Le principe de fonctionnement et le dispositif d'un transformateur monophasé

Transformateur monophasé à vide

Les transformateurs en génie électrique sont appelés de tels dispositifs électriques dans lesquels l'énergie électrique du courant alternatif d'une bobine de fil fixe est transférée à une autre bobine de fil fixe qui n'est pas connectée électriquement à la première.

Le lien qui transmet l'énergie d'une bobine à l'autre est le flux magnétique, qui s'imbrique avec les deux bobines et change constamment d'amplitude et de direction.

Riz. 1.

En figue. La figure 1a montre le transformateur le plus simple constitué de deux enroulements / et / / disposés coaxialement l'un au-dessus de l'autre. Vers la bobine / livré courant alternatif de l'alternateur D. Cet enroulement est appelé enroulement primaire ou enroulement primaire. Avec un enroulement // appelé enroulement secondaire ou enroulement secondaire, un circuit est connecté via des récepteurs d'énergie électrique.

Le principe de fonctionnement du transformateur

L'action du transformateur est la suivante. Lorsque le courant circule dans l'enroulement primaire / il est créé champ magnétique, dont les lignes de force pénètrent non seulement dans l'enroulement qui les a créées, mais aussi partiellement dans l'enroulement secondaire //. Une image approximative de la répartition des lignes de force créées par l'enroulement primaire est illustrée à la Fig. 1b.

Comme on peut le voir sur la figure, toutes les lignes de force sont fermées autour des conducteurs de la bobine /, mais certaines d'entre elles sur la fig. 1b, les fils électriques 1, 2, 3, 4 sont également refermés autour des fils de la bobine //. Ainsi, la bobine // est couplée magnétiquement à la bobine / au moyen de lignes de champ magnétique.

Le degré de couplage magnétique des bobines /et //, avec leur disposition coaxiale, dépend de la distance qui les sépare : plus les bobines sont éloignées les unes des autres, moins il y a de couplage magnétique entre elles, car moins il y a de lignes de force sur le bobine / coller à la bobine //.

Puisque la bobine / traverse, comme nous le supposons, courant alternatif monophasé, c'est-à-dire un courant qui change dans le temps selon une loi, par exemple, selon la loi des sinus, alors le champ magnétique créé par celui-ci changera également dans le temps selon la même loi.

Par exemple, lorsque le courant dans la bobine / passe par la plus grande valeur, alors le flux magnétique généré par celle-ci passe également par la plus grande valeur ; lorsque le courant dans la bobine / passe par zéro, changeant de sens, le flux magnétique passe également par zéro, changeant également de sens.

En raison de la modification du courant dans la bobine /, les deux bobines / et // sont pénétrées par un flux magnétique, changeant constamment de valeur et de direction. Selon la loi fondamentale de l'induction électromagnétique, pour chaque changement du flux magnétique pénétrant dans la bobine, un courant alternatif est induit dans la bobine force électromotrice… Dans notre cas, la force électromotrice d'auto-induction est induite dans la bobine /, et la force électromotrice d'induction mutuelle est induite dans la bobine //.

Si les extrémités de la bobine // sont connectées à un circuit de récepteurs d'énergie électrique (voir Fig. 1a), alors un courant apparaîtra dans ce circuit; par conséquent, les récepteurs recevront de l'énergie électrique. Dans le même temps, l'énergie sera dirigée vers l'enroulement /du générateur, presque égale à l'énergie donnée au circuit par l'enroulement //. De cette manière, l'énergie électrique d'une bobine sera transmise au circuit de la deuxième bobine, qui est totalement indépendante de la première bobine galvaniquement (métallique).Dans ce cas, le moyen de transmission d'énergie n'est qu'un flux magnétique alternatif.

Montré sur la fig. 1a, le transformateur est très imparfait car il y a peu de couplage magnétique entre l'enroulement primaire /et l'enroulement secondaire //.

Le couplage magnétique de deux bobines, d'une manière générale, est estimé par le rapport du flux magnétique couplé aux deux bobines au flux créé par une bobine.

