Une construction de transformateur fournit un circuit magnétique, plus communément connu sous le nom de “noyau de transformateur”, qui est conçu pour fournir un chemin pour le champ magnétique. Ce chemin magnétique est nécessaire pour l’induction de tension entre les deux enroulements d’entrée et de sortie.

Cependant, ce type de construction de transformateur où les deux enroulements sont enroulés sur des jambes séparées n’est pas très efficace, car les enroulements primaire et secondaire sont bien séparés l’un de l’autre. Cela entraîne un faible couplage magnétique entre les deux enroulements ainsi que de grandes quantités de fuite de flux magnétique du transformateur lui-même. Mais en plus de cette construction en forme de “O”, il existe différents types de “construction de transformateur” et de conceptions disponibles qui sont utilisés pour surmonter ces inefficacités et produire un transformateur plus petit et plus compact.

L’efficacité d’une simple construction de transformateur peut être améliorée en rapprochant les deux enroulements, améliorant ainsi le couplage magnétique. Augmenter et concentrer le circuit magnétique autour des bobines peut améliorer le couplage magnétique entre les deux enroulements, mais cela a également pour effet d’augmenter les pertes magnétiques du noyau du transformateur.

En plus de fournir un chemin à faible réluctance pour le champ magnétique, le noyau est conçu pour éviter les courants électriques circulants à l’intérieur du noyau en fer lui-même. Les courants circulants, appelés “courants de Foucault”, provoquent un échauffement et des pertes d’énergie à l’intérieur du noyau réduisant l’efficacité du transformateur.

Ces pertes sont principalement dues aux tensions induites dans le circuit en fer, qui est constamment soumis aux champs magnétiques alternés générés par la tension d’alimentation sinusoïdale externe. Une manière de réduire ces pertes d’énergie indésirables consiste à construire le noyau du transformateur à partir de fines laminations d’acier.

Dans la plupart des types de construction de transformateur, le noyau central en fer est construit à partir d’un matériau hautement perméable, couramment fabriqué à partir de fines laminations d’acier au silicium. Ces fines laminations sont assemblées pour fournir le chemin magnétique requis avec un minimum de pertes magnétiques. La résistivité de la tôle d’acier elle-même est élevée, réduisant ainsi toute perte de courant de Foucault en rendant les laminations très fines.

Construction du Noyau du Transformateur

En général, le nom associé à la construction d’un transformateur dépend de la manière dont les enroulements primaire et secondaire sont enroulés autour du noyau en acier laminé central. Les deux conceptions de base les plus courantes de construction de transformateur sont le Transformateur à Noyau Fermé et le Transformateur à Noyau en Coquille.

Dans le type de transformateur “à noyau fermé”, les enroulements primaire et secondaire sont enroulés à l’extérieur et entourent l’anneau du noyau. Dans le transformateur de type “coquille”, les enroulements primaire et secondaire passent à l’intérieur du circuit magnétique en acier (noyau), formant une coquille autour des enroulements comme montré ci-dessous.

Construction du Noyau du Transformateur

Dans les deux types de conception de noyau de transformateur, le flux magnétique reliant les enroulements primaire et secondaire circule entièrement dans le noyau sans perte de flux magnétique dans l’air. Dans la construction de transformateur de type noyau, une moitié de l’enroulement est enroulée autour de chaque jambe (ou limb) du circuit magnétique du transformateur.

Les bobines ne sont pas arrangées avec l’enroulement primaire sur une jambe et le secondaire sur l’autre, mais plutôt la moitié de l’enroulement primaire et la moitié de l’enroulement secondaire sont placées concentriquement l’une sur l’autre sur chaque jambe afin d’augmenter le couplage magnétique, permettant à pratiquement toutes les lignes de force magnétique de passer à travers les deux enroulements primaire et secondaire en même temps. Cependant, avec ce type de construction de transformateur, un petit pourcentage des lignes de force magnétique circule à l’extérieur du noyau, ce qui est appelé “flux de fuite”.

