Dans ce tutoriel sur les bases des transformateurs, nous verrons qu’un transformateur n’a pas de pièces mobiles internes et qu’il est généralement utilisé parce qu’un changement de tension est nécessaire pour transférer de l’énergie d’un circuit à un autre par induction électromagnétique.

Une des principales raisons pour lesquelles nous utilisons des tensions et courants alternés (AC) dans nos maisons et nos lieux de travail est que les alimentations AC peuvent être facilement générées à une tension appropriée, transformées (d’où le nom « transformateur ») en des tensions beaucoup plus élevées, puis distribuées à travers le pays par un réseau national de pylônes et de câbles sur de très longues distances.

La raison pour laquelle nous transformons la tension à un niveau beaucoup plus élevé est que des tensions de distribution plus élevées impliquent des courants plus faibles pour la même puissance et donc des pertes I²*R plus faibles le long du réseau de câbles. Ces tensions et courants de transmission AC plus élevés peuvent ensuite être réduits à un niveau de tension beaucoup plus bas, plus sûr et utilisable, où ils peuvent être utilisés pour alimenter des équipements électriques dans nos maisons et lieux de travail. Tout cela est possible grâce à l’opération de base du transformateur du transformateur de tension.

Un transformateur de tension typique

Le transformateur de tension peut être considéré comme un composant électrique plutôt qu’un composant électronique. Un transformateur est essentiellement un dispositif électrique passif électromagnétique statique très simple qui fonctionne selon le principe de la loi d’induction de Faraday en convertissant l’énergie électrique d’une valeur à une autre.

Le transformateur le fait en liant ensemble deux circuits électriques ou plus à l’aide d’un circuit magnétique oscillant commun qui est produit par le transformateur lui-même. Les bases d’un transformateur opèrent sur les principes de l’« induction électromagnétique », sous la forme de l’Induction Mutuelle.

L’induction mutuelle est le processus par lequel une bobine de fil induit magnétiquement une tension dans une autre bobine située à proximité. Nous pouvons donc dire que les transformateurs fonctionnent dans le « domaine magnétique », et leur nom vient du fait qu’ils « transforment » un niveau de tension ou de courant en un autre.

Les transformateurs sont capables d’augmenter ou de diminuer les niveaux de tension et de courant de leur source d’alimentation, sans modifier sa fréquence, ni la quantité d’énergie électrique transférée d’un enroulement à un autre via le circuit magnétique.

Un transformateur de tension monophasé se compose essentiellement de deux bobines électriques, l’une appelée « enroulement primaire » et l’autre appelée « enroulement secondaire ». Pour ce tutoriel, nous définirons le côté « primaire » du transformateur comme le côté qui prend généralement l’alimentation, et le côté « secondaire » comme celui qui livre généralement l’alimentation. Dans un transformateur de tension monophasé, le primaire est généralement le côté avec la tension la plus élevée.

Ces deux bobines ne sont pas en contact électrique, mais sont plutôt enveloppées ensemble autour d’un circuit magnétique en fer commun fermé appelé « noyau ». Ce noyau en fer doux n’est pas solide mais constitué de laminations individuelles connectées ensemble pour aider à réduire les pertes magnétiques du noyau.

Les enroulements primaire et secondaire sont électriquement isolés l’un de l’autre mais sont magnétiquement liés à travers le noyau commun, permettant le transfert d’énergie électrique d’une bobine à l’autre. Lorsqu’un courant électrique passe à travers l’enroulement primaire, un champ magnétique se développe, ce qui induit une tension dans l’enroulement secondaire, et ce principe de fonctionnement des bases du transformateur est montré ci-dessous.

Transformateur de tension monophasé

En d’autres termes, pour un transformateur, il n’y a pas de connexion électrique directe entre les deux enroulements de bobines, ce qui lui vaut également le nom de transformateur d’isolement. En général, l’enroulement primaire d’un transformateur est connecté à l’alimentation de tension d’entrée et convertit ou transforme l’énergie électrique en un champ magnétique. Alors que la fonction de l’enroulement secondaire est de convertir ce champ magnétique alternatif en énergie électrique produisant la tension de sortie requise comme montré.

