Les transformateurs électriques expliqués

Transformateurs électriques

Transformateur

Figure 1 : Transformateur

Un transformateur est un dispositif électromagnétique qui convertit l'énergie électrique d'un circuit à un autre sans modifier sa fréquence ou sa puissance. Les transformateurs contribuent à améliorer l'efficacité et la sécurité des systèmes d'alimentation électrique en élevant et en abaissant les niveaux de tension selon les besoins. Le transformateur ne fonctionne qu'avec un signal alternatif à son entrée, mais avec l'ajout de quelques dispositifs semi-conducteurs, il peut également produire des signaux en courant continu (CC). Cet article traite des principaux types, du câblage et des applications des transformateurs, et explique comment utiliser un transformateur pour produire du courant continu.

Table des matières

Principe de fonctionnement du transformateur

Un transformateur fonctionne selon le principe de l'induction électromagnétique, qui stipule qu'un conducteur parcouru par un courant produit un champ magnétique autour de lui et vice-versa. Un transformateur est constitué de deux jeux de fils (voir figure 2) :

  • Enroulement primaire (A) : collecte la puissance
  • Enroulement secondaire (B) : fournit la puissance

Les enroulements primaires et secondaires sont enroulés ensemble sur un noyau de circuit magnétique en fer, mais ces bobines ne sont pas en contact les unes avec les autres, comme le montre la figure 2. Le noyau est constitué d'un matériau magnétique doux composé de laminations (figure 2 étiquetée C) reliées entre elles afin de réduire les pertes du noyau. La perte dans le noyau est la perte d'énergie dans le noyau causée par un flux magnétique alternatif. Un champ magnétique instable finit par détruire le fonctionnement du matériau du noyau.

Lorsque l'enroulement primaire (figure 2 étiquetée A) est connecté à une alimentation électrique alternative, un courant circule dans la bobine et un flux magnétique est induit. Une partie de ce champ magnétique se lie aux enroulements secondaires (figure 2 étiquetée B) par induction mutuelle, produisant ainsi un flux de courant et une tension du côté secondaire (charge). La tension produite du côté de la charge est proportionnelle au nombre de tours de l'enroulement secondaire par rapport à celui de l'enroulement primaire. La transformation de la tension et du courant est donnée par :

V1 / V2 = N1 / N2 = I2 / I1

  • V1 : Tension appliquée à l'enroulement primaire du transformateur
  • V2 : Tension produite à l'enroulement secondaire (de charge) du transformateur
  • N1 : Nombre de tours dans l'enroulement primaire
  • N2 : Nombre de tours dans l'enroulement secondaire
  • I1:Courant dans l'enroulement primaire
  • I2:Courant à travers l'enroulement secondaire
Enroulements primaires (A) et secondaires (B) d'un transformateur enroulé sur un noyau magnétique (C) transformer-primary-secondary.png

Figure 2 : Enroulements primaires (A) et secondaires (B) d'un transformateur enroulé sur un noyau magnétique (C)

Construction de transformateurs

Selon la manière dont les enroulements primaires et secondaires sont enroulés autour du noyau central en acier ou en fer laminé, il existe deux modèles de base de transformateur :

  • Transformateur à noyau : Dans un transformateur à noyau, les bobines primaire et secondaire sont enroulées à l'extérieur et entourent l'anneau du noyau, comme le montre la figure 3.
  • Transformateur à coquille : Dans un transformateur à coquille, les enroulements primaires et secondaires passent à l'intérieur du noyau magnétique en acier, formant une coquille autour des enroulements, comme le montre la figure 4.

Lisez notre article sur les transformateurs monophasés pour obtenir la liste complète des pièces du transformateur et de leurs fonctions.

Construction du noyau du transformateur

Transformateurs à noyau

Dans la construction du transformateur de type noyau, la moitié de l'enroulement est enroulée autour de chaque branche (ou membre) du circuit magnétique du transformateur (figure 3 étiquetée B). La moitié de l'enroulement secondaire et la moitié de l'enroulement primaire sont placées l'une sur l'autre de façon concentrique sur chaque branche. Cela facilite un couplage magnétique accru entre les enroulements (figure 3 étiquetée A). Cela permet à pratiquement toutes les lignes de force magnétiques de passer simultanément par les enroulements primaire et secondaire. Cependant, avec ce type de construction de transformateur, un petit pourcentage des lignes de force magnétiques circule en dehors du noyau (appelé flux de fuite).