Les noyaux de transformateur de type coquille surmontent ce flux de fuite car les enroulements primaire et secondaire sont enroulés sur la même jambe centrale qui a deux fois la superficie de coupe des deux jambes extérieures. L’avantage ici est que le flux magnétique a deux chemins magnétiques fermés pour circuler à l’extérieur des bobines de chaque côté avant de revenir aux bobines centrales.

Cela signifie que le flux magnétique circulant autour des jambes extérieures de ce type de construction de transformateur est égal à Φ/2. Comme le flux magnétique a un chemin fermé autour des bobines, cela a l’avantage de réduire les pertes de noyau et d’augmenter l’efficacité globale.

Laminations du Transformateur

Mais vous vous demandez peut-être comment les enroulements primaire et secondaire sont enroulés autour de ces noyaux en fer ou en acier laminés pour ces types de constructions de transformateurs. Les bobines sont d’abord enroulées sur une forme ayant une section transversale cylindrique, rectangulaire ou ovale adaptée à la construction du noyau laminé. Dans les constructions de transformateur à coquille et à noyau, afin de monter les enroulements des bobines, les laminations individuelles sont estampées ou découpées à partir de feuilles d’acier plus grandes et formées en bandes de métal mince ressemblant aux lettres “E”s, “L”s, “U”s et “I”s comme illustré ci-dessous.

Types de Noyau du Transformateur

Ces estampages de laminations, lorsqu’ils sont connectés ensemble, forment la forme requise du noyau. Par exemple, deux estampages “E” plus deux estampages de fermeture “I” donnent un noyau E-I formant un élément d’un noyau de transformateur de type coquille standard. Ces laminations individuelles sont soigneusement juxtaposées pendant leur construction pour réduire la réluctance de l’espace d’air aux joints, produisant une densité de flux magnétique hautement saturée.

Les laminations du noyau de transformateur sont généralement empilées alternativement les unes sur les autres pour produire un joint qui se chevauche, avec plus de paires de laminations ajoutées pour atteindre l’épaisseur de noyau appropriée. Cet empilage alternatif des laminations donne également au transformateur l’avantage de réduire la fuite de flux et les pertes en fer. La construction en colonne laminée du noyau E-I est principalement utilisée dans les transformateurs d’isolement, les transformateurs élévateurs et abaisseurs, ainsi que le transformateur auto.

Agencements d’Enroulements de Transformateur

Les enroulements de transformateur constituent une autre partie importante de la construction d’un transformateur, car ils sont les principaux conducteurs porteurs de courant enroulés autour des sections laminées du noyau. Dans un transformateur à deux enroulements monophasé, deux enroulements seraient présents comme indiqué. Celui qui est connecté à la source de tension et crée le flux magnétique est appelé l’enroulement primaire, et le second enroulement, appelé secondaire, dans lequel une tension est induite en raison de l’induction mutuelle.

Si la tension de sortie secondaire est inférieure à celle de la tension d’entrée primaire, le transformateur est connu sous le nom de “Transformateur Abaisseur”. Si la tension de sortie secondaire est supérieure à celle de la tension d’entrée primaire, il est appelé un “Transformateur Élévateur”.

Construction de Type Noyau

Le type de fil utilisé comme le principal conducteur porteur de courant dans un enroulement de transformateur est soit en cuivre, soit en aluminium. Bien que le fil en aluminium soit plus léger et généralement moins cher que le fil en cuivre, une section transversale plus grande du conducteur doit être utilisée pour transporter la même quantité de courant qu’avec le cuivre, il est donc principalement utilisé dans des applications de transformateur de puissance plus grandes.

Les transformateurs de puissance de faible kVA et de tension utilisés dans des circuits électriques et électroniques basse tension tendent à utiliser des conducteurs en cuivre, car ceux-ci ont une résistance mécanique plus élevée et une taille de conducteur plus petite que les types en aluminium équivalents. L’inconvénient est qu’une fois assemblés avec leur noyau, ces transformateurs peuvent être beaucoup plus lourds.

