Un transformateur est un dispositif électromagnétique utilisé pour convertir un courant alternatif d'une tension et d'une fréquence en un courant alternatif d'une autre tension (ou égale) et de la même fréquence.
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Conception et fonction d'un transformateur
Dans le cas le plus simple Transformateur contient un enroulement primaire avec le nombre d'enroulements W1 et un secondaire avec W2. L'énergie est connectée à l'enroulement primaire, la charge est connectée à l'enroulement secondaire. Le transfert d'énergie s'effectue par induction électromagnétique. Pour améliorer le couplage électromagnétique, les enroulements sont généralement montés sur un noyau fermé (noyau magnétique).
Si la tension alternative U1est appliqué à l'enroulement primaire, le courant alternatif I1qui induit un flux magnétique F de même forme dans le noyau. Ce flux magnétique induit une force électromagnétique dans l'enroulement secondaire. Si une charge est connectée au circuit secondaire, un courant secondaire I2.
La tension dans l'enroulement secondaire est déterminée par le rapport des tours W1 et W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, où k ratio de transformation.
Si k<1, alors U2>U1et un tel transformateur est appelé transformateur élévateur. Si k>1 , alors U2
Un transformateur peut avoir plus d'un enroulement secondaire avec différents rapports de transformation. Par exemple, un transformateur de 220 volts destiné à alimenter des ampoules domestiques peut avoir un enroulement secondaire, par exemple de 500 volts pour alimenter les circuits d'anode et de 6 volts pour alimenter les circuits d'incandescence. Dans le premier cas, k<1, dans le second cas, k>1.
Un transformateur ne fonctionne qu'avec des tensions alternatives - le flux magnétique doit changer pour qu'une CEM se produise dans l'enroulement secondaire.
Types de noyaux pour les transformateurs
Dans la pratique, on utilise des noyaux qui n'ont pas uniquement la forme indiquée. Selon l'utilisation prévue du dispositif, les noyaux magnétiques peuvent être fabriqués de différentes manières.
Cœurs
Les noyaux des transformateurs basse fréquence sont fabriqués en acier aux propriétés magnétiques prononcées. Pour réduire les courants de Foucault, le réseau de noyaux est constitué de plaques individuelles isolées électriquement les unes des autres. Pour les hautes fréquences, d'autres matériaux tels que la ferrite sont utilisés.
Le noyau dont il a été question plus haut est appelé un réseau de noyaux et se compose de deux tiges. Pour les transformateurs monophasés, des noyaux à trois noyaux sont également utilisés. Ils ont un flux magnétique parasite plus faible et un rendement plus élevé. Dans ce cas, les deux enroulements, primaire et secondaire, sont placés sur le noyau central.
Les transformateurs triphasés sont également fabriqués sur des noyaux triphasés. Les enroulements primaires et secondaires de chaque phase sont chacun sur un noyau séparé. Dans certains cas, des cœurs à cinq cœurs sont utilisés. Ils ont la même disposition, les noyaux primaire et secondaire de chaque côté du noyau, les deux barres les plus extérieures de chaque côté étant utilisées pour coupler les flux magnétiques ensemble dans certaines opérations.
Noyaux blindés
Les transformateurs monophasés sont fabriqués avec des noyaux blindés - les deux bobines sont placées sur le noyau central du noyau magnétique. Le flux magnétique dans ce noyau est couplé de la même manière que dans une unité à trois noyaux, c'est-à-dire à travers les parois latérales. Le flux de diffusion est très faible dans ce cas.
L'avantage de cette conception est qu'il y a un certain gain de taille et de poids dû à la possibilité de remplir la fenêtre du noyau de manière plus dense avec des enroulements, il est donc avantageux d'utiliser des noyaux blindés pour les transformateurs de faible puissance. Il en résulte également un circuit magnétique plus court, ce qui permet de réduire les pertes à vide.
Les inconvénients sont que les enroulements sont plus difficiles d'accès pour l'inspection et la réparation, et que l'isolation pour les hautes tensions est plus complexe à fabriquer.
Toroïdal
Avec les noyaux toroïdaux, le flux magnétique est complètement enfermé dans le noyau et il n'y a pratiquement aucune fuite de flux magnétique. Mais ces transformateurs sont difficiles à enrouler, ils sont donc rarement utilisés, par exemple dans les autotransformateurs contrôlés de petite capacité ou dans les applications haute fréquence où l'immunité aux interférences est importante.