Les bobines cylindriques ont différentes couches, et chaque couche est isolée des autres. Des matériaux comme le papier, le tissu ou le mica sont couramment utilisés pour l'isolation. Les enroulements basse tension sont placés près du noyau, car ils sont plus faciles à isoler.

Figure 3 : Transformateur à noyau

Figure 3 : Transformateur à noyau

Transformateurs en coquille

Dans un transformateur de type coque, les bobines primaires et secondaires sont enroulées et montées en couches superposées avec un isolant entre elles (figure 4 étiquetée A). Les enroulements primaires et secondaires sont enroulés sur la même branche centrale, qui a une section double de celle des deux branches extérieures. Un milieu isolant approprié sépare les deux enroulements. Comme les bobines primaires et secondaires sont enroulées à proximité l'une de l'autre, un transformateur à coquille a l'avantage de réduire les pertes dans le noyau et d'augmenter le rendement global.

Figure 4 : Transformateur à coquille avec des couches d'enroulements primaires et secondaires (A) et un noyau (B)

Figure 4 : Transformateur en coquille avec couches d'enroulements primaire et secondaire (A) et noyau (B)

Tôles de transformateur

Les laminations utilisées dans la construction des transformateurs sont de fines bandes de métal isolé assemblées pour produire un noyau solide mais laminé. Le fait d'avoir un seul grand noyau de fer solide comme matériau du noyau magnétique du transformateur donne lieu à des problèmes de noyau comme les pertes par courants de Foucault. Il est donc essentiel de diviser le chemin magnétique en de nombreuses formes fines en acier pressé appelées laminations.

Les bobines primaire et secondaire sont d'abord enroulées sur un corps de bobine ayant une section transversale rectangulaire, cylindrique ou ovale qui convient à la construction du noyau laminé. La forme du serpentin détermine l'espace de travail, les voies de raccordement et la direction du flux de chaleur. Les différentes lamelles sont découpées dans de grandes tôles d'acier et formées en fines bandes d'acier ressemblant aux lettres "L", "E", "U" et "I", comme le montre la figure 6.

Types de noyaux de transformateurs

Les pièces découpées par laminage, lorsqu'elles sont reliées entre elles, forment la forme du noyau requise. Par exemple, les estampilles "E" plus les estampilles "E" de fermeture donnent un noyau E-E, formant un élément d'un noyau de transformateur standard de type coquille, comme le montre la figure 5. Les différentes lamelles sont étroitement assemblées pendant la phase de construction afin de réduire la réluctance de l'entrefer au niveau des joints, produisant ainsi une densité de flux magnétique hautement saturée.

Types de noyaux de transformateurs

Figure 5 : Types de noyaux de transformateurs

Types de transformateurs électriques

Transformateur à noyau et transformateur à coquille

Sur la base de leur construction, les transformateurs sont classés en transformateurs à noyau et en transformateurs à enveloppe.

Transformateur élévateur et transformateur abaisseur

En fonction de leur fonction, les transformateurs sont classés en transformateurs élévateurs et en transformateurs abaisseurs.

  • Un transformateur élévateur de tension augmente la tension des enroulements secondaires par rapport à celle du côté primaire (avec une diminution consécutive du courant).
  • Un transformateur abaisseur diminue la tension des enroulements secondaires par rapport à celle du côté primaire (avec une augmentation subséquente du courant).

Transformateur monophasé et transformateur triphasé

Sur la base de l'alimentation électrique, les transformateurs sont classés en transformateurs monophasés et en transformateurs triphasés. Les transformateurs monophasés fonctionnent sur une alimentation monophasée, tandis qu'un transformateur triphasé fonctionne sur une alimentation triphasée.

Transformateur de puissance, transformateur de distribution et transformateur d'instrumentation

En fonction de leur utilisation, les transformateurs sont classés en deux catégories :

  • Transformateur de puissance : Un transformateur de puissance est un transformateur classique à haut rendement utilisé dans les réseaux de transmission.
  • Transformateur de distribution : Un transformateur de distribution ou transformateur de service est un transformateur qui assure la transformation finale de la tension dans le système de distribution de l'énergie électrique. Ces transformateurs abaissent la tension utilisée dans les lignes de distribution au niveau utilisé par le client.
  • Transformateur d'instrumentation : Les transformateurs de mesure assurent l'isolation et la protection des relais et des dispositifs de mesure commerciaux. Ces transformateurs mesurent également une très haute tension qui ne peut être mesurée par un voltmètre classique. Il existe deux types de transformateurs de mesure, à savoir le transformateur de courant et le transformateur de tension.