Construction du Transformateur (monophasé)

• Où :
•   V_P  –  est la tension primaire
•   V_S  –  est la tension secondaire
•   N_P  –  est le nombre d’enroulements primaires
•   N_S  –  est le nombre d’enroulements secondaires
•   Φ (phi)  –  est le flux reliant les enroulements

Remarquez que les deux enroulements de bobines ne sont pas connectés électriquement mais sont seulement liés magnifiquement. Un transformateur monophasé peut fonctionner pour augmenter ou diminuer la tension appliquée à l’enroulement primaire.

Lorsqu’un transformateur est utilisé pour « augmenter » la tension sur son enroulement secondaire par rapport au primaire, il est appelé un transformateur élévateur. Lorsqu’il est utilisé pour « diminuer » la tension sur l’enroulement secondaire par rapport au primaire, il est appelé un transformateur abaisseur.

Cependant, une troisième condition existe dans laquelle un transformateur produit la même tension sur son secondaire que celle appliquée à son enroulement primaire. En d’autres termes, sa sortie est identique par rapport à la tension, au courant et à la puissance transférée. Ce type de transformateur est appelé un « transformateur d’impédance » et est principalement utilisé pour faire des correspondances d’impédance ou pour l’isolement de circuits électriques adjacents.

La différence de tension entre les enroulements primaire et secondaire est réalisée en changeant le nombre de tours de bobine dans l’enroulement primaire ( N_P ) par rapport au nombre de tours de bobine sur l’enroulement secondaire ( N_S ).

Comme le transformateur est essentiellement un dispositif linéaire, un rapport existe désormais entre le nombre de tours de la bobine primaire divisé par le nombre de tours de la bobine secondaire. Ce rapport, appelé le rapport de transformation, plus communément connu sous le nom de « rapport de tours » d’un transformateur ( TR ). Ce rapport de tours dicte l’opération du transformateur et la tension correspondante disponible sur l’enroulement secondaire.

Il est nécessaire de connaître le rapport du nombre de tours de fil dans l’enroulement primaire par rapport à l’enroulement secondaire. Le rapport de tours, qui n’a pas d’unités, compare les deux enroulements dans l’ordre et est écrit avec un double point, tel que 3:1 (3 pour 1).

Cela signifie dans cet exemple que s’il y a 3 volts sur l’enroulement primaire, il y aura 1 volt sur l’enroulement secondaire, 3 volts pour 1 volt. Par conséquent, nous pouvons voir que si le rapport entre le nombre de tours change, les tensions résultantes doivent également changer du même rapport, et cela est vrai.

Les transformateurs concernent tous des « rapports ». Le rapport entre le primaire et le secondaire, le rapport entre l’entrée et la sortie, et le rapport de tours de tout transformateur donné sera le même que son rapport de tension. En d’autres termes pour un transformateur : « rapport de tours = rapport de tension ». Le nombre réel de tours de fil sur n’importe quel enroulement n’est généralement pas important, juste le rapport de tours et cette relation est donnée comme suit :

Le Rapport de Tours d’un Transformateur

En supposant un transformateur idéal et les angles de phase :  Φ_P ≡ Φ_S

Remarque que l’ordre des nombres lorsque l’on exprime la valeur du rapport de tours d’un transformateur est très important, car le rapport de tours 3:1 exprime une relation très différente de transformateur et une tension de sortie que celle dans laquelle le rapport de tours est donné comme : 1:3.

Exemple de Notions de Base sur le Transformateur No1

Un transformateur de tension a 1500 tours de fil sur sa bobine primaire et 500 tours de fil pour sa bobine secondaire. Quel sera le rapport de tours (TR) du transformateur ?

Ce rapport de 3:1 (3 pour 1) signifie simplement qu’il y a trois enroulements primaires pour chaque enroulement secondaire. À mesure que le rapport passe d’un plus grand nombre à gauche à un plus petit nombre à droite, la tension primaire est donc diminuée en valeur comme montré.

