induites.
C'est le cas de l'enroulement secondaire qui est traversé par le flux variable produit par le primaire et canalisé par le circuit magnétique. Le secondaire du transformateur sera donc le siège d'une f.é.m. induite U₂ sinusoïdale.
C'est la variation du flux qui est à l'origine de la f.é.m. induite. Si la tension du primaire est sinusoïdale, le flux l'est également et ses variations sont telles que la f.é.m. est également sinusoïdale. Mais si la tension du primaire est continue, le flux est constant et n'engendre pas de f.é.m. induite. Si U₁ est une tension continue, alors U₂ = 0 V.

 

Formule de Boucherot :

La formule de Boucherot nous permet de calculer la valeur efficace de la f.é.m.

E induite dans un enroulement constitué de N spires et soumis à un champ magnétique variable et sinusoïdale de valeur maximale B et de fréquence f :

Avec : S est la section en m² du circuit magnétique ;

B en Teslas (T).

La f.é.m. induite est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique, au nombre de spires et à la fréquence.

 Application

Le problème qui suit vous permettra d'appliquer la formule de Boucherot.

• Problème :

Calculer à l'aide de la formule de Boucherot la f.é.m. induite dans un enroulement de 60 spires si le champ magnétique est sinusoïdal, de valeur maximale 2 Teslas et de fréquence 50 Hz. La section est de 10 cm².

• Solution :

Appliquons la formule de Boucherot :
 

.

Avec :

B = 2 T ;S = 10 cm² = 0,001 m² ;N = 60 spires ;f = 50 Hz.

D'où :

E=4,44 x 2 x 0,001 x 60 x 50

E = 26,6 V.

La f.é.m. induite dans l'enroulement est de 26,6 V.

     

 Rapport de transformation d'un transformateur:

Le rapport de transformation, que l'on note m, est le rapport de la tension du secondaire sur celle du primaire.

Si l'on néglige les chutes de tension, il s'écrit :

Il est indépendant de la charge et puisque la formule de Boucherot vous a montré que la f.é.m. est proportionnelle au nombre de spires, on peut dire également que le rapport de transformation est aussi  celui du nombre de spires de l'enroulement secondaire sur celui de l'enroulement primaire.

Les transformateurs ont un très bon rendement, proche de l'unité. en particulier ceux de grande puissance. Cela signifie que la puissance absorbée est pratiquement égale à la puissance fournie par le transformateur à la charge.
Si P₁ est la puissance active absorbée au primaire et P₂ la puissance active fournie par le secondaire, on peut écrire :

P₁ = P₂.

Il en sera de même pour la puissance réactive :

Q₁ = Q₂.

Et par conséquent nous avons aussi égalité des puissances apparentes :

S₁ = S₂ soit U₁ I₁ = U₂ I₂.

I₁ est le courant de l'enroulement primaire et I₂ celui du secondaire.
Puisque :

U₁ I₁ = U₂ I₂  et que :

 


Alors :

                                                                  Application

• Problème :

Calculer le rapport de transformation d'un transformateur ayant
 1 600 spires au primaire et 480 spires au secondaire. Calculer la tension et le courant du secondaire si le primaire est alimenté en 230 V et absorbe 1,5 A.

• Solution :

1-Calcul du rapport de transformation :

Avec : N₂ = 480 spires et N₁ = 1 600 spires.

Le rapport de transformation du transformateur est égal à 0,3.

2-Calcul de la tension et du courant du secondaire :

D'où on tire les relations :

 U₂  =  0,3 x 430 V

 U₂  =  129 V .

Le courant secondaire vaut :

                                                                          I₂ = 5 A.

Caractéristiques et sympboles des transformateurs :

Les principales grandeurs caractéristiques permettant de définir et de choisir un transformateur sont les suivantes :

- tensions primaires (en V ou kV).
- tensions secondaires (en V ou kV).
- fréquence de fonctionnement (en Hz).
- puissance apparente (en VA ou kVA).

D'autres informations apparaissent également sur la plaque signalétique, ce sont par exemple :

- les chutes de tension.
- les normes auxquelles il répond.
- la classe d'isolation et d'échauffement.
- l'indice de protection (IP, annexe C).

Un exemple d'indications est donné sur la figure suivante Les normes régissant les transformateurs sont les suivantes :

- la norme IEC 989 traite des transformateurs d'isolement et définit les règles particulières pour les transformateurs de commande et de signalisation.
- la norme EN 60-742 (numéro de classement NF C 52-742) traite des transformateurs de sécurité et des transformateurs de séparation des circuits.
- la norme NF C 52-726 traite des transformateurs et des autotransformateurs de puissance de type sec.
- la norme NF C 52-100 traite des transformateurs de puissance ;
- la norme NF C 52-200 traite des transformateurs d'isolement de faible puissance pour applications diverses.

- la norme américaine UL 506 traite des transformateurs pour usage général dans lesquels sont inclus les transformateurs de commande ;
- la norme canadienne CSA C22.2 n° 66 traite des transformateurs pour usage divers et généraux dans lesquels sont inclus les transformateurs de commande.

Symboles des transformateurs :