Transformateurs Spéciaux

Dans ce chapitre, nous avons étudié les propriétés des transformateurs spéciaux, c'est-à-dire ceux dont la construction diffère du simple transformateur à deux enroulements présenté au chapitre précédent . Il existe de nombreux types de transformateurs spéciaux . Selon le couplage entre les enroulements, on pourrait résumer leurs propriétés en les regroupant en deux grandes catégories . Dans une première catégorie de transformateurs spéciaux, les propriétés de base du transformateur quasi idéal sont conservées: 1) la tension induite dans chaque enroulement est proportionnelle au nombre de spires, car les flux de fuites sont faibles et 2) la somme algébrique des forces magnétomotrices NI de tous les enroulements est nulle, ce qui revient à dire que le courant de magnétisation est négligeable . Dans cette catégorie on trouve les transformateurs de puissance comme le transformateur à secondaire double utilisé pour effectuer la distribution d'électricité dans les maisons, l'autotransformateur et les transformateurs à plusieurs enroulements . Pour des rapports de transformation voisins de l'unité (généralement compris entre 0,5 et 2) l'autotransformateur est moins coûteux que le transformateur conventionnel. Nous avons vu aussi comment monter un transformateur à deux enroulements isolés en autotransformateur abaisseur ou élévateur de tension . Les connexions doivent alors tenir compte des marques de polarité . Entrent aussi dans cette catégorie les transformateurs de mesure qui transforment de faibles puissances, soit le transformateur de courant et le transformateur de tension . Pour le transformateur de courant toroïdal le primaire est constitué d'une seule spire formée par le seul conducteur dont on veut mesurer le courant . Une deuxième catégorie de transformateurs spéciaux englobe les transformateurs à fuites élevées ou à courant de magnétisation important qui sont utilisés dans divers appareils et procédés industriels . Par exemple, les transformateurs utilisés pour l'alimentation des fours à arc, la soudure électrique et l'alimentation des lampes à gaz, ont des réactances de fuite élevées pour limiter le courant. Les transformateurs utilisés pour le chauffage à induction ont un courant de magnétisation élevé et, de ce fait, consomment une grande puissance réactive qui doit être compensée par des condensateurs . Nous avons vu aussi que quel que soit le couplage entre les enroulements il est toujours possible de trouver un circuit équivalent permettant de prévoir le comportement du transformateur alimentant n'importe quelle charge. On a aussi montré que l'on peut même trouver le circuit équivalent d'un circuit couplé quelconque dont on ne peut préciser les nombres de spires . Finalement, nous avons montré les applications d'une propriété fondamentale du transformateur : si l'on maintient une densité de flux constante dans le noyau et une densité de courant constante dans les conducteurs, la puissance que l'on peut en tirer est proportionnelle à sa fréquence d'alimentation . C'est pourquoi l'utilisation d'une haute fréquence, comme le 400 Hz, permet de réduire la taille des transformateurs dans les réseaux embarqués à bord des avions . Dans les alimentations à découpage, l'utilisation de très hautes fréquences, de l'ordre de 100 kHz, combinée avec l'emploi d'aciers spéciaux, permet une réduction substantielle des dimensions tout en améliorant la qualité de la tension c.c . de sortie.

Transformateurs

Le transformateur est un appareil très simple permettant de modifier la tension et le courant dans un circuit à courant alternatif. Dans sa forme la plus élémentaire, il est constitué de deux bobines couplées appelées primaire (côté source) et secondaire (côté charge) montées sur un noyau. Bien que le transformateur idéal n'existe pas, il est important d'en connaître les propriétés fondamentales car les transformateurs utilisés en pratique ont des propriétés très semblables . Pour le transformateur idéal, le rapport des tensions primaire et secondaire est égal au rapport des nombres de tours de ces deux enroulements. Les courants sont dans le rapport inverse . Le transformateur idéal change donc les valeurs des tensions et des courants, et «transforme» les impédances . Toutefois, la puissance active et la paissance réactive sont transportées sans aucune perte du primaire au secondaire . Pour les transformateurs utilisés en pratique, il faut considérer les pertes et le couplage imparfait entre les bobines . Le noyau de fer est le siège de pertes actives dues à l'hystérésis et aux courants de Foucault . De plus, le flux requis par le noyau exige un courant magnétisant qui se traduit par une absorption de puisssance réactive . À cause de la résistance des enroulements, des pertes sont également dissipées dans le cuivre . Enfin, comme tout le flux créé par le primaire ne traverse pas complètement le secondaire, et vice versa, il faut considérer les flux de fuite qui se traduisent par des puissances réactives supplémentaires . L'échauffement causé par les pertes actives dissipées dans le noyau et les enroulements exigent l'utilisation de méthodes de refroidissement . Selon la puissance, on utilise le refroidissement par circulation naturelle ou forcée de l'air et/ou de l'huile . Malgré leurs imperfections, les transformateurs demeurent des appareils de rendement élevé . Si l'on prend en considération les différentes imperfections du transformateur, on peut établir un circuit équivalent pour le transformateur réel . Ce circuit comprend un transformateur idéal auquel on ajoute les résistances et les réactances de fuite des enroulements, ainsi qu'une branche de magnétisation . Ce circuit permet de calculer avec précision les pertes et les chutes de tension à l'intérieur du transformateur . Dans les calculs impliquant des transformateurs de grande puissance, on peut même simplifier le circuit équivalent à une simple réactance de fuite en série avec le transformateur idéal .

