Rapport (Électrocinétique)

Un transformateur électrique est un convertisseur permettant de modifier les valeurs de tension et d'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un système de tension et de courant de valeurs différentes, mais de même fréquence et de même forme. Il effectue cette transformation avec un excellent rendement. Il est analogue à un engrenage en mécanique (le couple sur chacune des roues dentées étant l'analogue du courant et la vitesse de rotation étant l'analogue de la tension).

On distingue les transformateurs statiques et les commutatrices. Dans un transformateur statique, l'énergie est transférée du primaire au secondaire par l'intermédiaire du circuit magnétique que constitue la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alors magnétiquement couplés. Ceci permet de réaliser un isolement galvanique entre les deux circuits. Dans une commutatrice, l'énergie est transmise de manière mécanique entre une génératrice et un moteur électrique.

Sommaire 1 Invention 2 Constitution 2.1 Le circuit magnétique 2.2 Les enroulements 2.3 Le système de refroidissement 3 Fonctionnement du transformateur monophasé 3.1 Transformateur parfait ou idéal 3.2 Les pertes de puissance d'un transformateur 3.2.1 Les pertes par effet Joule 3.2.2 Les pertes magnétiques 3.2.3 Mesure des pertes 4 Les différents types de transformateurs 4.1 Autotransformateur 4.2 Transformateur variable - variac - alternostat 4.3 Transformateur d'isolement 4.4 Transformateur d'impédance 4.5 Transformateur de mesure 4.5.1 Transformateur d'intensité 4.5.2 Transformateur de tension 5 Transformateur haute fréquence 5.1 Circuit magnétique des transformateurs HF 5.2 Transformateur d'impulsions 6 Transformateur triphasé 6.1 Justification 6.2 Couplages existants 6.3 Indice de couplage 6.4 Choix de couplage 7 Transformateur diphasé-triphasé 7.1 Transformateurs de Scott 7.2 Transformateurs de Leblanc 8 Liens internes 9 Notes et références 10 Liens externes

Invention

Les principes du transformateur ont été établis en 1831 par Michael Faraday, mais celui-ci ne s'en servit que pour démontrer le principe de l'induction électromagnétique et n'en prévit les applications pratiques .

Lucien Gaulard, jeune électricien français, présente à la Société française des électriciens, en 1884, un « générateur secondaire », dénommé depuis transformateur.

En 1883, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs réussissent à transmettre pour la première fois, sur une distance de 40 km, du courant alternatif sous une tension de 2 000 volts à l'aide de transformateurs avec un noyau en forme de barres.

En 1884, Lucien Gaulard met en service une liaison bouclée de démonstration (133 Hz) alimentée par du courant alternatif sous 2 000 volts et allant de Turin à Lanzo et retour (80 km). On finit alors par admettre l'intérêt du transformateur qui permet d'élever la tension délivrée par un alternateur et facilite ainsi le transport de l'énergie électrique par des lignes à haute tension. La reconnaissance de Gaulard interviendra trop tardivement.

Entre-temps, des brevets ont été pris aussi par d'autres. Le premier brevet de Gaulard en 1882 n'a même pas été délivré en son temps, sous prétexte que l'inventeur prétendait pouvoir faire « quelque chose de rien » ! Gaulard attaque, perd ses procès, est ruiné, et finit ses jours dans un asile d'aliénés. Le transformateur de Gaulard de 1886 n'a pas grand-chose à envier aux transformateurs actuels, son circuit magnétique fermé (le prototype de 1884 comportait un circuit magnétique ouvert, d'où un bien médiocre rendement) est constitué d'une multitude de fils de fer annonçant le circuit feuilleté à tôles isolées.

Ainsi, en 1885, les Hongrois Károly Zipernowsky, Miksa Déry et Otto Titus Bláthy mettent au point un transformateur avec un noyau annulaire commercialisé dans le monde entier par la firme Ganz à Budapest. Aux États-Unis, W. Stanley développe des transformateurs.

Constitution

Il est constitué de deux parties essentielles, le circuit magnétique et les enroulements.

Le circuit magnétique

Le circuit magnétique d'un transformateur est soumis à un champ magnétique variable au cours du temps. Pour les transformateurs reliés au secteur de distribution, cette fréquence est de 50 ou 60 hertz. Le circuit magnétique est généralement feuilleté pour réduire les pertes par courants de Foucault, qui dépendent de l'amplitude du signal et de sa fréquence. Pour les transformateurs les plus courants, les tôles empilées ont la forme de E et de I, permettant ainsi de glisser une bobine à l'intérieur des fenêtres du circuit magnétique ainsi constitué.

