Fonctionnement d'un transformateur : Principe
La transformation de l'énergie se fait par induction mutuelle entre les enroulements. La forme la plus simple d'un transformateur est illustrée à la figure 1. Elle représente un transformateur composé de deux bobines inductives, les enroulements primaire et secondaire. Les deux bobines sont reliées par un noyau d'acier laminé qui permet la circulation du flux magnétique à travers le chemin laminé.
Figure 1. Schéma d'un transformateur. Source : Georgia Panagi, StudySmarter.
Lorsque l'enroulement primaire est connecté à une source externe de tension alternative, un flux magnétique est induit dans les ailes selonlaloi de Faraday.
Laloi de Faraday stipule qu'un champ magnétique variable induit une force électromotrice qui s'oppose aux variations du champ magnétique.
Lorsqu'un courant alternatif passe dans l'enroulement primaire, le champ magnétique change, ce qui induit une force électromotrice. Le champ magnétique qui en résulte coupe l'enroulement de la bobine secondaire, ce qui génère une tension alternative dans cet enroulement par induction électromagnétique.
Les transformateurs ne peuvent remplir leur fonction que lorsqu'un courant alternatif est appliqué. En effet, le courant continu ne créepasd'induction électromagnétique.
La majeure partie du flux magnétique est liée à l'enroulement secondaire, ce que l'on appelle le "flux principal", tandis que le flux restant n'est pas lié à l'enroulement secondaire et est connu sous le nom de "flux de fuite".
Le flux de fuite est une petite partie du flux qui s'échappe au-delà du chemin du flux magnétique.
La force électromotrice induite est connue sous le nom de force électromotrice mutuellement induite, et sa fréquence est la même que la force électromotrice fournie.
Lorsque l'enroulement secondaire est un circuit fermé, le courant mutuellement induit circule dans le circuit, transférant l'énergie électrique du circuit primaire au circuit secondaire.
Le noyau d'un transformateur
Le noyau d'un transformateur est constitué de feuilles d'acier laminées qui sont positionnées de telle sorte qu'il y ait un espace d'air minimum entre chaque feuille. Cela permet de fournir un chemin continu au flux magnétique. Le type d'acier utilisé offre une perméabilité élevée et réduit les pertes par courants de Foucault ainsi que les pertes par hystérésis.
Les pertes par hystérésis sont dues à la magnétisation et à la démagnétisation du noyau lorsque le courant est fourni dans les deux sens.
L'acier a une perméabilité élevée, ce qui signifie que sa capacité à transporter le flux magnétique est beaucoup plus grande que dans l'air, permettant ainsi au flux magnétique de se produire.
Les courants de Foucault circulent dans les conducteurs comme les tourbillons d'un ruisseau induits par des champs magnétiques variables circulant en boucle fermée.
Types de transformateurs
Il existe plusieurs types de transformateurs avec des variations géométriques différentes.
Transformateur à noyau
Dans un transformateur à noyau, les enroulements ont une forme cylindrique et sont positionnés dans le noyau, comme le montre la figure 2 ci-dessous. Les bobines cylindriques ont différentes couches, chaque couche étant isolée de l'autre. Les transformateurs à noyau existent dans des versions de petite et de grande taille. La surface effective du noyau du transformateur peut être réduite grâce à l'utilisation de la stratification et de l'isolation.
Transformateur à coquille
Dans un transformateur à coquille, les bobines sont montées en couches et empilées avec de l'isolant entre elles. Un transformateur à coquille peut avoir une forme rectangulaire simple, comme le montre la figure 3 (à gauche), ou peut avoir une configuration distribuée (à droite).
Figure 3. Transformateur rectangulaire à coquille (à gauche) et transformateur réparti à coquille (à droite). Source : CircuitsToday.
Transformateur en zigzag ou en étoile interconnectée
Un transformateur en zigzag a une connexion en zigzag, dans laquelle les courants dans les enroulements sur le département du noyau circulent dans des directions opposées pour éviter la saturation.
Figure 4. Configuration d'un transformateur en zigzag.