Transformateurs triphasés

Tout comme sur les lignes monophasées, on utilise des transformateurs pour élever ou abaisser la tension des lignes triphasées . Cette transformation peut être effectuée avec des transformateurs triphasés comportant trois enroulements primaires et trois enroulements secondaires, ou avec des montages spéciaux de transformateurs monophasés .

Avant d'interconnecter les enroulements dans un montage triphasé, il est bien important d'en connaître la polarité car une erreur de connexion peut provoquer un court-circuit ou un déséquilibre des tensions .

Lorsqu'on utilise trois transformateurs monophasés pour transformer une tension triphasée, on peut raccorder les enroulements de diverses façons . Par exemple, les primaires peuvent être raccordés en triangle et les secondaires en étoile, ou vice versa. Il s'ensuit que le rapport de transformation entre la tension triphasée d'entrée et la tension de sortie dépend non seulement

du rapport du nombre de spires, mais aussi de la manière dont les trois transformateurs sont raccordés .

Un groupe de transformateurs peut aussi produire un déphasage entre la tension triphasée d'entrée et la tension de sortie . La valeur du déphasage dépend du rapport de transformation et de la manière dont les primaires et secondaires sont interconnectés .

La possibilité de créer un déphasage avec un système triphasé permet aussi de changer le nombre de phases . Par exemple, un système triphasé peut être converti en système diphasé . On pourrait même, au besoin, le convertir en un système à 5 phases .

Pour comprendre le comportement de base d'un groupe de transformateurs triphasés, nous ferons les hypothèses suivantes :

1 . Les courants d'excitation sont négligeables ;

2. Les résistances et réactances de fuite sont négligeables;

3. La puissance apparente à l'entrée du groupe est égale

à la puissance apparente à la sortie . Notons aussi que lorsqu'ils sont utilisés dans un groupe

triphasé, les transformateurs monophasés conservent leurs propriétés monophasées . C'est dire que le rapport de transformation du courant et de tension, le flux dans le noyau et la valeur de l'impédance demeurent strictement inchangés . De plus, les tensions primaire et secondaire sont en phase, en tenant compte des marques de polarité ...

Le transformateur monophasé en régime sinusoidal

Dans la lignée des applications industrielles, le transformateur s’inscrit en suite logique de la bobine à noyau de fer. Cette machine statique comporte deux enroulements, le primaire et le secondaire, montés sur un circuit magnétique chargé de canaliser le flux d’induction. Son rôle est l’adaptation de la tension et du courant pour s’ouvrir vers un nouveau réseau de distribution de l’énergie électrique.

Après avoir présenté les notations adoptées dans ce document, le fonctionnement du transformateur est envisagé lorsque l’enroulement secondaire est ouvert. Ce fonctionnement à vide lui octroie un comportement et par conséquent un modèle rigoureusement identique à la bobine à noyau de fer : une résistance série issue de l’enroulement, une inductance série représentant les fuites magnétiques et un assemblage parallèle composé d’une résistance, synonyme de pertes fer, et d’une inductance magnétisante traduisant la création des grandeurs magnétiques. Cette partie se termine par la représentation vectorielle des grandeurs et un premier bilan énergétique.

Considérant le fonctionnement en charge (un récepteur est placé aux bornes du secondaire), la seconde partie reprend la mise en équation en tenant compte de tous les éléments. Cette démarche conduit à un schéma équivalent du transformateur en charge. C’est dans ce cadre que les tailles relatives des tensions et courants sont comparées pour effectuer une série d’hypothèses dites de Kapp. Deux nouveaux modèles sont alors envisagés. Le premier rassemble tous les éléments au primaire. Il traduit les préoccupations de l’exploitant chargé d’utiliser un transformateur pour créer un nouveau réseau. Le second renvoie tout au secondaire et les adjoint à la charge que l’utilisateur met en oeuvre.

Les déterminations utiles à l’exploitant sont étudiées grâce à ces modèles de Kapp : détermination de la tension secondaire, de la chute de tension au secondaire en charge et du rendement (après les études énergétique).

Plus proche encore des considérations pratiques, la dernière partie traite des procédés expérimentaux de détermination des éléments du schéma équivalent : un essai à vide sous tension primaire nominale et un essai en court-circuit en régime de courant secondaire nominal. De ces deux expériences, le document s’achève sur la détermination ratique des éléments d’exploitation du transformateur.

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