LE TRANSFORMATEUR

Les Transformateurs

1.1.Descriptions

Appareil statique transformant une énergie électrique portée par un courant alternatif de tension donnée en une énergie électrique portée par un courant alternatif de tension différente. Un transformateur peut être éleveur ou abaisseur de tension. Dans les conditions normales d'utilisation, le rendement de transformation est très élevé : il est voisin de 99 % sur les plus gros transformateurs.

1.2.Symboles

 1.3.Unités ; Formules

Les transformateurs monophasés

Un transformateur monophasé comporte un circuit magnétique fermé, constitué par un empilage de tôles en fer doux au silicium, isolées entre elles pour éviter des pertes d'énergie par circulation de courants de Foucault. Il porte deux enroulements qui, dans la pratique, sont généralement superposés, mais soigneusement isolés l'un de l'autre. L'un reçoit l'énergie entrante, c'est le bobinage primaire ; l'autre délivre l'énergie sortante, c'est le bobinage secondaire. Le courant alternatif primaire induit un flux magnétique alternatif dans le circuit magnétique ; ce flux induit à son tour un courant alternatif dans le bobinage secondaire. Aussi longtemps que l'on n'approche pas de la saturation magnétique, et pour autant que les sections des conducteurs électriques soient suffisantes pour limiter les pertes par effet Joule, le rapport des tensions efficaces primaire et secondaire est pratiquement égal au rapport du nombre de spires des bobinages correspondants. Le rapport des intensités efficaces est le rapport inverse (conservation de la puissance).

Si l'on observe la formule de l'image si dessus liées aux transformateurs, on remarque que plus le nombre de spire du primaire (  n₁) est grand par rapport à celui du secondaire ( n₂), plus  V₂ sera petit. (transformateur branché sur le réseau 220 V~ pour obtenir des tensions équivalente à celle de piles (6V, 9V, etc..) en alternatif .

Les transformateurs triphasés

Le transport et la distribution d'électricité s'effectuant sous forme triphasée, les transformateurs de puissance sont également des transformateurs triphasés. Leurs circuits magnétiques comportent trois colonnes parallèles, disposées en ligne, reliées entre elles à leurs extrémités. Une cale d'équilibrage sur la colonne centrale permet d'obtenir un comportement identique des trois colonnes magnétiques, malgré la dissymétrie de leur raccordement (le système ne serait symétrique que si les trois colonnes étaient disposées en triangle équilatéral). Chaque colonne porte un enroulement primaire et un enroulement secondaire superposés, séparés entre eux par une gaine isolante. Les bobinages primaire et secondaire peuvent, indifféremment, être raccordés entre eux en étoile (avec neutre matérialisé), ou en triangle ; les systèmes de connexion peuvent être différents au primaire et au secondaire. Les bobinages secondaires des transformateurs d'alimentation domestique sont toujours en étoile, car les réseaux correspondants comportent systématiquement la distribution du neutre, afin d'alimenter chaque abonné entre une phase et le neutre.

1.4.Valeurs

1.4.1. Les Transformateurs à étrier :

Les transformateurs à deux enroulements sont généralement repérés et il est assez facile de voir ou de tester les deux enroulements .Le primaire ( haute tension ) est constitué de fil plus fin que le secondaire , en testant à l' Ohmmètre la résistance du primaire est plus importante que celle du secondaire .Pour les transformateurs à étrier les deux bobines se superpose et le plus souvent le primaire est en bas ( à contrôler ).

1.4.2. Les Transformateurs moulés :

Les transformateurs moulés comportent des picots qui permettent de les souder directement sur un circuit , ces picots sont repérés sur le dessus du transformateur par des chiffres ( voir des lettres en plus ) .Sur le coté du transformateur ont trouve les caractéristiques avec le repérage des picots .

1.4.3. Les Transformateurs toriques :

Les transformateurs toriques comportent un schémas avec le repérage et la couleur des fils .

1.5.Variantes

Le rôle des transformateurs de puissance

C'est l'existence des transformateurs statiques qui est à la base de la généralisation planétaire de la distribution de l'électricité sous forme de courant alternatif. Ils permettent en effet, très économiquement, de minimiser les pertes en ligne, en assurant le transport de l'énergie à longue distance sous tension élevée (400 000 V entre phases en France), puis d'abaisser ensuite cette tension, étape par étape, pour alimenter les réseaux de distribution régionale et locale, jusqu'à la tension d'alimentation domestique qui est, en France, de 220 V entre phase et neutre (380 V entre phases).

Cet abaissement de tension, par étapes, a l'avantage de limiter, à chaque niveau, la puissance de court-circuit en cas d'accident : le transformateur se situant immédiatement en amont du court-circuit voit son circuit magnétique se saturer, ce qui limite l'intensité du court-circuit, donc la taille du disjoncteur amont chargé de l'intercepter. C'est grâce à une autoprotection, assurée par la cascade des transformateurs abaisseurs de tension, qu'il est possible, à l'entrée des logements, de ne disposer que de petits disjoncteurs compacts, qui seraient incapables de couper une intensité de court-circuit importante.