Autotransformateur
Dans certains cas, il est conseillé d'utiliser des transformateurs dans lesquels les enroulements ne sont pas seulement connectés magnétiquement, mais aussi électriquement. Autrement dit, dans un dispositif élévateur, l'enroulement primaire fait partie de l'enroulement secondaire et dans un dispositif réducteur, l'enroulement secondaire fait partie de l'enroulement primaire. Un tel dispositif est appelé autotransformateur (AT).
Un autotransformateur abaisseur n'est pas un simple diviseur de tension - un couplage magnétique intervient également dans le transfert d'énergie vers le circuit secondaire.
Les avantages des autotransformateurs sont les suivants :
- des pertes moindres ;
- la possibilité de réguler la tension en continu ;
- des dimensions réduites (les autotransformateurs sont moins chers, plus faciles à transporter) ;
- Un coût plus faible en raison de la réduction des besoins en matériaux.
Parmi les inconvénients, citons la nécessité d'isoler les deux enroulements à une tension plus élevée et l'absence d'isolation galvanique entre l'entrée et la sortie, qui peut transférer les effets des intempéries du circuit primaire au circuit secondaire. En même temps, les éléments du circuit secondaire ne doivent pas être mis à la terre. De même, l'augmentation des courants de court-circuit est considérée comme un inconvénient de l'AT. Avec les autotransformateurs triphasés, les enroulements sont généralement connectés en étoile avec un neutre mis à la terre, d'autres schémas de connexion sont possibles, mais trop compliqués et encombrants. C'est également un inconvénient qui peut limiter l'utilisation des autotransformateurs.
Applications des transformateurs
La propriété des transformateurs d'augmenter ou de diminuer la tension est largement utilisée dans l'industrie et chez les particuliers.
Transformation de la tension
Le niveau de tension industrielle a des exigences différentes selon les phases. Pour diverses raisons, il n'est pas rentable d'utiliser des générateurs à haute tension pour la production d'électricité. C'est pourquoi, par exemple, des générateurs de 6...35 kV sont utilisés dans les centrales hydroélectriques. En revanche, des tensions plus élevées sont nécessaires pour le transport de l'électricité - de 110 kV à 1 150 kV, selon la distance. Cette tension est ensuite à nouveau réduite à 6...10 kV, distribuée aux sous-stations locales, d'où elle est réduite à 380(220) volts et livrée au consommateur final. Pour les appareils domestiques et industriels, elle doit également être abaissée, généralement à 3...36 volts.
Toutes ces étapes sont réalisées au moyen de ... transformateurs de puissance. Ils peuvent être de type sec ou de type huile. Dans ce dernier, le noyau et les enroulements sont contenus dans un réservoir d'huile, qui fait office de milieu isolant et de refroidissement.
Isolation galvanique
L'isolation galvanique augmente la sécurité des appareils électriques. Si l'appareil n'est pas alimenté directement par le réseau 220 volts, dont l'un des conducteurs est relié à la terre, mais par l'intermédiaire d'un transformateur 220/220 volts, la tension d'alimentation reste la même. Mais si la terre et les parties secondaires porteuses de courant se touchent en même temps, il n'y aura pas de circuit pour le passage du courant et le risque d'électrocution sera beaucoup plus faible.
Mesure de la tension
Dans toutes les installations électriques, le niveau de tension doit être contrôlé. Si une classe de tension allant jusqu'à 1000 volts est utilisée, les voltmètres sont montés directement sur les parties sous tension. Dans les installations de plus de 1000 volts, cela n'est pas possible - les dispositifs seraient trop encombrants et pourraient ne pas être sûrs en cas de défaut d'isolation. C'est pourquoi, dans ces systèmes, les voltmètres sont reliés à des conducteurs haute tension par des transformateurs ayant un rapport de transformation approprié. Par exemple, pour les réseaux de 10 kV, des transformateurs de 1:100 sont utilisés et la tension de sortie est une tension standard de 100 volts. Si la tension primaire change d'amplitude, elle change aussi dans le secondaire en même temps. L'échelle d'un voltmètre est généralement graduée dans la gamme de tension primaire.
Les transformateurs sont assez complexes et coûteux à fabriquer et à entretenir. Cependant, dans de nombreuses applications, ces appareils sont indispensables et il n'y a pas d'alternative.
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