Schémas des tôles d'un transformateur monophasé.

Schéma de la carcasse d'un transformateur monophasé bas de gamme.

Les circuits magnétiques des transformateurs « haut de gamme » ont la forme d'un tore. Le bobinage des tores étant plus délicat, le prix des transformateurs toroïdaux est nettement plus élevé.

Les enroulements

Le conducteur électrique utilisé dépend des applications, mais le cuivre est le matériau de choix pour toutes les applications à fortes puissances. Les fils électriques de chaque tour doivent être isolés les uns des autres afin que le courant circule dans chaque tour. Pour des petites puissances, il suffit d'utiliser des conducteurs magnétiques émaillés pour assurer cette isolation ; dans les applications à plus fortes puissances on entoure les conducteurs de papier diélectrique imprégné d'huile minérale. Pour les plus fortes puissances on utilise des conducteurs multibrins pour limiter l'effet de peau ainsi que les pertes par courants de Foucault.

Les enroulements du primaire ou du secondaire peuvent avoir des connections externes, appelées prise, à des points intermédiaires de l'enroulement afin de permettre une sélection de rapport de tension. Les prises peuvent être connectées à un changeur automatique de prises en charge pour le contrôle de la tension du circuit de distribution. Les transformateurs à fréquences audio, utilisés pour la distribution de l'audio à des haut-parleurs, ont des prises afin de permettre l'ajustement de l'impédance de chacun des haut-parleurs. Un transformateur à prise médiane est souvent utilisé dans les amplificateurs de puissance audio. Les transformateurs de modulation dans les transmetteurs à modulation d'amplitude sont très similaires.

Le système de refroidissement

Dans le domaine de l'électricité en basse tension et dans le domaine de l'électronique, la dissipation thermique des transformateurs s'effectue par simple convection naturelle de l'air autour des enroulements primaires et secondaires.

Dans le cadre des circuits électriques à haute tension et de forte puissance, les transformateurs peuvent être équipés de divers dispositifs de refroidissement :

• ailettes métalliques fixées tout autour de la cuve du transformateur qui évacuent la chaleur par convection naturelle ;
• ailettes fixes associées à un condenseur à circulation forcée de l'huile d'isolation galvanique du transformateur ;
• pour les transformateurs les plus puissants, par exemple ceux des grandes lignes THT de la RTE de 400 à 150 kV, on utilise des systèmes de ventilation forcée d'un important flux d'air associé ou non à un échange thermique avec l'huile de la cuve. Le dispositif de refroidissement est toujours couplé à un système de capteurs de température faisant office de thermostat (commande automatique de la mise en route de la ventilation).

L'huile contenue dans la cuve joue un double rôle : caloporteur et diélectrique. Les PCB ont été longtemps utilisés, mais depuis leur interdiction en 1987 (décret 87-59 du 2 février 1987, référence NOR ENVP8700002D), on utilise essentiellement de l'huile minérale.

Enfin signalons que dans le domaine de la radiodiffusion de forte puissance, les transformateurs d'impédance et les transformateurs d'accord sont parfois constitués d'une immense self rigide en cuivre creux dans lequel circule de l'eau pure (l'eau pure est un isolant électrique). Des blocs émetteurs de TDF à Allouis dans le Cher et à St-Aoustrille près d’Issoudun dans l’Indre ont utilisé cette technologie de dissipation thermique.

Fonctionnement du transformateur monophasé

Transformateur parfait ou idéal

C'est un transformateur virtuel sans aucune perte. Il est utilisé pour modéliser les transformateurs réels. Ces derniers sont considérés comme une association d'un transformateur parfait et de diverses impédances.

Dans le cas où toutes les pertes et les fuites de flux sont négligées, le rapport du nombre de spires primaires sur le nombre de spires secondaires détermine totalement le rapport de transformation du transformateur.

• Exemple : Un transformateur dont le primaire comporte 230 spires alimenté par une tension sinusoïdale de 230 V de tension efficace, le secondaire qui comporte 12 spires présentera à ses bornes une tension sinusoïdale dont la valeur efficace sera égale à 12 V. (Attention, en général 1 spire n'est pas égale à 1 V)

Comme on néglige les pertes, la puissance est transmise intégralement, c'est pourquoi l'intensité du courant dans le secondaire sera dans le rapport inverse soit près de 19 fois plus importante que celle circulant dans le primaire.

De l'égalité des puissances apparentes : , soit : on tire :

.

