Les transformateurs électriques sont partout et jouent un rôle essentiel dans notre mode de vie moderne. Ils assurent la connexion entre nos maisons et les centrales électriques. Les transformateurs jouent un rôle crucial dans l’adaptation des tensions, de la production à la consommation électrique. Découvrons leurs fonctionnalités et leur importance dans notre système électrique moderne.
Quel est le rôle d’un transformateur électrique ? Définitions
Le transformateur électrique aussi appelé transfo éléctrique est une machine électrique statique destinée à transformer une tension (courant) alternative en une autre tension (courant) alternative de même.fréquence et d’amplitudes généralement différentes afin de l’adapter aux différents besoins d’utilisation.
Alors ils permettant de convertir des courants du réseau en grandeurs mesurables, proportionnelles et en phase avec le signal primaire.
Un transformateur ressemble à ceci :
Symboles et schémas d’un transformateur éléctrique
Dans les schémas électriques, les transformateurs sont représentés par des symboles normalisés. Le plus courant consiste en deux bobines adjacentes, symbolisées par des cercles ou des ovales. Des lignes verticales entre ces bobines indiquent le noyau magnétique.
Pour les transformateurs triphasés, on utilise trois paires de bobines. Les connexions primaires et secondaires sont souvent notées avec des lettres (P pour primaire, S pour secondaire) ou des chiffres.
Les schémas détaillés peuvent inclure :
- Des flèches indiquant le sens du courant
- Des points marquant la polarité des enroulements
- Des valeurs de tension ou de rapport de transformation
Ces représentations facilitent la compréhension rapide du rôle et des caractéristiques du transformateur dans un circuit électrique.
En résumé, un transformateur est un dispositif qui transfère l’énergie électrique et modifie la tension dans le processus ce qui est très utile, mais il fonctionne uniquement avec du courant alternatif (CA), pas avec du courant continu (CC).
Contrairement à d’autres appareils mesurés en watts (W) ou kilowatts (kW), les transformateurs sont évalués en voltampères (VA) ou kilovoltampères (kVA).
On trouve des petits transformateurs dans les sonnettes ou les chargeurs d’ordinateurs portables, alors que des versions beaucoup plus grandes alimentent nos maisons, entreprises, voire des régions entières. Par ailleurs, ces différents types de transformateurs sont essentiels au bon fonctionnement des systèmes électriques de toutes tailles.
Structure d’un tranformateur électrique
Contrairement à d’autres appareils qui se mesurent en watts (W) ou en kilowatts (kW), on évalue les transformateurs en voltampères (VA) ou en kilovoltampères (kVA). Celui-ci permet de relier magnétiquement le primaire et le secondaire en canalisant les lignes de champ magnétiques produites par le primaire.
Le courant électrique circule dans la bobine primaire (connectée à la source d’alimentation) et induit une tension dans la bobine secondaire (connectée à la charge). Le rôle du noyau en fer est de concentrer le champ magnétique pour que le transformateur soit plus efficace.
A quoi sert un transformateur électrique ?
Il s’agit simplement d’un dispositif permettant de transférer de l’énergie électrique et de modifier la tension du courant durant ce processus. Cependant, un transformateur ne fonctionne qu’avec du courant alternatif (CA), pas avec du courant continu (CC).
Dans les réseaux de transport d’électricité, les transformateurs éléctriques peuvent soit augmenter la tension (transformateur élévateur), soit la réduire (transformateur abaisseur). Par exemple, une centrale électrique peut produire 12 000 volts, mais nos maisons ne nécessitent que 240 volts. Le courant est transporté sur de longues distances avec une tension très élevée pour minimiser les pertes d’énergie, puis réduit progressivement grâce à des transformateurs abaisseurs jusqu’à atteindre la tension adaptée à nos besoins domestiques.
Mesurer la puissance d’un transformateur
Les appareils électriques sont généralement mesurés en watts ou kilowatts. En revanche, les transformateurs sont mesurés en voltampères (VA) ou en kilovoltampères (kVA).
La mesure précise de la puissance d’un transformateur éléctrique nécessite des instruments spécialisés et des procédures rigoureuses. L’utilisation d’un wattmètre permet d’évaluer la puissance active, tandis qu’un analyseur de réseau fournit des données sur la puissance apparente et réactive.
Pour obtenir des résultats fiables, il convient de réaliser des tests à vide et en charge. Le test à vide évalue les pertes dans le noyau, alors que le test en charge mesure les pertes dans les enroulements.
La méthode des trois wattmètres s’avère particulièrement efficace pour les transformateurs triphasés. Elle implique la connexion de trois wattmètres aux phases du transformateur, permettant ainsi une analyse complète de sa performance énergétique.
L’évaluation du rendement du transformateur se fait en comparant la puissance d’entrée à celle de sortie, tenant compte des pertes internes.
Comment choisir un transformateur
Classification des différents types de transformateurs
On peut classer les transformateurs selon plusieurs critères, notamment leur construction, leur fonction, leur type d’alimentation, ou encore leur utilisation.. Voici les principales catégories :
1. Transformateurs à noyau et transformateurs à coque
En fonction de leur conception, les transformateurs se divisent en deux types :
- Transformateurs à noyau : Ils sont conçus avec un noyau central autour duquel les enroulements sont placés. Cette structure permet une meilleure efficacité dans certaines applications industrielles.