Les enroulements de transformateur et les bobines peuvent être largement classés en bobines concentriques et bobines empilées. Dans la construction de transformateur de type noyau, les enroulements sont généralement disposés concentriquement autour de la jambe du noyau comme montré ci-dessus, l’enroulement primaire de haute tension étant enroulé sur l’enroulement secondaire de basse tension.

Les bobines empilées ou “pancake” sont constituées de conducteurs plats enroulés en spirale et sont ainsi nommées en raison de la disposition des conducteurs en disques. Des disques alternatifs sont fabriqués pour faire une spirale de l’extérieur vers le centre dans un arrangement imbriqué, chaque bobine étant empilée ensemble et séparée par des matériaux isolants tels que du papier ou une feuille en plastique. Les bobines et enroulements empilés sont plus courants avec la construction à noyau de type coquille.

Enroulements Hélicoïdaux, également connus sous le nom d’enroulements à vis, sont une autre configuration de bobine cylindrique très courante utilisée dans des applications de transformateur basse tension à courant élevé. Les enroulements sont constitués de conducteurs rectangulaires de grande section transversale enroulés sur le côté, les brins isolés étant enroulés en parallèle continuellement tout au long de la longueur du cylindre, avec des entretoises appropriées insérées entre les tours ou disques adjacents pour minimiser les courants circulants entre les brins parallèles. La bobine progresse vers l’extérieur en forme d’hélice ressemblant à un tire-bouchon.

Noyau de Transformateur

L’isolation utilisée pour prévenir les courts-circuits entre les conducteurs dans un transformateur est généralement une fine couche de vernis ou d’émail dans un transformateur refroidi à air. Cette fine couche de vernis ou de peinture émaillée est appliquée sur le fil avant qu’il ne soit enroulé autour du noyau.

Dans les transformateurs de puissance et de distribution plus grandes, les conducteurs sont isolés les uns des autres à l’aide de papier ou de tissu imprégné d’huile. L’ensemble du noyau et des enroulements est immergé et scellé dans un réservoir protecteur contenant de l’huile de transformateur. L’huile de transformateur agit comme un isolant et aussi comme un fluide de refroidissement.

Orientation des Points de Transformateur

Nous ne pouvons pas simplement prendre un noyau laminé et enrouler l’une des configurations de bobine autour de celui-ci. Nous pourrions, mais nous pourrions découvrir que la tension et le courant secondaires peuvent être déphasés par rapport à la tension et au courant primaires. Les deux enroulements de bobines ont une orientation distincte l’un par rapport à l’autre. Chaque bobine pourrait être enroulée autour du noyau dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse, donc pour garder une trace de leurs orientations relatives, des “points” sont utilisés pour identifier une extrémité donnée de chaque enroulement.

Cette méthode d’identification de l’orientation ou de la direction d’enroulement d’un transformateur est appelée “convention des points”. Ensuite, les enroulements d’un transformateur sont enroulés de sorte que les relations de phase correctes existent entre les tensions d’enroulement, la polarité du transformateur étant définie comme la polarité relative de la tension secondaire par rapport à la tension primaire comme montré ci-dessous.

Construction de Transformateur utilisant l’Orientation par Points

Le premier transformateur montre ses deux “points” côte à côte sur les deux enroulements. Le courant sortant du point secondaire est “en phase” avec le courant entrant du point du côté primaire. Ainsi, les polarités des tensions aux extrémités marquées sont également en phase, donc lorsque la tension est positive à l’extrémité marquée de la bobine primaire, la tension à travers la bobine secondaire est également positive à l’extrémité marquée.

Le second transformateur montre les deux points aux extrémités opposées des enroulements, ce qui signifie que les enroulements de la bobine primaire et secondaire du transformateur sont enroulés dans des directions opposées. Le résultat de cela est que le courant sortant du point secondaire est de 180^o “hors phase” avec le courant entrant au point primaire. Donc, les polarités des tensions aux extrémités marquées sont également hors phase, donc lorsque la tension est positive à l’extrémité marquée de la bobine primaire, la tension à travers la bobine secondaire correspondante sera négative.