Les pertes de puissance d'un transformateur

Les pertes par effet Joule

Les pertes par effet Joule dans les enroulements sont appelées également « pertes cuivre », elles dépendent de la résistance de ces enroulements et de l'intensité du courant qui les traverse : avec une bonne approximation elles sont proportionnelles au carré de l'intensité.

avec la résistance de l'enroulement i et l'intensité du courant qui le traverse.

Les pertes magnétiques

Ces pertes dans le circuit magnétique, également appelées « pertes fer », dépendent de la fréquence et de la tension d'alimentation. À fréquence constante on peut les considérer comme proportionnelles au carré de la tension d'alimentation. Ces pertes ont deux origines physiques :

• Les pertes par courants de Foucault. Elles sont minimisées par l'utilisation de tôles magnétiques vernies, donc isolées électriquement les unes des autres pour constituer le circuit magnétique, ce en opposition à un circuit massif.
• Les pertes par hystérésis, minimisées par l'utilisation d'un matériau ferromagnétique doux.

Mesure des pertes

La méthode des pertes séparées consiste à placer le transformateur dans deux états :

• Un état pour lequel les pertes Joule sont élevées (fort courant) et les pertes magnétiques très faibles (faible tension). La mise en court-circuit du transformateur (essai en court-circuit) avec une alimentation en tension réduite permet de réaliser ces deux conditions. Les pertes du transformateur sont alors quasiment égales aux pertes Joule.

• Un état pour lequel les pertes magnétiques sont élevées (forte tension) et ou les pertes Joule sont très faibles (faible courant). Le fonctionnement à vide (essai à vide), c’est-à-dire sans récepteur relié au secondaire, correspond à ce cas. La puissance consommée au primaire du transformateur est alors quasiment égale aux pertes magnétiques.

On dit que l'on a deux états qui permettent « une séparation » des pertes d'où l'expression « méthode des pertes séparées ». Elles ont également l'avantage de permettre la mesure du rendement avec une consommation de puissance réduite, sans faire l'essai en fonctionnement réel. Ceci est intéressant lorsqu'on réalise les tests d'un transformateur de forte puissance et que l'on ne dispose pas dans l'atelier de la puissance nécessaire pour l'alimenter à son régime nominal. Mis à part pour les plates-formes d'essai chez les constructeurs, cette méthode n'a donc pas grand intérêt pour uniquement connaître le rendement car, dans ce contexte, une mesure directe à puissance nominale (normale) est bien souvent suffisante.

En revanche, dans le cadre de l'électrotechnique théorique, elle est importante car elle permet de déterminer les éléments permettant de modéliser le transformateur.

Les différents types de transformateurs

Ces distinctions sont souvent liées aux très nombreuses applications possibles des transformateurs.

Autotransformateur

Il s'agit d'un transformateur sans isolement entre le primaire et le secondaire.

Dans cette structure, le secondaire est une partie de l'enroulement primaire. Le courant alimentant le transformateur parcourt le primaire en totalité et une dérivation à un point donné de celui-ci détermine la sortie du secondaire. Le rapport entre la tension d'entrée et la tension de sortie est identique à celui du type isolé.

À rendement égal, un autotransformateur occupe moins de place qu'un transformateur ; cela est dû au fait qu'il n'y a qu'un seul bobinage, et que la partie commune du bobinage unique est parcourue par la somme des courants primaire et secondaire. L'autotransformateur n'est intéressant que lorsque les tensions d'entrée et de sortie sont du même ordre de grandeur : par exemple, 230V/115V. Une de ses principales applications est pour utiliser dans un pays un matériel électronique prévu pour un pays où la tension du secteur est différente (États-Unis, Japon...). Il présente cependant l'inconvénient de ne pas présenter d'isolation galvanique entre le primaire et le secondaire (c’est-à-dire que le primaire et le secondaire sont directement connectés), ce qui peut présenter des risques du point de vue de la sécurité des personnes.

En France, l'autotransformateur est systématiquement utilisé pour le raccordement entre le réseau 225kV et 400kV.^[1]

Transformateur variable - variac - alternostat

Il s'agit d'une variété d'autotransformateur, puisqu'il ne comporte qu'un seul bobinage. La dérivation de sortie du secondaire peut se déplacer grâce à un contact glissant sur les spires du primaire.

Transformateur d'isolement

Le transformateur d'isolement est uniquement destiné à créer un isolement électrique entre plusieurs circuits pour des raisons bien souvent de sécurité ou de résolution de problèmes techniques. Tous les transformateurs à enroulement primaire isolé du(des) secondaire(s) devraient être considérés comme des transformateurs d'isolement ; toutefois, en pratique, ce nom désigne des transformateurs dont la tension de sortie a la même valeur efficace que celle de l'entrée.