- Transformateurs à coque : Dans ce type, les enroulements sont entourés par le noyau, ce qui offre une meilleure protection mécanique et réduit les pertes.
2. Transformateurs élévateurs et transformateurs abaisseurs
Selon leur rôle dans la gestion de la tension, on distingue :
- Transformateurs éléctriques élévateurs : Ils augmentent la tension dans les enroulements secondaires tout en réduisant le courant. Ces transformateurs sont essentiels pour la transmission d’électricité sur de longues distances. Ces transformateurs servent aussi à alimenter les moteurs électriques et d’autres appareils à rayons X ou des fours à micro-ondes.
- Transformateurs éléctriques abaisseurs : Leur fonction est de diminuer la tension en sortie pour la rendre compatible avec l’utilisation domestique ou industrielle, tout en augmentant le courant. Ils sont employés dans les appareils domestiques, les onduleurs, les réseaux de distribution électrique et les lignes de transmission pour réduire la tension à un niveau approprié.
3. Transformateurs monophasés et triphasés
Basés sur le type d’alimentation électrique :
- Transformateurs monophasés : Conçus pour fonctionner avec une alimentation monophasée, ils sont souvent utilisés pour des applications domestiques ou spécifiques.
- Transformateurs triphasés : Utilisés pour des applications industrielles, ils fonctionnent avec une alimentation triphasée, plus adaptée à des charges importantes.
4. Transformateurs de puissance, de distribution et d’instrumentation
En fonction de leur utilisation, on distingue plusieurs types de transformateurs éléctriques :
- Transformateurs de puissance : Ils sont utilisés dans les réseaux de transmission à haute tension et haute puissance pour transférer l’énergie entre les centrales et les sous-stations.
- Transformateurs de distribution : Ces transformateurs assurent la transformation finale de la tension pour la distribution aux consommateurs. Ils abaissent la tension à un niveau utilisable par les foyers et les entreprises.
- Transformateurs d’instrumentation : Destinés à la mesure et à la protection, ces transformateurs permettent de mesurer des tensions ou des courants élevés tout en isolant les équipements de mesure. Ils se déclinent en deux types : les transformateurs de courant et les transformateurs de tension.
Comment fonctionne un transformateur éléctrique ?
En vertu de la loi de Faraday, lorsqu’un flux d’induction magnétique variable. ∅ circule dans le circuit magnétique, il induit dans chacun des enroulements une force électromotrice proportionnelle dans le temps aux taux de changement (d∅/dt) et au nombre de spire que comporte cet enroulement. Lorsque une source alternative alimente le primaire, un flux également alternatif circule dans le circuit magnétique, avec une amplitude qui dépend du nombre de spires du primaire et de la tension appliquée.
Ce flux induit dans l’enroulement secondaire une tension proportionnelle au nombre de spires du secondaire. La fermeture du secondaire sur une charge provoque la circulation du courant secondaire. Le noyau magnétique fournit un chemin de canalisation de flux magnétique tel que montré par la figure.
La figure illustre un simple transformateur avec deux enroulements, où le nombre de spires de l’enroulement primaire est N1 et celui du secondaire est N2. En général, un transformateur idéal ou parfait, c’est-à-dire un transformateur virtuel sans aucune perte, est utilisé pour modéliser les transformateurs réels. En effet, ces derniers sont souvent considérés comme une association d’un transformateur parfait et de diverses impédances. Ainsi, cette modélisation permet d’analyser plus facilement le comportement des transformateurs en conditions réelles.
Formule de calcul
- V1 : Tension appliquée à l’enroulement primaire du transformateur.
- V2 : Tension générée au niveau de l’enroulement secondaire (côté charge) du transformateur.
- N1 : Nombre de spires dans l’enroulement primaire.
- N2 : Nombre de spires dans l’enroulement secondaire.
- I1 : Courant traversant l’enroulement primaire.
- I2 : Courant traversant l’enroulement secondaire.
La tension générée du côté de la charge est proportionnelle au rapport entre le nombre de spires de l’enroulement secondaire et celui de l’enroulement primaire. La conversion de la tension et du courant s’exprime par :
V1 / V2 = N1 / N2 = I2 / I1
Dans le cas où toutes les pertes et les fuites de flux sont négligées, le rapport du nombre des spires primaires sur le nombre de spires secondaires détermine le rapport de transformation du transformateur.
L’importance de la tension dans la distribution d’électricité
Les centrales électriques produisent généralement des tensions élevées, par exemple 12 000 volts. Cependant, nos maisons nécessitent une tension de 120 à 240 volts. Pour éviter des pertes d’énergie lors de la transmission sur de longues distances, on utilise des transformateurs élévateurs pour porter la tension à environ 400 000 volts. Une fois arrivés à destination, des transformateurs électriques abaisseurs réduisent la tension à des niveaux adaptés à la distribution locale.
Pourquoi les transformateurs éléctriques émettent-ils un bruit ?
Le courant alternatif fait vibrer les feuilles laminées du noyau du transformateur, ce qui produit un léger bourdonnement. Ces vibrations sont dues à la dilatation et contraction des feuilles sous l’effet du courant alternatif.
Conclusion
Les transformateurs sont des dispositifs essentiels qui rendent possible la distribution efficace de l’électricité. Ils permettent de réduire les pertes d’énergie tout en ajustant la tension selon les besoins des appareils et des infrastructures.