Ensuite, la construction d’un transformateur peut être telle que la tension secondaire peut être soit “en phase” soit “hors phase” par rapport à la tension primaire. Pour les transformateurs qui ont plusieurs enroulements secondaires électriquement isolés les uns des autres, il est important de connaître la polarité des points de chaque enroulement secondaire afin qu’ils puissent être connectés ensemble en configurations d’aide en série (tension secondaire est sommée) ou en configurations de opposition en série (la tension secondaire est la différence).

La capacité d’ajuster le rapport de tours d’un transformateur est souvent souhaitable pour compenser les effets des variations de la tension d’alimentation primaire, la régulation du transformateur ou des conditions de charge variables. Le contrôle de la tension du transformateur est généralement effectué en changeant le rapport de tours et donc son rapport de tension, permettant ainsi d’extraire une partie de l’enroulement primaire du côté haute tension pour permettre un ajustement facile. Le prélèvement est préféré du côté haute tension car les volts par tour sont inférieurs à ceux du côté basse tension secondaire.

Changements de Touche Primaire du Transformateur

Dans cet exemple simple, les changements de touche primaire sont calculés pour un changement de tension d’alimentation de ±5%, mais toute valeur peut être choisie. Certains transformateurs peuvent avoir deux ou plusieurs enroulements primaires ou deux ou plusieurs enroulements secondaires à utiliser dans différentes applications fournissant différentes tensions à partir d’un seul noyau.

Construction de Transformateur – Pertes de Noyau

La capacité du fer ou de l’acier à transporter un flux magnétique est beaucoup plus grande que dans l’air, et cette capacité à permettre au flux magnétique de circuler est appelée perméabilité. La plupart des noyaux de transformateur sont construits à partir d’aciers à faible teneur en carbone qui peuvent avoir une perméabilité de l’ordre de 1500 comparée à seulement 1.0 pour l’air.

Cela signifie qu’un noyau laminé en acier peut transporter un flux magnétique 1500 fois mieux que celui de l’air. Cependant, lorsqu’un flux magnétique circule dans le noyau en acier d’un transformateur, deux types de pertes se produisent à l’intérieur de l’acier. L’une est appelée “pertes de courant de Foucault” et l’autre est appelée “pertes d’hystérésis”.

Pertes d’Hystérésis

Les pertes d’hystérésis du transformateur sont causées par le frottement des molécules contre le flux des lignes de force magnétique nécessaires pour magnétiser le noyau, qui changent constamment de valeur et de direction, d’abord dans une direction puis dans l’autre, en raison de l’influence de la tension d’alimentation sinusoïdale.

Ce frottement moléculaire provoque le développement de chaleur ce qui représente une perte d’énergie pour le transformateur. Une perte excessive de chaleur peut à terme raccourcir la durée de vie des matériaux isolants utilisés dans la fabrication des enroulements et des structures. Par conséquent, le refroidissement d’un transformateur est important.

De plus, les transformateurs sont conçus pour fonctionner à une fréquence d’alimentation particulière. La diminution de la fréquence de l’alimentation se traduira par une augmentation de l’hystérésis et une température plus élevée dans le noyau en fer. Ainsi, la réduction de la fréquence d’alimentation de 60 Hertz à 50 Hertz augmentera le montant d’hystérésis présent, et diminuera la capacité VA du transformateur.

Pertes de Courant de Foucault

Les pertes de courant de Foucault du transformateur, quant à elles, sont causées par le flux de courants circulants induits dans l’acier causés par le flux du flux magnétique autour du noyau. Ces courants circulants sont générés car le flux magnétique fait agir le noyau comme une boucle unique de fil. Puisque le noyau en fer est un bon conducteur, les courants de Foucault induits par un noyau en fer solide seront grands.

Les courants de Foucault n’apportent rien à l’utilité du transformateur, mais au contraire, ils s’opposent au flux du courant induit en agissant comme une force négative générant un échauffement résistif et des pertes énergétiques dans le noyau.