Câblage et symbole du transformateur

Les schémas de câblage des transformateurs sont généralement imprimés sur la plaque signalétique du transformateur, traditionnellement apposée sur la surface du boîtier du transformateur ou imprimée à l'intérieur du couvercle des compartiments de câblage. Les fils conducteurs sont marqués "H" (fils primaires) et "X" (fils secondaires). Les enroulements H sont connectés à l'alimentation électrique et les enroulements X à la charge, comme le montre la figure 6.

Symbole du transformateur

Figure 6 : Symbole du transformateur

Certains transformateurs ont deux enroulements, l'un dans le primaire et l'autre dans le secondaire. Ces transformateurs sont appelés transformateurs à double tension, et les enroulements multiples permettent de créer plusieurs tensions pour différentes applications.

Considérons un transformateur à double tension de 240/480 V au primaire et de 120/240 V au secondaire. Chacun des deux enroulements primaires est évalué à 240V. Chacun des deux enroulements secondaires est évalué à 120 V. L'évaluation du côté primaire de 240/480 V signifie que chacune des combinaisons de 240 V peut être utilisée pour donner une tension nette du côté primaire de 240 V ou 480 V. De même, le classement du côté primaire 120/240V signifie que chacune des combinaisons de 120V peut être utilisée pour donner une tension nette du côté secondaire de 120V ou 240V.

Pour concevoir un transformateur de 480V à 240V (480 V au primaire et 240V au secondaire), les enroulements primaires sont connectés en série, avec H1 et H4 connectés à une alimentation de 480V. La tension aux bornes de HI et H2 est de 240 V, et celle aux bornes de H3 et H4 est de 240 V. Par conséquent, en les connectant en série, on obtient une tension primaire nette de 480V. Chaque enroulement primaire recevant les 240V appropriés, chaque enroulement secondaire reçoit 120V. La connexion en série des enroulements secondaires produit 240 V aux bornes de X1 et X4, comme le montre la figure 7.

Création de connexions en série dans les enroulements primaires et secondaires d'un transformateur

Figure 7 : Création de connexions en série dans les enroulements primaires et secondaires d'un transformateur

Si nécessaire, le côté primaire peut également être connecté à une alimentation de 240 V. Pour cela, connectez soit H1 et H3 soit H2 et H4 à une alimentation 240V. Pour concevoir un transformateur de 480V à 120V (480V au primaire et 120V au secondaire), les enroulements primaires sont connectés en série, avec H1 et H4 connectés à une alimentation de 480V. Les enroulements secondaires sont connectés en parallèle (X1 à X3 et X2 à X4), comme le montre la figure 8.

Note : La connexion des enroulements en parallèle doit être effectuée avec la prudence nécessaire pour éviter un court-circuit mort qui détruira le transformateur lorsqu'il sera mis sous tension. Utilisez un voltmètre pour vous assurer que la connexion est correcte. Connectez X1 à X3, puis connectez un voltmètre entre X2 et X4. Mettez le primaire sous tension et lisez le voltmètre. Si la connexion est correcte, le voltmètre indiquera zéro. Si le voltmètre indique autre chose que zéro, vérifiez toutes les connexions primaires et secondaires pour vous assurer qu'elles sont connectées exactement comme indiqué par le fabricant.

Connexion en série sur les enroulements primaires et en parallèle sur les enroulements secondaires du transformateur

Figure 8 : Connexion en série sur les enroulements primaires et en parallèle sur les enroulements secondaires du transformateur

Transformateurs de courant alternatif en courant continu

Un transformateur est un dispositif statique qui fonctionne sur le principe de l'induction mutuelle. Une tension alternative doit être appliquée aux enroulements primaires du transformateur pour créer un flux magnétique alternatif du côté primaire qui se lie aux enroulements secondaires pour créer une tension de charge proportionnelle. Une tension continue ne produit pas de champ ou de flux magnétique alternatif ; un transformateur ne fonctionne donc pas avec une alimentation en courant continu. Cependant, la tension de sortie alternative peut être convertie en une tension continue correspondante en ajoutant des composants semi-conducteurs appropriés comme une diode et un condensateur à la sortie du transformateur.

