Transformateurs spéciaux

Électrotechnique

Dans les applications industrielles, on rencontre un grand nombre de transformateurs de construction spéciale. La plupart possèdent les propriétés de base que nous avons étudiées dans le chapitre précédent :

1. La tension induite dans un enroulement est proportionnelle au nombre de spires;

2. Lorsque le transformateur est en charge, les ampères.tours du primaire sont égaux aux ampères-tours du secondaire ;

3 . Le courant d'excitation est négligeable par rapport à la valeur du courant de pleine charge du primaire.

Cependant, lorsque le couplage entre le primaire et le secondaire est relativement faible, et lorsque le courant d'excitation est élevé, ces relations ne tiennent plus.

Dans ces circonstances, on doit utiliser le circuit équivalent complet pour décrire le comportement du transformateur.

Nous étudierons vers la fin de ce chapitre les propriétés de ce type de transformateur. Cette analyse est particulièrement utile car elle nous permettra de comprendre les circuits couplés quelconques .

Transformateur à secondaire double

La plupart des transformateurs destinés à la distribution de l'énergie électrique chez les clients domiciliaires ont un enroulement à haute tension (le primaire) et un double enroulement à basse tension.

Les deux secondaires sont raccordés en série de sorte que la tension entre chacun des fils extérieurs et le fil central est de 120V, tandis qu'elle est de 240V entre les deux fils extérieurs (Fig. 31-1).

Figure 31-1 Transformateur de distribution à secondaire double de 14,4 kV à 240/120 V. Le neutre N est habituellement mis à la terre

Le fil central (appelé neutre) est généralement mis à la terre. Nous verrons à la section Distribution de l'énergie électrique l'avantage d'un tel système de distribution à 120V/240V.

Ces transformateurs sont souvent suspendus sur les poteaux de la compagnie d'électricité et chacun alimente un, deux et parfois jusqu'à une vingtaine de clients (Fig. 31-2).

Figure 31-2 Transformateur de distribution de 100 kVA, 14,4 kV à 240/120 V. Le primaire est branché entre la terre et une des trois phases au sommet du poteau

L'appel de puissance imposé par les clients fait varier beaucoup la charge de ces transformateurs de distribution au cours de la journée.

Dans les secteurs résidentiels, la crête de puissance a lieu le matin, et une autre se produit entre 5 h et 7 h du soir. Comme la durée de l'appel de puissance maximal n'excède jamais 2 heures, ces transformateurs fonctionnent la plupart du temps à faible charge.

Étant donné que des dizaines de milliers de ces transformateurs sont branchés sur le réseau, on cherche à minimiser leurs pertes à vide. On atteint cet objectif en utilisant des noyaux en acier de très haute qualité .

Autotransformateur

On appelle autotransformateur, un transformateur composé d'un enroulement unique monté sur un noyau d'acier. La haute tension est appliquée à l'enroulement complet et la basse tension est obtenue entre une extrémité de l'enroulement et une prise intermédiaire.

Soit un autotransformateur (Fig. 31-3) composé d'un enroulement AB de N₁ spires monté sur un noyau de fer.

Figure 31-3 Autotransformateur ayant N₁ spires entre les bornes A et B et N₂ spires entre les bornes A et C

L'enroulement est raccordé à une source de tension constante E_g. Le courant d'excitation crée un flux et, comme dans tout transformateur, ce flux demeure constant tant que E_g est constante.

Supposons que l'on sorte une prise C entre les extrémités A et B de l'enroulement, et que N₂ spires soient comprises entre les bornes A et C. Comme la tension induite est proportionnelle au nombre de spires, la tension entre ces bornes est :

E₂ = N₂ / N₁ x E₁    (31-1)

Cette relation est la même que celle obtenue avec un transformateur conventionnel à deux enroulements ayant N₁ et N₂ spires.

Cependant, comme les enroulements primaire AB et secondaire AC ont une borne commune A, ils ne sont plus isolés.

Si l'on branche une charge aux bornes C et A, le courant I₂ provoque la circulation d'un courant I₁ au primaire (Fig. 31-4).

Figure 31-4 Dans un autotransformateur on a N₁I₁=  N₂I₂ et E₁I₁=  E₂I₂.

La section BC de l'enroulement porte le courant I₁.

D'après la deuxième loi de Kirchhoff, appliquée au noeud A, la section CA porte un courant (I₂ - I₁).

De plus, la FMM créée par I₁ doit être égale et opposée à celle produite par (I₂ - I₁).

On a donc:

I₁(N₁ - N₂) = (I₂ - I₁)N₂

soit:

N₁I₁=  N₂I₂     (31-2) 

Enfin, si l'on suppose que les pertes et le courant magnétisant sont négligeables, la puissance apparente absorbée par la charge doit être égale à celle fournie par la source.

Par conséquent,

E₁I₁=  E₂I₂    (31-3) 

On constate que les équations (31-1), (31-2) et (31-3) sont identiques à celles obtenues avec un transformateur conventionnel ayant un rapport de transformation N₁ / N₂.

Cependant, dans un autotransformateur, l'enroulement secondaire fait partie de l'enroulement primaire. Il s'ensuit qu'un autotransformateur est plus petit, moins lourd et moins coûteux qu'un transformateur conventionnel de même puissance.

Cette économie devient particulièrement importante lorsque le rapport de transformation E₁ / E₂ se situe entre 0,5 et 2.

Par contre, l'absence d'isolation entre la haute tension et la basse tension constitue parfois un grand inconvénient.

Les autotransformateurs servent au démarrage à tension réduite des moteurs, à la régulation de la tension des lignes de distribution et, en général, à la transformation de tensions de valeurs assez rapprochées.

Exemple 31-1