Transformateur électrique

Un transformateur électrique est un convertisseur servant à modifier les valeurs de tension et d'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un dispositif de tension...



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Un transformateur électrique est un convertisseur servant à modifier les valeurs de tension et d'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un dispositif 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 peut distinguer 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 forme la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alors magnétiquement couplés. Ceci sert à 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.

Vue en coupe d'un transformateur triphasé.
Montage d'un transformateur (Allemagne, 1981)

Invention

Les principes du transformateur ont été établis en 1831 par Michæl Faraday, mais ce dernier 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 Entreprise 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 avec 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 favorise 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 grande variété 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

Photographie des enroulements d'un transformateur triphasé.

Il est constitué de deux parties principales, 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 le plus souvent feuilleté pour diminuer 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, donnant la possibilité ainsi de glisser une bobine au sein 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

Les enroulements sont généralement concentriques pour minimiser les fuites de flux.

Le conducteur électrique utilisé dépend des applications, mais le cuivre est le matériau de choix pour l'ensemble des applications à fortes puissances. Les fils électriques de chaque tour doivent être isolés les uns des autres pour 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 mais aussi les pertes par courants de Foucault.

Les enroulements du primaire ou du secondaire peuvent avoir des connexions externes, nommées prise, à des points intermédiaires de l'enroulement pour 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 pour permettre l'ajustement de l'impédance de chacun des haut-parleurs. Un transformateur à prise médiane est fréquemment utilisé dans les amplificateurs de puissance audio. Les transformateurs de modulation dans les transmetteurs à modulation d'amplitude sont particulièrement identiques.

Le dispositif 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 systèmes de refroidissement :

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 principalement 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 quelquefois 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 ainsi qu'à St-Aoustrille près d'Issoudun dans l'Indre ont utilisé cette technologie de dissipation thermique.

Fonctionnement du transformateur monophasé

Transformateur parfait ou parfait

Transformateur monophasé parfait

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

Dans le cas où l'ensemble des pertes et les fuites de flux sont négligées, le rapport du nombre de spires primaires sur le nombre de spires secondaires détermine complètement le rapport de transformation du transformateur.

 \frac{U_2}{U_1} =  \frac{N_2}{N_1}

Comme on néglige les pertes, la puissance est transmise totalement, 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 :  S_1 =S_2 \,, soit :  U_1I_1 =  U_2I_2 \, on tire :

 \frac{U_2}{U_1} = \frac{I_1}{I_2}.

Les pertes de puissance d'un transformateur

Les pertes par effet Joule

Les pertes par effet Joule dans les enroulements sont nommées aussi «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.

 P_J = \sum_i R_i I_iˆ2 avec  R_i \, la résistance de l'enroulement i et  I_i \, l'intensité du courant qui le traverse.

Les pertes magnétiques

Ces pertes dans le circuit magnétique, aussi nommées «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 :

Mesure des pertes

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

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

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

Les différents types de transformateurs

Ces distinctions sont fréquemment liées aux particulièrement nombreuses applications envisageables des transformateurs.

Autotransformateur

Symbole d'un autotransformateur.
1 indique le primaire ; 2 le secondaire.

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 ce dernier détermine la sortie du secondaire. Le rapport entre la tension d'entrée et la tension de sortie est semblable 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 quand 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 toujours utilisé pour le raccordement entre le réseau 225kV et 400kV. [1]

Transformateur variable - variac - alternostat

Il s'agit d'une variété d'autotransformateur, dans la mesure où 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 seulement conçu pour créer un isolement électrique entre plusieurs circuits pour des raisons fréquemment de sécurité ou de résolution de problèmes techniques. L'ensemble des transformateurs à enroulement primaire isolé du (des) secondaire (s) devraient être reconnus comme des transformateurs d'isolement ; cependant, en pratique, ce nom sert à désigner 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 semblables au primaire et au secondaire :

Ils sont , par exemple, beaucoup 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 essentiellement conçu pour adapter l'impédance de sortie d'un amplificateur à sa charge.

De tels montages présentent en outre l'avantage de rendre les appareils connectés bien 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

Article détaillé : 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 suivant les besoins de l'appareil de mesure.

Transformateur d'intensité

Article détaillé : Transformateur d'intensité.

Ce type de transformateur, nommé 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

Article détaillé : Transformateur de tension.

Ce transformateur fait partie des moyens pour mesurer des tensions alternatives élevées. C'est un transformateur qui a la particularité d'avoir un rapport de transformation étalonné avec précision, mais prévu pour ne délivrer qu'une particulièrement faible charge au secondaire, correspondant à un voltmètre. Le rapport de transformation sert à 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 forme. Pour limiter ces pertes, le circuit magnétique des transformateurs HF est réalisé avec matériaux ferromagnétiques isolants :

Transformateur d'impulsions

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

Transformateur triphasé

Justification

Dans les réseaux électriques triphasés, on pourrait idéalement 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 surtout 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 :

Liste des couplages envisageables : Yy0, Dd0, Dz0, Yd1, Dy1, Yz1, Yd5, Dy5, Yz5, Yd6, Dd6, dz6
La majuscule est toujours pour la tension la plus forte.

Indice de couplage

C'est la caractéristique d'un transformateur triphasé indiquant le type de couplage réalisé au primaire et au secondaire mais aussi le déphasage entre le dispositif de tensions primaires et le dispositif de tensions secondaires. Les dispositifs 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 dispositif triphasé à tension la plus élevée ; la seconde lettre est en minuscule et indique le dispositif à tension la plus basse. Dans le dispositif «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 aussi le couplage zig-zag (z), utilisé surtout au secondaire ; il possède un neutre. Ce couplage permet, lors de la perte d'une phase au primaire, d'avoir au secondaire une tension quasiment semblable 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 12es 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).

A titre d'exemple, un indice de couplage «Dyn11» définit par conséquent un transformateur dont :

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 connexion d'une charge monophasée à un dispositif triphasé. Il est particulièrement 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 particulièrement utilisé dans le transport de l'électricité.

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

Transformateur diphasé-triphasé

Article détaillé : Biphasé#Diphasé.

Transformateurs de Scott

Diagramme des transformateurs de Scott

Le montage de Scott sert à transformer des tensions triphasées en diphasées et inversement. Il trouve son application en électronique mais également en production, distribution et transmission d'électricité où le diphasé peut être toujours utilisé. Le montage de Scott se réalise grâce à deux transformateurs. Le premier transformateur a les limites de son primaire connectées 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 tandis que pour le second il sera égal à \frac{\sqrt{3}}{{2}} ce qui équivaut à 0, 866 à peu près. 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 sert à passer d'un dispositif de tensions triphasées à un dispositif de tensions diphasées. (en cours)

Notes et références

  1. Description du réseau 225kV EDF et des transformateurs utilisés à travers la coordination de l'isolement : Coordination des isolements du réseau 225kV EDF

Liens externes

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