Les transformateurs présentent également l'avantage d'isoler entre eux les divers tronçons d'un grand réseau. S'il se produit un défaut de terre accidentel, ce défaut n'affectera qu'un tronçon bien déterminé du réseau, compris entre deux transformateurs, tronçon éventuellement isolable transitoirement ou définitivement. Ainsi, l'ensemble du réseau ne sera pas touché. La localisation du défaut en ligne se révèle également beaucoup plus facile.

1.5.1.Les transformateurs spéciaux

1.5.1.1.Transformateur de séparation :

Le transformateur de séparation est construit avec deux enroulements ( si monophasé sinon 6 enroulements pour du triphasé) qui n'ont absolument aucune liaison électrique entre eux.

Ce type de transformateur les formules relatives à ce transformateur sont les mêmes que celle du transformateur "normal".

On utilise un tel transformateur là où la sécurité l'exige. C'est à dire où l'emplacement de travail avec des appareils électriques présente de grande surface conductrice ( cuve métallique ou salle de bain ). Le secondaire du transformateur étant totalement isolé du primaire, donc aussi du conducteur de protection et donc de toutes parties conductrices du bâtiments ou d'objets, lors défaut d'un appareil, nul courant ne peut traverser le corps humain ( puisque aucun retour possible).  Bien sûr on ne peut raccorder et utiliser qu'un seul appareil à la fois car il est impossible d'exclure tout risque de défauts simultanés et alors de permettre un passage du courant électrique dans le sens   source - défaut de l'appareil  1 - corps humain (avec effets néfastes)- éléments conducteurs ( cuve) - défaut de l'appareil 2 - retour à la source.

1.5.1.2.Les transformateurs de mesure :

Ce sont les transformateurs spéciaux les plus répandus. Certains ont pour mission d'élaborer un courant à basse tension proportionnel à l'intensité véhiculée dans un conducteur à tension plus élevée, qui peut éventuellement être une très haute tension. Ce conducteur se comporte comme un primaire de transformateur à spire unique. Il est entouré d'un noyau magnétique en forme de tore, noyau qui porte le bobinage secondaire alimentant l'ampèremètre de mesure : cet ensemble s'appelle transformateur d'intensité. Il ne comporte aucune zone sous haute tension. La mesure des tensions élevées nécessite également l'élaboration d'une tension modérée proportionnelle. C'est le rôle des transformateurs de potentiel, dont la construction est beaucoup plus délicate que celle des transformateurs d'intensité, car leurs primaires sont directement soumis à la haute tension à mesurer et mobilisent ainsi des dispositions draconiennes au niveau de leur isolement, par rapport à la terre et par rapport à leurs secondaires, connectés chacun à un voltmètre de mesure à basse tension.

1.5.1.3.Les autres transformateurs spéciaux :

Il en existe une grande variété. Les autotransformateurs ne comportent qu'un seul bobinage par phase, bobinage doté d'une connexion intermédiaire. Le primaire est relié aux extrémités de ce bobinage, le secondaire à l'une des extrémités et à la connexion intermédiaire. Ils ont connu un certain succès dans les débuts de la distribution de l'électricité sous forme de courant alternatif, en raison de leur coût plus faible que celui des transformateurs classiques, mais ont été très vite abandonnés, lorsque les réseaux se sont développés, car ils présentaient le défaut rédhibitoire de ne pas isoler leur primaire de leur secondaire. Dans les débuts de la distribution électrique, de petits réseaux diphasés ont coexisté avec le réseau général triphasé. On a conçu alors des transformateurs triphasés-diphasés qui permettaient d'alimenter les petits réseaux diphasés à partir du réseau principal. On construit encore, à la fin du XX^e siècle, des transformateurs triphasés-monophasés, par exemple pour alimenter des puissants postes de soudure à l'arc. Certains transformateurs de puissance possèdent plusieurs bornes de connexion sur leur circuit basse tension. Cela permet d'adapter leur rapport de transformation, par exemple lorsque la tension à l'extrémité d'une ligne d'interconnexion se modifie sensiblement, en fonction du sens de la puissance transportée. Il existe également des fours-transformateurs, dont le secondaire est constitué par une seule spire en métal réfractaire ayant la forme d'une auge. Il y circule un courant d'intensité considérable qui permet d'y faire fondre un métal plus fusible qui, dès qu'il commence à fondre, participe à la circulation du courant secondaire. Dans certains montages électroniques, il est nécessaire d'adapter l'impédance d'un circuit aval aux caractéristiques d'un circuit amont qui l'alimente : ce peut être, par exemple, le cas des haut-parleurs d'une chaîne à haute-fidélité que l'on adapte aux caractéristiques du dernier étage d'amplification qui les alimente, par interposition d'un transformateur de rapport adéquat.

 

Exemple d'application en classe de 6ème: le porte clé lumineux