Exemple de Notions de Base sur le Transformateur No2

Si 240 volts RMS sont appliqués à l’enroulement primaire du même transformateur ci-dessus, quelle sera la tension secondaire à vide résultante ?

Confirmant à nouveau que le transformateur est un « transformateur abaisseur » alors que la tension primaire est de 240 volts et que la tension secondaire correspondante est plus faible à 80 volts.

Alors, l’objectif principal d’un transformateur est de transformer les tensions à des rapports prédéfinis et nous pouvons voir que l’enroulement primaire a un certain montant ou nombre de bobinages (bobines de fil) dessus pour s’adapter à la tension d’entrée.

Si la tension de sortie secondaire doit être la même valeur que la tension d’entrée sur l’enroulement primaire, alors le même nombre de tours de bobine doit être enroulé sur le noyau secondaire qu’il y a sur le noyau primaire donnant un rapport de tours de 1:1 (1 pour 1). En d’autres termes, un tour de bobine sur le secondaire pour un tour de bobine sur le primaire.

Si la tension de sortie secondaire doit être supérieure ou plus élevée que la tension d’entrée, (transformateur élévateur) alors il doit y avoir plus de tours sur le secondaire donnant un rapport de tours de 1:N (1 pour N), où N représente le nombre du rapport de tours. De même, s’il est nécessaire que la tension secondaire soit inférieure ou moins que le primaire, (transformateur abaisseur) alors le nombre d’enroulements secondaires doit être moins, donnant un rapport de tours de N:1 (N pour 1).

Action du Transformateur

Nous avons vu que le nombre de tours de bobine sur l’enroulement secondaire par rapport à l’enroulement primaire, le rapport de tours, affecte la quantité de tension disponible à partir de la bobine secondaire. Mais si les deux enroulements sont électriquement isolés l’un de l’autre, comment cette tension secondaire est-elle produite ?

Nous avons dit précédemment qu’un transformateur se compose essentiellement de deux bobines enroulées autour d’un noyau mou en fer commun. Lorsqu’une tension alternative ( V_P ) est appliquée à la bobine primaire, le courant circule à travers la bobine, ce qui établit à son tour un champ magnétique autour de lui. Cet effet est appelé induction mutuelle conformément à la loi de Faraday de l’induction électromagnétique.

La force du champ magnétique augmente à mesure que le courant passe de zéro à sa valeur maximale, ce qui est donné par dΦ/dt.

À mesure que les lignes de force magnétique établies par cet électroaimant s’étendent à partir de la bobine, le noyau en fer doux forme un chemin et concentre le flux magnétique. Ce flux magnétique relie les tours des deux enroulements alors qu’il augmente et diminue dans des directions opposées sous l’influence de l’alimentation AC.

Cependant, la force du champ magnétique induit dans le noyau en fer doux dépend de la quantité de courant et du nombre de tours dans l’enroulement. Lorsque le courant est réduit, la force du champ magnétique diminue.

Lorsque les lignes de flux magnétique circulent autour du noyau, elles passent par les tours de l’enroulement secondaire, provoquant une tension induite dans la bobine secondaire. La quantité de tension induite sera déterminée par : N*dΦ/dt (loi de Faraday), où N est le nombre de tours de bobine. Cette tension induite a également la même fréquence que la tension de l’enroulement primaire.

Nous pouvons donc voir que la même tension est induite dans chaque tour de bobine des deux enroulements parce que le même flux magnétique relie les tours des deux enroulements ensemble. En conséquence, la tension totale induite dans chaque enroulement est directement proportionnelle au nombre de tours dans cet enroulement. Cependant, l’amplitude de crête de la tension de sortie disponible sur l’enroulement secondaire sera réduite si les pertes magnétiques du noyau sont élevées.

