INSTALLATION ET ENTRETIEN DE TRANSFORMATEURS

 

Présentation du Module

« Installation et entretien de transformateurs » . L’objectif de ce module est de donner au technicien les connaissances nécessaires sur la construction, les caractéristiques, l’installation et l’entretien des transformateurs mono et triphasés. 

Il est basé sur les connaissances acquises dans les modules précédents de compétences générales et particulières, étudiés pendant la première année de formation. 

Le stagiaire est placé dans une situation où il va pouvoir appliquer professionnellement les acquis sur les notions en courant alternatif, sur les outils en usinage manuel et ceux d’électricien, sur les règles de santé et sécurité au travail. 

   1. INTRODUCTION

Le transformateur est une machine statique à induction électromagnétique permettant de transformer un système de courant en un ou plusieurs autres systèmes alternatifs, de tentions et d’intensité généralement différents, mais de fréquence identiques, avec un excellent rendement.

 Ces différents systèmes de courant sont électriquement séparés.

S’il est vrai que les règles de l’électromagnétisme auxquelles répondent les transformateurs demeurent les mêmes, les perfectionnements apportés aux matériaux magnétiques, conducteurs et isolants, et aux moyens de leur mise en œuvre ont permis d’atteindre à ce jour, avec un taux de fiabilité accrue, des tensions de plus de 800 kV, et des performances unitaires supérieures à 1600 MVA, ceci malgré des contraintes de transport de masses indivisibles de plus en plus strictes.

C’est un appareil robuste qui est le plus souvent monophasé. Il est très utilisé en électrotechnique car c’est l’appareil de base pour le transport de l’énergie électrique (fig. 1-1). 

Il joue un grand rôle en électronique, soit avec un circuit magnétique pour les alimentations à basse fréquence, soit sans circuit magnétique pour les circuits couplés en haute fréquence. 

  1.1. Définitions

Un tel appareil représente un quadripôle, c’est-à-dire un circuit muni de quatre bornes (ou pôles)

 (fig. 1-2) : 

 

          • une première paire de bornes, E1 et E2, constitue l’entrée ;

           • une seconde paire de bornes, S1 et S2, constitue la sortie.

Le transformateur reçoit de la puissance, entre ses bornes d’entrée, de la part du générateur qui l’alimente. C’est le côté primaire de l’appareil Il restitue presque intégralement cette puissance au récepteur (dit charge du transformateur) branché entre ses bornes de sortie. C’est le côté secondaire. Autrement dit, son rendement est excellent.

Si I1 et I2 sont des valeurs efficaces des courants sinusoïdaux circulant, d’une part entre E1 et E2 et d’autre part entre S1 et S2, on a sensiblement :

U1 . I1 = U2 . I2

Si U1 > U2 ⇒ I1 < I2 , le transformateur est alors :

    • élévateur de tension,

    • abaisseur de courant.

Si U1 < U2 ⇒ I1 > I2 , le transformateur est alors :

    • abaisseur de tension,

    • élévateur de courant. 

Comme tout appareil électrique, chaque transformateur est spécialement calculé pour fonctionner :

   • sous une tension primaire U1n,

   • en absorbant un courant voisin d’une valeur I1n.

Les valeurs U1n et I1n sont appelées les valeurs nominales et leur produit

Sn = U1n . I1n est la puissance apparente nominale de l’appareil.

La plaque signalétique, fixée sur le transformateur, indique, en particulier, les valeurs de Sn, U1n et U2n (la valeur de la tension secondaire nominale). 

  1.2. Symboles

Pour les schémas on utilise les représentations symboliques sur la fig. 1-3. Pour les transformateurs triphasés il est nécessaire d’indiquer le type de couplage au primaire et au secondaire. 

  1.3. Constitution

Un transformateur monophasé (fig. 1-4) est constitué de deux enroulements non liés électriquement, mais enlaçant un même circuit magnétique, c’est-à-dire couplés magnétiquement entre eux.

Le circuit magnétique est un ensemble fermé comportant souvent deux noyaux (ou colonnes) et deux culasses (ou traverses) réunissant les noyaux.

Le circuit magnétique est le siège d’un champ magnétique sinusoïdal, ce qui entraîne des pertes magnétiques (exprimées en watts), par courant de Foucault et dues à l’hystérésis. 