Laminage du Noyau en Fer

Les pertes de courant de Foucault à l’intérieur d’un noyau de transformateur ne peuvent pas être complètement éliminées, mais elles peuvent être grandement réduites et contrôlées en réduisant l’épaisseur du noyau en acier. Au lieu d’avoir un gros noyau en fer solide comme matériau de noyau magnétique du transformateur ou de la bobine, le chemin magnétique est divisé en plusieurs formes d’acier pressées fines appelées “laminées”.

Les laminations utilisées dans une construction de transformateur sont de très fines bandes de métal isolées jointes ensemble pour produire un noyau solide mais laminé comme nous l’avons vu ci-dessus. Ces laminations sont isolées les unes des autres par un revêtement de vernis ou de papier pour augmenter la résistivité effective du noyau, augmentant ainsi la résistance globale pour limiter le flux des courants de Foucault.

Le résultat de toute cette isolation est que la perte de puissance due au courant de Foucault induit indésirable dans le noyau est grandement réduite, et c’est pour cette raison que le circuit magnétique en fer de chaque transformateur et d’autres appareils électromagnétiques sont tous laminés. L’utilisation de laminations dans la construction d’un transformateur réduit les pertes de courant de Foucault.

Construction de Transformateur – Pertes de Cuivre

Les pertes d’énergie, qui se manifestent sous forme de chaleur en raison des pertes d’hystérésis et des pertes de courant de Foucault dans le chemin magnétique, sont couramment appelées “pertes de noyau du transformateur”. Comme ces pertes se produisent dans tous les matériaux magnétiques en raison des champs magnétiques alternés. Les pertes de noyau du transformateur seront toujours présentes dans un transformateur chaque fois que l’enroulement primaire est alimenté, même s’il n’y a pas de charge connectée à l’enroulement secondaire. De plus, la combinaison des pertes d’hystérésis et de courant de Foucault est souvent appelée “pertes en fer du transformateur”, car le flux magnétique causant ces pertes est constant à toutes les charges.

Pertes de Cuivre

Mais il existe un autre type de perte d’énergie associé au transformateur appelé “pertes de cuivre”. Les Pertes de Cuivre du transformateur sont principalement dues à la résistance électrique des enroulements primaire et secondaire. La plupart des bobines de transformateur sont enroulées avec du fil en cuivre qui a une valeur résistive en Ohms ( Ω ), et comme nous le savons grâce à la loi d’Ohm, la résistance du fil en cuivre s’opposera à tout courant magnétisant circulant à travers celui-ci.

Lorsque une charge électrique est connectée à l’enroulement secondaire d’un transformateur, de grands courants électriques commencent à circuler à la fois dans les enroulements primaire et secondaire, engendrant ainsi des pertes d’énergie et de puissance (I² R), sous forme de chaleur. En général, les pertes de cuivre varient avec le courant de charge, étant presque nulles à vide, et atteignant un maximum à charge pleine lorsque le flux de courant est à son maximum.

Un coefficient volt-ampères (VA) d’un transformateur peut être augmenté par un meilleur design et une meilleure construction afin de réduire ces pertes de noyau et de cuivre. Un transformateur avec des tensions et des intensités élevées nécessite des conducteurs de grande section transversale pour aider à minimiser leurs pertes de cuivre. Augmenter le taux de dissipation de la chaleur (meilleur refroidissement) par air forcé ou huile, ou en améliorant son isolation, de sorte qu’il puisse résister à des températures plus élevées, augmentant ainsi le coefficient VA du transformateur.

Nous pouvons alors définir un transformateur idéal comme ayant :

• Aucune boucle d’hystérésis ou pertes d’hystérésis  → 0
• Une perméabilité infinie du matériau du noyau donnant zéro pertes de courant de Foucault  → 0
• Une résistance d’enroulement nulle donnant zéro pertes de cuivre I²*R  → 0

Dans le prochain tutoriel sur les Transformateurs, nous examinerons le Chargement des Transformateurs de l’enroulement secondaire par rapport à une charge électrique et nous verrons l’effet d’un transformateur “à vide” et “sous charge” sur le courant de l’enroulement primaire.