Figue. 1b, on voit que seule une partie des lignes de champ de la bobine / est fermée autour de la bobine //. L'autre partie des lignes électriques (sur la Fig. 1b - lignes 6, 7, 8) est fermée uniquement autour de la bobine /. Ces lignes électriques ne participent en rien au transfert d'énergie électrique de la première bobine à la seconde, elles forment ce que l'on appelle le champ parasite.

Afin d'augmenter le couplage magnétique entre les enroulements primaire et secondaire et en même temps de réduire la résistance magnétique pour le passage du flux magnétique, les enroulements des transformateurs techniques sont placés sur des noyaux de fer complètement fermés.

Le premier exemple de mise en œuvre de transformateurs est représenté schématiquement sur la fig. 2 transformateur monophasé du type dit à tige. Ses bobines primaires et secondaires c1 et c2 sont situées sur des tiges de fer a - a, reliées aux extrémités par des plaques de fer b - b, appelées culasses. De cette façon, deux tiges a, a et deux culasses b, b forment un anneau de fer fermé, dans lequel passe le flux magnétique bloqué avec les enroulements primaire et secondaire. Cet anneau de fer est appelé le noyau du transformateur.

Riz. 2.

Le deuxième mode de réalisation des transformateurs est représenté schématiquement sur la fig. 3 transformateur monophasé de type dit blindé. Dans ce transformateur, les enroulements primaire et secondaire c, constitués chacun d'une rangée d'enroulements plats, sont placés sur un noyau formé de deux barres de deux anneaux de fer a et b. Les anneaux a et b entourant les enroulements les recouvrent presque entièrement d'armure, c'est pourquoi le transformateur décrit est appelé blindé. Le flux magnétique passant à l'intérieur des bobines c est divisé en deux parties égales, dont chacune est enfermée dans son propre anneau de fer.

Riz. 3

L'utilisation de circuits magnétiques en fer fermés dans les transformateurs permet une réduction significative du courant de fuite. Dans de tels transformateurs, les flux connectés aux enroulements primaire et secondaire sont presque égaux les uns aux autres. Si l'on suppose que les bobinages primaire et secondaire sont traversés par le même flux magnétique, on peut écrire des expressions basées sur le choc induit total pour les valeurs instantanées des forces électromotrices des bobinages :

Dans ces expressions, w1 et w2 - le nombre de tours des enroulements primaire et secondaire, et dFt est l'amplitude du changement dans l'enroulement pénétrant du flux magnétique par élément de temps dt, il y a donc un taux de changement du flux magnétique . A partir des dernières expressions, la relation suivante peut être obtenue :

c'est à dire. indiquées dans les enroulements primaire et secondaire / et // les forces électromotrices momentanées sont liées entre elles de la même manière que le nombre de spires des bobines. La dernière conclusion est valable non seulement en ce qui concerne les valeurs instantanées des forces électromotrices, mais aussi en ce qui concerne leurs valeurs les plus grandes et efficaces.

La force électromotrice induite dans l'enroulement primaire, en tant que force électromotrice d'auto-induction, équilibre presque complètement la tension appliquée au même enroulement... Si par E1 et U1 vous indiquez les valeurs efficaces de la force électromotrice de l'enroulement primaire et de la tension qui lui est appliquée, alors on peut écrire :

La force électromotrice induite dans l'enroulement secondaire, dans le cas considéré, est égale à la tension aux bornes de cet enroulement.

Si, comme le précédent, à travers E2 et U2 vous indiquez les valeurs efficaces de la force électromotrice de l'enroulement secondaire et la tension à ses extrémités, alors vous pouvez écrire :

Par conséquent, en appliquant une certaine tension à un enroulement du transformateur, vous pouvez obtenir n'importe quelle tension aux extrémités de l'autre bobine, il vous suffit de prendre un rapport approprié entre le nombre de tours de ces bobines. C'est la principale propriété du transformateur.

Le rapport du nombre de spires de l'enroulement primaire sur le nombre de spires de l'enroulement secondaire est appelé rapport de transformation du transformateur... Nous noterons le coefficient de transformation kT.