Les enroulements sont repartis sur les noyaux : le primaire est relié aux bornes d’entrée et se comporte comme un récepteur ; le secondaire est relié aux bornes de sortie et se comporte comme un générateur.

Etant donné que le transformateur est le siège de deux types de pertes :

magnétiques dans les tôles du circuit magnétique et par effet Joule dans le cuivre des enroulements, cette puissance électrique consommée et non restituée à la charge apparaît sous forme de chaleur au sein du transformateur. Cette chaleur doit être entièrement évacuée vers l’extérieur pour empêcher la détérioration des isolants.

 

Il faut prévoir un dispositif de refroidissement. 

  1.4. Théorie élémentaire

Il faut préciser d’abord que toutes les grandeurs relatives au primaire sont affectées de l’indice 1 (nombre de spires N1, …) et au secondaire sont affectées de l’indice 2 (nombre de spire N2, …). 

    • Conventions de signes et hypothèses de travail

Afin de mettre en évidence les différents sens le transformateur est représenté (fig.1-5) avec les enroulements primaire et secondaire disposés sur un seul noyau et séparés l’un de l’autre (ce qui ne correspond pas à la réalité technologique).

Le sens positif choisi pour exprimer le champ magnétique B dans les tôles est lorsque les lignes de champ, dans la colonne gauche, seront dirigées vers le haut.

A l’aide de la règle du tire-bouchon, on déduit du choix précédent les sens positifs des courants primaire i1 et secondaire i2.

On adopte enfin les sens positifs des tensions primaire u1 (fonctionne en récepteur) et u2 (fonctionne en générateur).

On suppose que les résistances R1 et R2 du primaire et du secondaire sont suffisamment faibles pour avoir les chutes de tension i1.R1 et i2.R2 négligeables devant les tensions u1 et u2 (R1 = R2 = 0).

On suppose que le champ magnétique B, créé par les courants i1 et i2, est constitué de lignes de champ parfaitement canalisées par les tôles, c’est-à-dire traversant les N1 spires du primaire et les N2 spires du secondaire.

Si le flux unitaire est représenté par Ψ, on a le flux total à travers le primaire Ψ1 = N1.Ψ et Ψ2 = N2. Ψ.

    • Constance du champ magnétique et équilibre des f.m.m.

La tension sinusoïdale appliquée entre les bornes du primaire est :

u1 = U1 √2 sin ωt

Puisque la résistance est nulle, la loi d’Ohm s’écrit le long de l’enroulement primaire (fig. 1-6) : 

e1 étant la f.é.m. induite dans les spires du primaire par le champ magnétique existant dans les tôles. Mais :

e1 = - dΨ1/dt = -d(N1.Ψ)/dt = - N1.dΨ/dt

Donc :

u1 = U1 √2 sin ωt = N1.dΨ/dt

dΨ/dt = U1 / N1.√2 sin ωt 

D’où :

Ψ = U1 / ω.N1.√2 sin (ωt - π/2)

Si l’aire de la section du noyau est s, on a Ψ = b.s, d’où :

b = U1 / ω.s.N1.√2 sin (ωt - π/2)

Le champ magnétique dans les tôles est sinusoïdal avec la même pulsation ω que la tension primaire u1 et le déphasage par rapport à la même de - π/2 (quadrature en arrière). Son amplitude a pour expression:

Bm = U1 / ω.s.N1.√2

Pour un transformateur donné (c’est-à-dire N1 et s fixés) les trois caractéristiques du champ b ne dépendent que de la tension u1 appliquée au primaire.

Si l’appareil est toujours alimenté par le même réseau, le champ magnétique garde la même expression quelle que soit le récepteur branché au secondaire.

C’est ce qu’on appelle la constance du champ magnétique.

Le champ magnétique b créé par le courant i1 circulant dans les N1 spires du primaire et le courant i2 circulant dans les N2 spires du secondaire (fig. 1-4),

autrement dit par la force magnétomotrice (f.m.m.) totale N1.i1 + N2.i2

Comme le champ b reste toujours le même quelque soit le courant i2 débité, il en est de même de la grandeur qui le provoque. Pour une tension primaire u1 donnée la force magnétomotrice totale

N1.i1 + N2.i2 garde toujours la même expression. 