Si nous voulons que la bobine primaire produise un champ magnétique plus fort pour compenser les pertes magnétiques du noyau, nous pouvons soit envoyer un courant plus fort à travers la bobine, soit maintenir le même courant, et au lieu de cela augmenter le nombre de tours de bobine ( N_P ) de l’enroulement. Le produit des ampères fois les tours est appelé les « ampères-tours », ce qui détermine la force de magnétisation de la bobine.

En supposant que nous avons un transformateur avec un seul tour dans le primaire, et un seul tour dans le secondaire. Si un volt est appliqué au tour unique de la bobine primaire, en supposant qu’il n’y a pas de pertes, un courant suffisant doit circuler et un flux magnétique suffisant doit être généré pour induire un volt dans le tour unique du secondaire. C’est-à-dire que chaque enroulement supporte le même nombre de volts par tour.

À mesure que le flux magnétique varie sinusoïdalement, Φ = Φ_max sinωt, la relation de base entre l’emf induite, ( E ) dans un enroulement de bobine de N tours est donnée par :

emf = tours x taux de changement

• Où :
•   ƒ  –  est la fréquence du flux en Hertz,  = ω/2π
•   Ν  –  est le nombre d’enroulements de bobine.
•   Φ  –  est la quantité de flux en webers

Ceci est connu sous le nom de l’Équation EMF du Transformateur. Pour l’emf de l’enroulement primaire, N sera le nombre de tours primaires, ( N_P ) et pour l’emf de l’enroulement secondaire, N sera le nombre de tours secondaires, ( N_S ).

Veuillez également noter que comme les transformateurs nécessitent un flux magnétique alternatif pour fonctionner correctement, les transformateurs ne peuvent donc pas être utilisés pour transformer ou fournir des tensions ou des courants DC, puisque le champ magnétique doit être changeant pour induire une tension dans l’enroulement secondaire. En d’autres termes, les transformateurs ne fonctionnent PAS sur des tensions DC statiques, mais uniquement sur des tensions alternatives ou pulsantes.

Si l’enroulement primaire d’un transformateur est connecté à une alimentation DC, la réactance inductive de l’enroulement sera nulle car la DC n’a pas de fréquence, donc l’impédance effective de l’enroulement sera donc très faible et égale seulement à la résistance du cuivre utilisé. Ainsi, l’enroulement tirera un courant très élevé de l’alimentation DC causant une surchauffe et finissant par brûler, car comme nous le savons I = V/R.

Exemple de Notions de Base sur le Transformateur No3

Un transformateur monophasé a 480 tours sur l’enroulement primaire et 90 tours sur l’enroulement secondaire. La valeur maximale de la densité de flux magnétique est de 1.1T lorsque 2200 volts, 50Hz est appliqué à l’enroulement primaire du transformateur. Calculez :

a). Le flux maximal dans le noyau.

b). La section transversale du noyau.

c). L’emf induite secondaire.

Comme la tension secondaire nominale est égale à l’emf secondaire induite, une autre façon plus simple de calculer la tension secondaire à partir du rapport de tours est donnée par :

Énergie Électrique dans un Transformateur

Un autre des paramètres des notions de base d’un transformateur est sa puissance nominale. La puissance nominale d’un transformateur est obtenue simplement en multipliant le courant par la tension pour obtenir une puissance en Volt-ampères, ( VA ). Les petits transformateurs monophasés peuvent être classés uniquement en volt-ampères, mais les transformateurs de puissance beaucoup plus grands sont classés en unités de Kilo volt-ampères, ( kVA ) où 1 kilo volt-ampère est égal à 1 000 volt-ampères, et en unités de Mega volt-ampères, ( MVA ) où 1 mega volt-ampère est égal à 1 million de volt-ampères.

Dans un transformateur idéal (ignorant toutes pertes), la puissance disponible dans l’enroulement secondaire sera la même que celle dans l’enroulement primaire, ce sont des dispositifs constant en wattage et ne changent que le rapport de puissance à tension. Ainsi, dans un transformateur idéal, le Rapport de Puissance est égal à un (unité) car la tension, V multipliée par le courant, I restera constante.

