Tests des transformateurs : essais à vide et en court-circuit expliqués

Essai à vide (sans charge) et essai en court-circuit (sous charge) d'un transformateur

Le circuit équivalent du transformateur comporte quatre paramètres principaux :

• Résistance équivalente (R₀₁)
• Réactance équivalente (X₀₁)
• Résistance de pertes fer (R₀)
• Réactance d'aimantation (X₀)

Les essais à vide et en court-circuit déterminent ces paramètres, la régulation et le rendement. Ils se font sans charge réelle, ce sont des méthodes indirectes. Elles donnent des résultats plus précis que l'essai en charge directe (méthode directe) et sont plus économiques (faible consommation).

Deux essais indirects :

• Essai à vide
• Essai en court-circuit

Essai à vide (Essai sans charge)

L'essai à vide (ou essai sans charge) détermine les pertes fer (pertes noyau), le courant à vide (I₀) et les paramètres du circuit équivalent à vide (R₀ et X₀). Il se fait sur l'enroulement primaire ou secondaire, mais généralement sur l'enroulement Basse Tension (BT). En effet, il est difficile d'obtenir une haute tension en laboratoire, et le courant dans l'enroulement Haute Tension (HT) est très faible, rendant la mesure imprécise.

Schéma de connexion de l'essai à vide sur transformateur monophasé :

L'enroulement primaire (BT) est alimenté à la tension et fréquence nominales (généralement monophasé via autotransformateur). Le secondaire est laissé en circuit ouvert. Un voltmètre V₀, un ampèremètre I₀ et un wattmètre W₀ sont connectés au primaire.

Le secondaire étant ouvert, le courant secondaire est nul. Pas de charge connectée. Le courant primaire est le courant à vide I₀, mesuré par l'ampèremètre.

La tension d'alimentation au primaire est la tension nominale. Le flux dans le noyau est normal et identique pour toutes les charges. Les pertes fer dépendent de la tension et fréquence d'alimentation. Ici, tension et fréquence nominales → pertes fer identiques pour toutes les charges.

Le courant secondaire (nul) alimente les pertes fer et cuivre au primaire. Le courant à vide est très faible (2 à 5 % du courant nominal). On néglige donc les pertes cuivre. Le courant primaire alimente uniquement les pertes fer.

Le wattmètre au primaire mesure la puissance fournie → indique les pertes dans le noyau. Lectures de l'essai à vide :

• Ampèremètre : courant à vide I₀
• Voltmètre : tension d'alimentation nominale V₁
• Wattmètre : pertes fer ou noyau P_i

Tableau d'observation

Tension nominale V1	Courant à vide I0	Pertes fer Pi
…..	…..	…..

Calcul des paramètres (R₀ et X₀) avec le courant à vide :

P₀ = V₁ I₀ Cos φ₀ = Pertes fer

Composante active du courant à vide :

I_W = I₀ Cos φ₀

Composante réactive (magnétisante) :

I_M = I₀ Sin φ₀

Résistance à vide :

Réactance à vide :

Essai en court-circuit (Essai sous charge)

L'essai en court-circuit (ou essai sous charge) se fait côté HT, le côté BT étant court-circuité. On pourrait le faire côté BT, mais la tension requise (5 à 7 % de la nominale) est très faible côté BT, source d'erreurs. Côté HT, cette tension réduite est facilement disponible en laboratoire. C'est donc plus pratique côté HT.

Schéma de l'essai en court-circuit :

Généralement, l'enroulement BT est court-circuité par un gros fil. Parfois un ampèremètre y est inséré pour mesurer le courant nominal. Un ampèremètre, voltmètre et wattmètre sont côté HT. Ici, primaire = HT, secondaire = BT.

L'enroulement HT est alimenté par une tension réduite d'une source variable. On augmente progressivement jusqu'à obtenir le courant primaire nominal. Quand le courant primaire nominal circule, par action de transformateur, le courant secondaire devient le courant secondaire nominal.

L'ampèremètre HT mesure le courant primaire nominal. Le voltmètre mesure la tension fournie à ce courant. Cette tension n'est que 5 à 10 % de la tension nominale. Le flux dans le noyau est très faible. Les pertes fer étant proportionnelles au carré du flux, elles sont négligeables.

Le courant dans les enroulements étant le courant nominal, les pertes cuivre mesurées sont les pertes cuivre normales à pleine charge. Le wattmètre indique les pertes cuivre à pleine charge. Le secondaire court-circuité → tension secondaire nulle. Toute la tension primaire compense la chute de tension dans l'impédance totale rapportée au primaire.

Circuit équivalent approximatif en court-circuit :

Tableau d'observation :

VSC Volts	ISC Ampères	PC Watts
…..	…..	…..

Lectures des instruments :

• Ampèremètre : Courant primaire nominal (I_SC)
• Voltmètre : Tension fournie (V_SC)
• Wattmètre : Pertes cuivre à pleine charge (P_C)

Pertes cuivre à pleine charge :

W_SC = I_SC² R₀₁

Résistance équivalente rapportée au primaire :

Impédance équivalente rapportée au primaire :

Réactance équivalente rapportée au primaire :

Facteur de puissance :