Considérons les deux fonctionnements de l’appareil :

    • Transformateur à vide (i2 = 0)

Il absorbe au primaire un courant très faible (fig. 1-7a), appelé courant à vide, i0. La f.m.m. donnant naissance au champ se réduit à N1.i0. 

    • Transformateur en charge

La f.m.m. donnant naissance au champ (fig. 1-7b) a l’expression N1.i1 + N2.i2.

Comme ce champ est le même que dans le fonctionnement à vide, on a : 

N1.i1 + N2.i2 = N1.i0.

N1.i1 = N1.i0.- N2.i2 

i1 = i0 + (- m.i2), avec m = N2/N1

Lorsqu’on passe du fonctionnement à vide au fonctionnement en charge, le primaire appelle un courant supplémentaire (- m.i2) : ce courant, dit courant de travail, circule dans les N1 spires du primaire et crée aussi une f.m.m. qui annule exactement la f.m.m. du secondaire.

N1. (- m.i2) + N2.i2 = 0, puisque m = N2/N1

Par la suite, seule la f.m.m. N1.i0 donne naissance au champ : c’est la raison pour laquelle le courant à vide i0 est souvent appelé courant magnétisant.

En charge, le courant i1 absorbé au primaire est la somme de deux composantes :

    • le courant magnétisant i0 qui crée le champ magnétique dans les tôles ;

    • le courant de travail (- m.i2) proportionnel au courant débité dans le récepteur.

Le courant à vide i0 comporte (fig. 1-8) : 

• une composante active i00 (en phase avec u1) due aux pertes magnétiques dans les tôles et, par suite, d’autant plus faible que ces tôles sont de meilleure qualité ;

• une composante réactive i0b (en quadrature en arrière par rapport à u1) qui correspond au champ b et qui est d’autant plus faible que les entrefers du circuit magnétique sont réduits. 

Dans la plupart des transformateurs industriels le courant i0 a une valeur efficace I0 très inférieure à la valeur nominale I1n du courant primaire ; en conséquence, sauf pour le fonctionnement à vide, on peut négliger i0 devant i1 et écrire : i1 = - m.i2

Les f.m.m. du primaire et du secondaire s’équilibrent pratiquement

  1.5. Fonctionnement du transformateur parfait 

Le transformateur parfait est un appareil idéal (c'est-à-dire qui n’existe pas en toute rigueur) pour lequel:

  • Les résistances R1 et R2 des deux enroulements sont nulles ;

  •  Les lignes de champ enlacent toutes les spires des deux enroulements ;

  •  Le courant à vide i0 est nul

  1.5.1. Définitions et équations du transformateur parfait 

Le fonctionnement d’un tel transformateur est régi par trois équations (fig. 1-9) :

    • La loi d’Ohm au primaire u1 = N1.dΨ/dt

    • La loi d’Ohm au secondaire 

Le champ magnétique b induit dans les N2 spires du secondaire la f.é.m. 

e2 = -dΨ2/dt ; mais la convention adoptée pour le secondaire étant générateur, la loi d’Ohm s’écrit :

u2 = e2.

u2 = N2.dΨ/dt

• La relation entre les courants i1 = - m.i2

On déduit des équations ci-dessus le rapport de transformation m : m = u2/u1 = N2/N1

Pour un transformateur parfait le rapport U2/U1 est une constante indépendante des courants : il est égal au rapport des nombres de spires.

Mais étant donné que la tension u1 est sinusoïdale :

 • La tension secondaire étant égale à u2 = m.u1, elle est aussi sinusoïdale.

 • Si le récepteur est linéaire, le courant i2 dû à la tension u2 est sinusoïdal.

 •  Comme i1 = m.i2, le courant primaire est aussi sinusoïdal.

Les quatre grandeurs u1, i1, u2 et i2 sont toutes sinusoïdales : on peut introduire leurs vecteurs de Fresnel (fig. 1-10).