Le transformateur d'isolement comporte deux enroulements presque identiques au primaire et au secondaire :

• le nombre de spires du secondaire est souvent très légèrement supérieur au nombre de spires du primaire afin de compenser la faible chute de tension en fonctionnement,
• les sections de fil au primaire et au secondaire sont identiques car l'intensité des courants est la même.

Ils sont, par exemple, largement utilisés dans les blocs opératoires : chaque salle du bloc est équipée de son propre transformateur d'isolement, pour éviter qu'un défaut qui y apparaîtrait n'engendre des dysfonctionnements dans une autre salle.

Un autre intérêt est de pouvoir changer de régime de neutre (cas d'utilisation de matériel informatique et/ou d'équipements électroniques sensibles dans une installation IT).

Transformateur d'impédance

Le transformateur est toujours un transformateur d'impédance, mais les électroniciens donnent ce nom aux transformateurs qui ne sont pas utilisés dans des circuits d'alimentation.

Le transformateur d'impédance est principalement destiné à adapter l'impédance de sortie d'un amplificateur à sa charge.

• Ce genre de transformateur était en particulier employé dans la restitution sonore, pour adapter la sortie d'un amplificateur audio à lampes (haute impédance), avec les haut-parleurs destinés à la restitution du son et caractérisés par une impédance basse.
• En électronique audio professionnelle, on utilise toujours des transformateurs pour les entrées et sorties d'appareils haut de gamme, ou bien dans la fabrication de « Di-box » ou boîte de direct. Le transformateur est alors utilisé, non seulement pour adapter l'impédance et le niveau de sortie des appareils (synthétiseurs, basse électrique, etc.) aux entrées micro de la console de mixage mais en outre pour symétriser la sortie des appareils connectés.
• En technique des hautes fréquences, on utilise également des transformateurs dont le circuit magnétique est en ferrite ou sans circuit magnétique (aussi appelé transformateur sans noyau) pour adapter les impédances de sortie d'un amplificateur, d'une ligne de transmission et d'une antenne. En effet, pour un transfert optimal de puissance de l'amplificateur vers l'antenne, il faut que le taux d'ondes stationnaires (TOS) soit égal à 1.

De tels montages présentent en outre l'avantage de rendre les appareils connectés beaucoup plus résistants aux perturbations électromagnétiques par une augmentation significative du CMRR (Common Mode Rejection Ratio) ou taux de réjection du mode commun.

Transformateur de mesure

Les transformateurs de mesure font l'interface entre le réseau électrique et un appareil de mesure. La puissance disponible au secondaire est définie en fonction des besoins de l'appareil de mesure.

Transformateur d'intensité

Ce type de transformateur, appelé aussi transformateur de courant, est dédié à l'adaptation des courants mis en jeu dans des circuits différents mais fonctionnellement interdépendants.

Un tel transformateur autorise la mesure des courants alternatifs élevés. Il possède une spire au primaire, et plusieurs spires secondaires : le rapport de transformation permet l'usage d'un ampèremètre classique pour mesurer l'intensité au secondaire, image de l'intensité au primaire pouvant atteindre plusieurs kiloampères (kA).

Transformateur de tension

Ce transformateur est l'un des moyens pour mesurer des tensions alternatives élevées. Il s'agit d'un transformateur qui a la particularité d'avoir un rapport de transformation étalonné avec précision, mais prévu pour ne délivrer qu'une très faible charge au secondaire, correspondant à un voltmètre. Le rapport de transformation permet de mesurer des tensions primaires s'exprimant en kilovolts (kV). On le rencontre en HTA et HTB. D'autres technologies existent, comme celle du diviseur capacitif.

Transformateur haute fréquence

Circuit magnétique des transformateurs HF

Les pertes par courants de Foucault au sein du circuit magnétique sont directement proportionnelles au carré de la fréquence mais inversement proportionnelles à la résistivité du matériau qui le constitue. Afin de limiter ces pertes, le circuit magnétique des transformateurs HF est réalisé à l'aide de matériaux ferromagnétiques isolants :

• les ferrites douces : oxydes mixtes de fer et de cuivre ou de zinc ;
• les matériaux nanocristallins.

Transformateur d'impulsions

Ce type de transformateur est utilisé pour la commande des thyristors, triacs et des transistors. Il présente, par rapport à l’opto-coupleur, les avantages suivants : fonctionnement possible à fréquence élevée, simplification du montage, possibilité de fournir un courant important, bonne tenue en tension.