C’est-à-dire que la puissance électrique à un niveau de tension/courant sur le primaire est « transformée » en puissance électrique, à la même fréquence, au même niveau de tension/courant sur le secondaire. Bien que le transformateur puisse élever (ou abaisser) la tension, il ne peut pas élever la puissance. Ainsi, lorsqu’un transformateur élève une tension, il réduit le courant et vice-versa, de sorte que la puissance de sortie est toujours à la même valeur que la puissance d’entrée. Nous pouvons alors dire que la puissance primaire est égale à la puissance secondaire, ( P_P = P_S ).

Puissance dans un Transformateur

Où : Φ_P est l’angle de phase primaire et Φ_S est l’angle de phase secondaire.

Notez que puisque la perte de puissance est proportionnelle au carré du courant transmis, à savoir : I²R, augmenter la tension, disons doubler ( ×2 ) la tension, réduirait le courant de la même quantité, ( ÷2 ) tout en fournissant la même quantité de puissance à la charge et réduisant ainsi les pertes par un facteur de 4. Si la tension était augmentée par un facteur de 10, le courant serait réduit par le même facteur, réduisant ainsi les pertes totales par un facteur de 100.

Notions de Base sur le Transformateur – Efficacité

Un transformateur ne nécessite aucune pièce mobile pour transférer de l’énergie. Cela signifie qu’il n’y a pas de pertes de frottement ou de vent associées à d’autres machines électriques. Cependant, les transformateurs souffrent d’autres types de pertes appelées « pertes de cuivre » et « pertes de fer », mais généralement, celles-ci sont assez faibles.

Les pertes de cuivre, également connues sous le nom de I²R, sont la puissance électrique qui est perdue sous forme de chaleur du fait de la circulation des courants autour des enroulements de cuivre du transformateur, d’où leur nom. Les pertes de cuivre représentent la plus grande perte dans le fonctionnement d’un transformateur. Les watts réels de puissance perdus peuvent être déterminés (dans chaque enroulement) en élevant les ampères au carré et en multipliant par la résistance en ohms de l’enroulement (I²R).

Les pertes de fer, également connues sous le nom d’hystérésis, sont le retard des molécules magnétiques à l’intérieur du noyau, en réponse au flux magnétique alternatif. Ce retard (ou condition hors phase) est dû au fait qu’il faut de l’énergie pour inverser les molécules magnétiques ; elles ne s’inversent pas avant que le flux ne soit atteint, une force suffisante pour les inverser.

Leur inversion résulte en frottement, et le frottement produit de la chaleur dans le noyau, ce qui est une forme de perte de puissance. L’hystérésis à l’intérieur du transformateur peut être réduite en fabriquant le noyau à partir d’alliages d’acier spéciaux.

L’intensité de la perte de puissance dans un transformateur détermine son efficacité. L’efficacité d’un transformateur est reflétée dans la perte de puissance (wattage) entre les enroulements primaire (entrée) et secondaire (sortie). Ainsi, l’efficacité résultante d’un transformateur est égale au rapport de la puissance de sortie de l’enroulement secondaire, P_S à la puissance d’entrée de l’enroulement primaire, P_P et est donc élevée.

Un transformateur idéal serait 100 % efficace, transmettant toute l’énergie électrique qu’il reçoit sur son côté primaire à son côté secondaire. Mais les véritables transformateurs, en revanche, ne sont pas 100 % efficaces. Lorsqu’ils fonctionnent à pleine capacité, leur efficacité maximale est proche de 94 % à 96 % , ce qui est encore assez bon pour un dispositif électrique. Pour un transformateur fonctionnant à une tension et fréquence AC constantes, son efficacité peut atteindre jusqu’à 98 %. L’efficacité η d’un transformateur est donnée comme suit :

Efficacité du Transformateur

Où : Entrée, Sortie et Pertes sont tous exprimées en unités de puissance.

