Fonction du transformateur

Un transformateur est constitué d’un circuit magnétique, appelé noyau, et possède au moins deux enroulements parcourus par le courant et la tension, avec un nombre de spires déterminé. Les spires orientées vers la tension électrique (tension du réseau) sont appelées côté primaire (bobine primaire), le côté avec le consommateur et la charge électrique est appelé côté secondaire (bobine secondaire). La puissance entrante de courant et de tension est transformée en une puissance sortante de courant et de tension.

Un TRANSFORMATEURS est essentiellement composé de deux ou plusieurs bobines ainsi que d’un noyau de fer commun. Dans un TRANSFORMATEURS MONOPHASÉS , on utilise souvent une seule bobine, mais pour des puissances plus élevées, deux bobines sont connectées en parallèle ou en série. Le TRANSFORMATEURS TRIPHASÉS est composé de trois bobines, chacune étant reliée à l’autre en fonction du groupe de commutation souhaité. Les enroulements d’un transformateur sont généralement fabriqués à partir de fils de cuivre émaillés isolés et se trouvent enroulés sur le noyau de fer, soit sur une bobine séparée, soit avec des barres d’espacement et une isolation respectant les distances d’isolement et de fuite. La tension alternative présente y est connectée, ce qui crée un champ magnétique alternatif. Le flux magnétique traverse la bobine secondaire à l’aide du noyau de fer. Au secondaire du transformateur, la tension alternative de sortie (tension induite) peut donc être prélevée avec le courant alternatif souhaité. Le rapport d’enroulement des bobines primaire et secondaire définit si la tension à la sortie est inférieure ou supérieure à la tension d’entrée. Si le nombre de spires de la bobine secondaire est supérieur à celui de la bobine primaire, la tension de sortie est supérieure à la tension d’entrée. Cependant, si le nombre de spires de la bobine secondaire est inférieur, la tension de sortie est inférieure à la tension d’entrée. Le rapport entre le nombre de spires N1/N2 est déterminant pour la variation de la puissance ou de la tension et du courant alternatifs. L’épaisseur de fil utilisée sur les bobines est définie par le courant.

La technique de fabrication du noyau et la qualité utilisée pour le noyau du transformateur (noyau de fer) ont un impact sur le circuit magnétique. Le circuit magnétique d’un transformateur (champ magnétique) devrait idéalement générer de faibles pertes par courants de Foucault et avoir de faibles pertes par inversion magnétique (pertes par hystérésis). Un autre aspect concerne les résistances dans l’enroulement d’un transformateur. Seuls des enroulements par couches et ordonnés sur la bobine primaire et la bobine secondaire et le meilleur métal d’enroulement permettent de réduire les pertes d’enroulement. Le nombre de spires sur la bobine permet de contrôler la tension. L’intensité du courant détermine le diamètre du métal d’enroulement.

La puissance de construction d’un transformateur est exprimée en VA ou en kVA (VA est le nom de Voltampère et représente l’unité de mesure de la puissance électrique apparente, kVA est le nom de Kilovoltampère).
Le cuivre, à l’exception de l’argent, a la meilleure conductivité avec γ = 56, alors que l’aluminium n’a que γ = 36. L’aluminium suit donc avec un écart d’environ 35%. Ainsi, le cuivre est le meilleur métal et l’aluminium « seulement » le deuxième meilleur des matériaux conducteurs techniquement et économiquement utilisables pour l’énergie électrique. Tous les autres métaux ne peuvent pas être considérés comme des conducteurs de courant, et les alliages ont généralement une conductivité nettement inférieure à celle des métaux purs. L’argent ou l’or sont totalement exclus en raison de leur prix élevé.

Le transformateur idéal n’existe pas. Le transformateur idéal est sans perte et n’est utilisé que comme modèle pour décrire le fonctionnement des transformateurs. Dans un transformateur idéal, la tension aux bornes des enroulements est proportionnelle à la vitesse de variation du flux magnétique et au nombre de spires de l’enroulement du transformateur, en raison de l’induction électromagnétique. Cela signifie que la tension aux bornes de l’enroulement est proportionnelle au nombre de spires du transformateur. Si une machine (consommateur) est connectée à la bobine secondaire, elle prélève de l’énergie sur le transformateur du côté secondaire. Le flux de courant à l’intérieur d’un transformateur fonctionne selon la règle de Lenz. Les courants dans les enroulements sont donc opposés. Le courant primaire dans un transformateur circule vers la droite par rapport au noyau, le courant secondaire vers la gauche. Dans le cas d’un transformateur idéal, la combinaison des équations de transformation de la tension montre que l’énergie fournie au primaire est égale à l’énergie prélevée au secondaire. Cela signifie qu’en théorie, un transformateur idéal ne subit aucune perte de chaleur.

Les différences avec un transformateur réel peuvent être définies comme suit. Un transformateur réel a des résistances dans l’enroulement, ce qui entraîne des pertes d’énergie. En outre, dans un transformateur réel, il faut toujours s’attendre à ce que l’inversion de l’aimantation et les courants de Foucault entraînent également des pertes d’énergie. Il y a donc des pertes de cuivre (résistances dans l’enroulement), des pertes par hystérésis (réaimantation) et des pertes par courants de Foucault (pertes dues aux courants de Foucault). De plus, il y a toujours des flux de fuite (le flux magnétique qui passe par le côté primaire ne passe pas proportionnellement par le côté secondaire). En outre, la perméabilité d’un noyau de fer dépend de l’intensité du flux magnétique (densité de flux magnétique).

En général, on distingue les transformateurs en fonction de leur isolation galvanique. Les transformateurs d’isolement n’ont pas de connexion entre le côté entrée et le côté sortie. Ces deux enroulements sont séparés l’un de l’autre. Dans les autotransformateurs, le secondaire prélève sa tension sur la partie primaire de l’enroulement, il n’y a pas d’enroulement secondaire indépendant séparé, il n’y a donc pas d’isolation galvanique. L’avantage des autotransformateurs réside dans leur taille inférieure à celle des transformateurs d’isolement. L’utilisation d’autotransformateurs est limitée et doit être étudiée au cas par cas.

Le transformateur peut modifier la tension et le courant alternatifs entre l’entrée et la sortie, mais il ne peut pas modifier la fréquence. La fréquence entrante est toujours égale à la fréquence sortante. Les transformateurs peuvent également être calculés pour les hautes fréquences.