Les utilisations et les buts d'un transformateur
Les transformateurs sont classés en fonction de leurs utilisations, de leurs buts et de leur alimentation. Les transformateurs sont utilisés pour deux raisons principales :
- Les transformateursélévateurs sont utilisés pour augmenter la tension au niveau de l'enroulement secondaire. Un transformateur élévateur comporte plus de tours sur la bobine secondaire que sur la bobine primaire.
- Les transformateursabaisseurs sont utilisés pour diminuer la tension au niveau de l'enroulement secondaire. Un transformateur abaisseur a moins de tours sur la bobine secondaire que sur la bobine primaire.
L'équation du rapport de transformation spécifie le rapport entre les tensions secondaire et primaire V1 etV2 mesurées en Volts, les courants I1 et I2 mesurés en Ampères, et le nombre de tours des bobines n1 et n2. Ce rapport peut être utilisé pour diminuer ou augmenter une quantité proportionnellement au deuxième enroulement ou à l'enroulement primaire.
\[a = \frac{n_1}{n_2} = \frac{V_1}{V_2} = \frac{I_2}{I_1}\]
L'équation du transformateur idéal
Le rapport des tensions est égal au rapport du nombre de spires, comme le montrent les équations précédentes. Dans un transformateur idéal sans aucune perte d'énergie électrique, ce qui inclut les pertes de noyau, les pertes par courants de Foucault ou les pertes par hystérésis, la puissance d'entrée est égale à la puissance de sortie.
Par conséquent, le rendement du transformateur est de 100 %, ou le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée est de 1. Ceci est également illustré dans l'équation du transformateur idéal ci-dessous, où I1 et V1sont respectivement le courant et la tension de l'enroulement primaire, tandis que I2 et V2 sont respectivement le courant et la tension de l'enroulement secondaire.
\[\text{Puissance d'entrée = Puissance de sortie} \qquad V_1 \cdot I_1 = V_2 \cdot I_2\]
Une tension d'entrée de 5V est fournie à la bobine primaire d'un transformateur, tandis qu'une tension de sortie de 15V est induite dans la bobine secondaire. Si nous remplaçons la tension d'entrée primaire par 25V, quelle est la nouvelle tension de sortie induite de la bobine secondaire ?
Nous utilisons l'équation du transformateur pour déterminer le rapport entre les tensions primaire et secondaire. Nous utilisons ensuite ce rapport pour déterminer la nouvelle tension induite dans la bobine secondaire en fonction de la nouvelle tension d'entrée primaire.
\(a = \frac{V_1}{V_2} = \frac{5}{15} = 0,330 \qquad 0,33 = \frac{25V}{V_2'} \Flèche droite V_2' = \frac{25V}{0,33} = 75V\)
Transformateurs monophasés et triphasés
Les transformateurs peuvent également être classés en fonction de leur type d'alimentation. Il existe deux types d'alimentation :
- Lestransformateurs monophasés contiennent un conducteur et un fil neutre. Ils fonctionnent à l'aide d'un cycle de tension qui fonctionne dans une phase temporelle et sont largement utilisés danslatechnologie d'aujourd'hui pour convertir les valeurs de courant alternatif en valeurs souhaitées.
- Lestransformateurs triphasés sont largement utilisés pour la distribution électrique et les applications de réseau. Ils fonctionnent selon le même principe que les transformateurs monophasés. Cependant, il y a trois conducteurs, chacun contenant un ensemble d'enroulements primaires et secondaires et un fil neutre.
Le courant dans un transformateur triphasé présente trois pics et trois creux pour chaque période. L'amplitude maximale est donc atteinte plusieurs fois, ce qui permet de fournir de l'électricité à un rythme constant.
Fonctionnement d'un transformateur - Points clés à retenir
- Un transformateur est un appareil qui augmente ou diminue la tension d'un circuit à un autre.
- Le principe principal des transformateurs estlaloi d'induction de Faraday.
- Il existe trois configurations principales de transformateurs : le noyau, la coquille et le zigzag.
- Il existe deux types de transformateurs qui ont des sources d'alimentation différentes.
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