Essai de Sumpner (dos à dos) : Analyse précise du rendement, de la régulation de tension et de l'échauffement du transformateur

Essai de Sumpner ou essai dos à dos sur transformateur pour le rendement, la régulation de tension et l'effet d'échauffement

Les essais à vide et en court-circuit permettent de déterminer les paramètres du circuit équivalent. Cependant, ces essais ne permettent pas de mesurer l'élévation de température dans un transformateur. En effet, l'essai à vide ne mesure que les pertes fer, tandis que l'essai en court-circuit ne mesure que les pertes cuivre. Le transformateur n'est jamais soumis simultanément aux deux types de pertes. La solution est l'essai de Sumpner.

L'essai de Sumpner permet de déterminer le rendement du transformateur, sa régulation de tension et son effet d'échauffement dans des conditions de charge réelles. Cet essai est également appelé essai dos à dos car il utilise deux transformateurs identiques connectés dos à dos.

Dans l'essai de Sumpner, les conditions de charge réelles sont simulées sans connecter de charge réelle. Pour un petit transformateur, il est pratique de connecter une charge nominale. Mais pour les gros transformateurs, il est difficile de connecter une charge à pleine puissance. Cet essai permet donc de déterminer les paramètres importants du transformateur et donne des résultats plus précis que les essais à vide et en court-circuit.

Essai de Sumpner – (Essai dos à dos)

Pour réaliser l'essai de Sumpner, deux transformateurs monophasés de caractéristiques identiques sont nécessaires. Le schéma de câblage expérimental est présenté ci-dessous.

Comme le montre la figure, deux transformateurs T₁ et T₂ de même puissance sont connectés dos à dos. Les enroulements primaires sont connectés en parallèle sous la tension et la fréquence nominales. Un ampèremètre A₁, un voltmètre V₁ et un wattmètre W₁ sont connectés côté entrée.

Les enroulements secondaires sont connectés en série avec polarités opposées. Un voltmètre V₂ est connecté entre les deux enroulements secondaires pour vérifier l'opposition des polarités. La plage du voltmètre V₂ doit être le double de la tension secondaire nominale. Deux bornes des enroulements secondaires sont connectées ensemble (ici B et C). Si le voltmètre V₂ indique une tension nulle entre les deux bornes restantes (A et D), les enroulements sont bien connectés en série opposition et on peut utiliser les bornes A et D pour la suite. Si le voltmètre V₂ indique le double de la tension nominale, les enroulements sont connectés dans la même polarité. Pour inverser la connexion, on relie les bornes A et C, et on utilise les bornes B et D pour la suite.

La tension nominale est appliquée aux enroulements primaires. La tension totale aux bornes des enroulements secondaires étant nulle, ceux-ci se comportent comme un circuit ouvert et le courant secondaire est nul. Ainsi, sous tension nominale au primaire et courant nul au secondaire, le wattmètre W₁ mesure les pertes fer des deux transformateurs.

Une basse tension (à peine 5 à 10 %) est appliquée aux bornes secondaires via un transformateur régulateur T_R alimenté par le secteur. Un ampèremètre A₂ est connecté côté secondaire comme indiqué. L'amplitude de la tension secondaire est ajustée jusqu'à ce que l'ampèremètre A₂ indique le courant secondaire nominal. Ce courant secondaire fait circuler le courant nominal dans les enroulements primaires (par action de transformateur), suivant le chemin représenté en pointillés verts. Le transformateur se comporte donc comme s'il fonctionnait à pleine charge. Le wattmètre W₂ indique alors la valeur des pertes cuivre à pleine charge pour les deux transformateurs.

Lectures des appareils de mesure dans l'essai de Sumpner :

• Ampèremètre A₁ = Courant à vide = 2I₀
• Voltmètre V₁ = Tension d'entrée nominale appliquée (tension primaire)
• Wattmètre W₁ = Pertes fer (pertes dans le noyau) des deux transformateurs = 2P_i
• Ampèremètre A₂ = Courant secondaire à pleine charge des deux transformateurs = 2I₂
• Voltmètre V₂ = Tension totale aux bornes de la connexion série des deux enroulements secondaires
• Wattmètre W₂ = Pertes cuivre à pleine charge des deux transformateurs = 2P_cu

Tableau d'observation

I₁ (A)	V₁ (V)	W₁ (W)	I₂ (A)	V₂ (V)	W₂ (W)
…..	…..	…..	…..	…..	…..

Calcul des pertes

Deux transformateurs identiques sont connectés, donc les pertes dans chacun sont les mêmes. Les wattmètres W₁ et W₂ mesurent les pertes fer et cuivre pour les deux transformateurs. Pour obtenir les pertes par transformateur, il suffit de diviser les lectures par deux.

Calcul du rendement

Le rendement du transformateur se calcule par :

Calcul des paramètres du circuit équivalent

Les paramètres du circuit équivalent (résistance et réactance équivalentes) peuvent être calculés à partir des lectures de l'essai de Sumpner :

Où R_S = Résistance équivalente du transformateur rapportée au secondaire.

Chute de tension de chaque transformateur :

Donc :

Calcul de l'élévation de température

L'élévation de température d'un transformateur peut être déterminée grâce à l'essai de Sumpner, aussi appelé essai d'échauffement. On mesure la température de l'huile et des enroulements à intervalles réguliers. Les transformateurs fonctionnent pendant une longue période (36 à 48 heures), ce qui entraîne une élévation de la température de l'huile. On détermine ainsi la capacité du transformateur à supporter des températures élevées.

Avantages et inconvénients de l'essai de Sumpner

Avantages

• Permet de tester des transformateurs de grande capacité sans charge réelle.
• La puissance nécessaire est très faible, égale aux pertes des deux transformateurs.
• Permet de déterminer les pertes cuivre, pertes fer, élévation de température, paramètres du circuit équivalent et rendement.

Inconvénient

Le seul inconvénient est la nécessité de disposer de deux transformateurs identiques pour réaliser cet essai.