Par conséquent, on peut écrire :

Un transformateur dont le rapport de transformation est inférieur à un est appelé transformateur élévateur, car la tension de l'enroulement secondaire, ou tension dite secondaire, est supérieure à la tension de l'enroulement primaire, ou tension dite primaire . Un transformateur avec un rapport de transformation supérieur à un est appelé transformateur abaisseur, car sa tension secondaire est inférieure à la primaire.

Fonctionnement d'un transformateur monophasé en charge

Lors du ralenti du transformateur, le flux magnétique est créé par le courant de l'enroulement primaire ou plutôt par la force magnétomotrice de l'enroulement primaire. Étant donné que le circuit magnétique du transformateur est en fer et a donc une faible résistance magnétique, et que le nombre de tours de l'enroulement primaire est généralement supposé être important, le courant à vide du transformateur est faible, il est de 5- 10% de la normale.

Si vous fermez la bobine secondaire à une certaine résistance, alors avec l'apparition de courant dans la bobine secondaire, la force magnétomotrice de cette bobine apparaîtra également.

Selon la loi de Lenz, la force magnétomotrice de la bobine secondaire agit contre la force magnétomotrice de la bobine primaire

Il semble que le flux magnétique dans ce cas devrait diminuer, mais si une tension constante est appliquée à l'enroulement primaire, il n'y aura alors presque aucune diminution du flux magnétique.

En effet, la force électromotrice induite dans l'enroulement primaire lorsque le transformateur est en charge est quasiment égale à la tension appliquée. Cette force électromotrice est proportionnelle au flux magnétique.Par conséquent, si la tension primaire est constante en amplitude, la force électromotrice sous charge doit rester presque la même que lors du fonctionnement à vide du transformateur. Cette circonstance conduit à une constance presque complète du flux magnétique sous n'importe quelle charge.

Ainsi, à valeur constante de la tension primaire, le flux magnétique du transformateur évolue peu avec le changement de charge et peut être supposé égal au flux magnétique en fonctionnement à vide.

Le flux magnétique du transformateur ne peut conserver sa valeur sous charge que parce qu'à mesure qu'un courant apparaît dans l'enroulement secondaire, le courant dans l'enroulement primaire augmente également, à tel point que la différence entre les forces magnétomotrices ou ampères-tours du primaire et du secondaire bobinages reste à peu près égale à la force magnétomotrice ou ampères-tours au ralenti... Ainsi, l'apparition d'une force magnétomotrice ou ampères-tours démagnétisante dans l'enroulement secondaire s'accompagne d'une augmentation automatique de la force magnétomotrice de l'enroulement primaire.

Étant donné que, comme mentionné ci-dessus, une petite force magnétomotrice est nécessaire pour créer un flux magnétique de transformateur, on peut dire qu'une augmentation de la force magnétomotrice secondaire s'accompagne d'une augmentation de la force magnétomotrice primaire, qui est presque la même en amplitude.

Par conséquent, on peut écrire :

De cette égalité, on obtient la seconde caractéristique principale du transformateur, à savoir le rapport :

où kt est le facteur de transformation.

Par conséquent, le rapport des courants des enroulements primaire et secondaire du transformateur est égal à un divisé par le rapport de transformation.

Donc, les principales caractéristiques du transformateur avoir une relation

et

Si nous multiplions les côtés gauches de la relation entre eux et les côtés droits entre eux, nous obtenons

et

La dernière égalité donne la troisième caractéristique du transformateur, qui peut être exprimée avec des mots comme celui-ci : la puissance délivrée par l'enroulement secondaire du transformateur en volt-ampères est presque égale à la puissance délivrée à l'enroulement primaire également en volt-ampères .

Si nous ignorons les pertes d'énergie dans le cuivre des enroulements et dans le fer du noyau du transformateur, nous pouvons dire que toute la puissance fournie à l'enroulement primaire du transformateur depuis la source d'alimentation est transférée à son enroulement secondaire, et le transmetteur est le flux magnétique.