En général, lorsqu’on traite avec des transformateurs, les watts primaires sont appelés « volt-ampères », VA pour les différencier des watts secondaires. Ainsi, l’équation d’efficacité ci-dessus peut être modifiée pour :

Lorsqu’il s’agit de comprendre les notions de base du transformateur, il est parfois plus facile de se souvenir de la relation entre l’entrée, la sortie et l’efficacité du transformateur en utilisant des images. Ici, les trois quantités VA, W et η ont été superposées dans un triangle donnant la puissance en watts en haut avec volt-ampères et efficacité en bas. Cet arrangement représente la position réelle de chaque quantité dans les formules d’efficacité.

Triangle d’Efficacité du Transformateur

Et transposer les quantités des triangles ci-dessus nous donne les combinaisons suivantes de la même équation :

Ensuite, pour trouver Watts (sortie) = VA x eff., ou pour trouver VA (entrée) = W/eff., ou pour trouver l’Efficacité, eff. = W/VA, etc.

Résumé des Notions de Base sur le Transformateur

Pour résumer ce tutoriel sur les notions de base des transformateurs. Un transformateur change le niveau de tension (ou le niveau de courant) sur son enroulement d’entrée à une autre valeur sur son enroulement de sortie en utilisant un champ magnétique. Un transformateur se compose de deux bobines électriquement isolées et fonctionne selon le principe de Faraday de « l’induction mutuelle », dans laquelle une EMF est induite dans la bobine secondaire du transformateur par le flux magnétique généré par les tensions et courants circulant dans l’enroulement primaire.

Les enroulements de bobine primaire et secondaire sont enroulés autour d’un noyau en fer doux commun fait de laminations individuelles pour réduire les courants de foucault et les pertes d’énergie. L’enroulement primaire du transformateur est connecté à la source d’alimentation AC qui doit être de nature sinusoidale, tandis que l’enroulement secondaire fournit de l’énergie électrique à la charge. Cela dit, un transformateur pourrait être utilisé à l’envers avec l’alimentation connectée à l’enroulement secondaire à condition que les spécifications de tension et de courant soient respectées.

Nous pouvons représenter ces notions de base du transformateur sous forme de diagramme bloc comme suit :

Représentation de Base du Transformateur

Le rapport entre les enroulements primaire et secondaire des transformateurs produit soit un transformateur de tension élévateur soit un transformateur de tension abaisseur, le rapport entre le nombre de tours primaires et le nombre de tours secondaires étant appelé le « rapport de tours » ou « rapport de transformateur ».

Si ce rapport est inférieur à l’unité, n < 1, alors N_S est supérieur à N_P et le transformateur est classé comme un transformateur élévateur. Si ce rapport est supérieur à l’unité, n > 1, c’est-à-dire que N_P est supérieur à N_S, le transformateur est classé comme un transformateur abaisseur.

Remarque que les transformateurs abaisseurs monophasés peuvent également être utilisés comme transformateurs élévateurs simplement en inversant leurs connexions et en faisant de l’enroulement basse tension son primaire, et vice versa tant que le transformateur fonctionne dans ses spécifications de conception en VA d’origine.

Si le rapport de tours est égal à l’unité, c’est-à-dire n = 1, alors les enroulements primaire et secondaire ont donc le même nombre de tours de bobine, de sorte que les tensions et les courants seront les mêmes pour les enroulements primaire et secondaire.

Ce type de transformateur 1:1 est classé comme un transformateur d’isolement car les enroulements primaire et secondaire du transformateur ont le même nombre de volts par tour. L’efficacité d’un transformateur est le rapport de l’énergie qu’il fournit à la charge à l’énergie qu’il absorbe de l’alimentation. Dans un transformateur idéal, il n’y a pas de pertes, donc aucune perte d’énergie ensuite P_IN = P_OUT.

Dans le prochain tutoriel concernant les notions de base sur les transformateurs, nous examinerons la construction physique d’un transformateur et verrons les différents types de noyaux magnétiques et les laminations utilisés pour soutenir les enroulements primaire et secondaire.