Un redresseur est un circuit qui convertit le courant alternatif (CA) en courant continu (CC). Un redresseur demi-onde ou un redresseur pleine onde peut être utilisé pour convertir une tension alternative en tension continue. Une tension alternative (figure 9 étiquetée A) est appliquée aux enroulements primaires du transformateur abaisseur (figure 9 étiquetée B). Une tension correspondante est induite dans les enroulements secondaires. La diode (D sur la figure 9) devient polarisée dans le sens direct (état ON) et conduit le courant, initiant le passage du courant à travers la résistance de charge (R sur la figure 9).

Un redresseur demi-onde

Figure 9 : Un redresseur demi-onde

Une diode permet au courant de circuler dans un seul sens. Pendant le cycle négatif de la tension d'entrée, une tension négative correspondante est induite dans le côté secondaire, et la diode ne conduit pas. Par conséquent, il n'y a pas de flux à travers la résistance de sortie pendant le cycle négatif de la tension d'entrée car la diode se comporte comme un circuit ouvert (voir Figure 10). Par conséquent, la sortie ne donne que des cycles positifs alternés.

La diode agit comme un circuit ouvert pendant le demi-cycle négatif de la tension d'entrée

Figure 10 : La diode agit comme un circuit ouvert pendant le demi-cycle négatif de la tension d'entrée

Pour des applications pratiques, un condensateur est connecté à la sortie en parallèle avec la résistance (voir figure 11). Le condensateur agit comme un filtre pour lisser la tension de sortie pulsée au niveau approprié de courant continu (voir la figure 12). Lisez notre article sur les transformateurs de courant alternatif en courant continu pour plus de détails.

Un redresseur demi-onde avec filtre à condensateur

Figure 11 : Un redresseur demi-onde avec filtre à condensateur

Les formes d'onde en différents points du redresseur sont présentées à la figure 12.

  • Vi: Tension d'entrée alternative appliquée
  • Vo1: Sortie de la diode constituée de demi-cycles positifs alternés
  • Vo2: Sortie de condensateur qui est une version plus douce de la sortie de diode, créant une tension continue précise.
Formes d'onde des redresseurs demi-onde

Figure 12 : Formes d'onde des redresseurs demi-onde

Transformateur d'isolement

Les transformateurs d'isolement sont utilisés pour isoler deux circuits électriques dans un système électrique. Un transformateur d'isolement est similaire à un transformateur conventionnel avec un nombre égal de tours dans les enroulements primaires et secondaires, créant ainsi une tension égale dans les côtés primaires et secondaires. Les transformateurs d'isolement sont utilisés dans des appareils électriques comme les ordinateurs, les téléviseurs, les circuits de relais à semi-conducteurs et les appareils électroniques de puissance industriels.

Pour isoler physiquement deux circuits, "A" et "B", les enroulements primaires du transformateur d'isolement sont connectés au circuit "A", et les enroulements secondaires au circuit "B" L'alimentation électrique du premier circuit alimente l'enroulement primaire du transformateur d'isolement, qui crée à son tour une tension et un courant dans l'enroulement secondaire par induction mutuelle. Comme un transformateur d'isolement ne change pas la valeur du courant et de la tension au niveau des enroulements secondaires, le circuit "B" reçoit la même magnitude de courant et de tension secondaires. Ainsi, les circuits A et B sont électriquement isolés, mais l'énergie est transférée entre eux, le transformateur d'isolement agissant comme un médium entre eux.

Un transformateur d'isolement connectant deux circuits, A et B

Figure 13 : Un transformateur d'isolement connectant deux circuits, A et B

Applications des transformateurs

  1. Les transformateurs abaisseurs sont utilisés dans les appareils ménagers, les onduleurs, les réseaux de distribution d'électricité et les lignes de transmission pour abaisser la tension au niveau souhaité.
  2. Les transformateurs élévateurs sont utilisés pour distribuer l'énergie électrique. Ces transformateurs sont également utilisés pour faire fonctionner des moteurs électriques, des appareils à rayons X et des fours à micro-ondes.
  3. Les transformateurs de mesure, comme les transformateurs de courant et les transformateurs de tension, sont utilisés pour mesurer des tensions extrêmement élevées dans les lignes de transmission et également comme dispositifs d'isolation dans les appareils de mesure commerciaux.
  4. Les transformateurs monophasés sont utilisés pour augmenter la puissance des onduleurs domestiques ou pour réduire les signaux longue distance afin de prendre en charge les appareils électroniques résidentiels et commerciaux légers.
  5. Les transformateurs triphasés sont utilisés pour les applications de production et de distribution d'énergie électrique. On les trouve dans les charges industrielles de forte puissance telles que les commandes de moteurs, les redresseurs et autres équipements.