 

Les tensions u1 et u2 sont en opposition de phase et ont des valeurs efficaces U1 et U2 telles que U2/U1 = m. Les courants i1 et i2 sont en opposition de phase et ont des valeurs efficaces I1 et I2 telles

que I2/I1=1/m. Si N2 > N1, c'est-à-dire si m > 1, on a U2 > U1 et I2 < I1, le transformateur est élévateur de tension et abaisseur de courant. Si N2 < N1, c'est-à-dire si m < 1, on a U2 < U1 et I2 > I1,

le transformateur est abaisseur de tension et élévateur de courant. 

  1.5.2. Diagramme de fonctionnement et bilan de puissances 

Un transformateur parfait de rapport m est soumis à une tension sinusoïdale u1 connue et débite dans un récepteur connu. De la tension u1 on déduit la tension secondaire u2 = m. u1.

Le récepteur étant connu, on détermine à partir de u2 le courant secondaire i2. Du courant i2 on déduit le courant primaire i1 = m. i2.

Il est possible de construire les vecteurs de Fresnel des quatre grandeurs u1, i1, u2 et i2.

Le récepteur impose le déphasage ϕ2 de u2 par rapport à i2. On constate que le déphasage ϕ1 de u1 par rapport à i1 est égal à l’angle ϕ2.

Le facteur de puissance cos ϕ1 entre les bornes du primaire est égal au facteur de puissance cos ϕ2 du récepteur alimenté par le secondaire.

Les puissances active et réactive absorbées au primaire sont :

P1 = U1 . I1 . cos ϕ1 et Q1 = U1 . I1 . sin ϕ1

Il est facile de transformer P1 et Q1 et d’introduire les puissances active et réactive, P2 et Q2, fournies à la charge :

P1 = (U2/m) . m.I2 . cos ϕ2 = U2 . I2 . cos ϕ2 = P2

Q1 = (U2/m) . m.I2 . sin ϕ2 = U2 . I2 . sin ϕ2 = Q2

Les puissances active et réactive absorbées sont intégralement transmises au récepteur alimenté par le secondaire du transformateur.

Le transformateur parfait ne présente aucune perte : son rendement est égal à 100%

     1.6. Intérêt et limite de la théorie du transformateur parfait  

Pour démontrer l’utilité de la théorie du transformateur parfait il faut comparer par des études expérimentales le fonctionnement d’un transformateur réel aux prévisions de l’appareil parfait. 

  1.6.1. Fonctionnement à vide

A l’aide d’un dispositif (par exemple, un autotransformateur) on fait varier la tension primaire 

(fig. 1-11) U1 de 0 à Un. Pour chaque valeur on détermine :

  ƒ la puissance absorbée P0 ;

  ƒ le courant primaire I0 ;

  ƒ la tension secondaire U20

Si on compare le fonctionnement d’un transformateur réel aux prévisions obtenues en supposant l’appareil parfait on peut conclure :

 ƒ A vide un transformateur réel délivre la même tension secondaire que s’il était parfait, donc le rapport U20/U1 = N2/N1 = m.

 ƒ A vide un transformateur réel absorbe un courant qui ne vaut que quelques pour cent du courant primaire nominal. Le courant de magnétisation I0 est très faible par rapport au courant nominal I1n.

 ƒ A vide un transformateur réel consomme une puissance dont la valeur relative n’excède pas quelques pour cent. La puissance P0 représente les pertes à vide. 

1.6.2. Fonctionnement en charge

Le primaire étant soumis à une tension nominale le transformateur est chargé progressivement (par exemple, à l’aide d’un rhéostat) à fin d’obtenir différentes valeurs du courant secondaire I2 et on mesure (fig. 1-12) :

 ƒ le courant primaire I1 ;

 ƒ la tension secondaire U2 ;

 ƒ la puissance primaire P1.

Les résultats obtenus montrent :

 ƒ En charge un transformateur réel délivre une tension secondaire qui décroît légèrement lorsque le courant secondaire augmente (la chute de tension au secondaire ; l’enroulement du transformateur est aussi un consommateur).

 ƒ En charge un transformateur réel est parcouru, comme un transformateur parfait, par des courants I1 et I2, tel que I1 = m.I2 (sauf aux faibles charges).

 ƒ Contrairement au cas du transformateur parfait les pertes existent et croissent avec le courant I2. Le rendement du transformateur η = P2 / P1 reste bon, mais inférieur à 100% (noter que P2 = U2 . I2, charge résistive).