Transformateur triphasé

Justification

Dans les réseaux électriques triphasés, on pourrait parfaitement envisager d'utiliser 3 transformateurs, un par phase. Dans la pratique, l'utilisation de transformateurs triphasés (un seul appareil regroupe les 3 phases) est généralisée : cette solution permet la conception de transformateurs bien moins coûteux, avec en particulier des économies au niveau du circuit magnétique. Les transformateurs monophasés ne sont en fait guère utilisés, sauf pour de très grosses puissances apparentes (typiquement supérieures à 500 MVA), où le transport d'un gros transformateur triphasé est problématique et incite à l'utilisation de 3 unités physiquement indépendantes.

Couplages existants

Pour un transformateur triphasé, il existe 3 types de couplage d’enroulement :

• Le couplage étoile, défini par la lettre Y.
• Le couplage triangle, défini par la lettre D ou Δ.
• Le couplage zig-zag, défini par la lettre Z.

Indice de couplage

C'est la caractéristique d'un transformateur triphasé indiquant le type de couplage réalisé au primaire et au secondaire ainsi que le déphasage entre le système de tensions primaires et le système de tensions secondaires. Les systèmes triphasés de tension sont : « triangle » (D ou d) et « étoile » (Y ou y). La première lettre de l'indice de couplage est toujours en majuscule et indique le système triphasé à tension la plus élevée ; la deuxième lettre est en minuscule et indique le système à tension la plus basse. Dans le système « étoile », le « neutre » (point central de l'étoile) peut être sorti au bornier du transformateur : ceci est indiqué par la présence de la lettre N (ou n) dans l'indice de couplage. Il existe également le couplage zig-zag (z), utilisé majoritairement au secondaire ; il possède un neutre. Ce couplage permet, lors de la perte d'une phase au primaire, d'avoir au secondaire une tension pratiquement identique sur les trois phases. Enfin, l'indice de couplage est complété par un « indice horaire » qui donne, par pas de 30°, le déphasage horaire en 12^es de tour (comme sur une montre) entre le primaire et le secondaire du transformateur (ex. : 11 = 11×30° = 330° en sens horaire ou 30° en sens anti-horaire).

Par exemple, un indice de couplage « Dyn11 » définit donc un transformateur dont :

• le système triphasé de tension élevé est en « triangle » ;
• le système triphasé de tension basse est en « étoile » avec neutre sorti (indiqué par le « n ») ;
• le décalage entre les deux systèmes est de 330° (= – 30° ou bien 11×30°).

Les couplages les plus utilisés sont : Yyn0, Yyn6, Yzn5, Yzn11, Dyn5, Dyn11.

Choix de couplage

Un couplage triangle est utilisé pour connecter le bobinage d'un moteur car il ne nécessite pas de neutre. Il permet la connection d'une charge monophasée à un système triphasé. Il est très utilisé dans la distribution de l'électricité.

Un couplage étoile permet d'avoir accès à deux tensions différentes : la tension ligne à ligne et la tension ligne à neutre. Il est très utilisé dans le transport de l'électricité.

Un transformateur avec un couplage zig-zag peut être utilisé pour les mises à la terre.

Transformateur diphasé-triphasé

(Diphasé)

Transformateurs de Scott

Le montage de Scott permet de transformer des tensions triphasées en diphasées et vice versa. Il trouve son application en électronique mais aussi en production, distribution et transmission d'électricité où le diphasé peut être encore utilisé. Le montage de Scott se réalise grâce à deux transformateurs. Le premier transformateur a les bornes de son primaire connecté à deux phases du triphasé. Le second transformateur est connecté entre la prise centrale du premier transformateur et la phase restante du triphasé. Le rapport de bobinage du premier transformateur sera égal à 1 alors que pour le second il sera égal à ce qui équivaut à 0,866 environ. Le secondaire des deux transformateurs sera de tension égale en norme et avec un déphasage de 90 degrés.

Transformateurs de Leblanc

Le montage de Leblanc permet de passer d'un système de tensions triphasées à un système de tensions diphasées. (en cours)

Liens internes

• Circuit magnétique
• Circuits magnétiquement couplés
• Polychlorobiphényle
• Pyralène

Notes et références

Liens externes

• Lucien Gaulard et le transformateur électrique
• Transformateur
• Transformateur d'impulsions
• Le transformateur d'intensité
• Inductances et transformateurs

• Portail de l’électricité et de l’électronique