Transformateur électrique


Transformateur électrique

Un transformateur électrique (parfois abrégé en transfo) est un convertisseur permettant de modifier les valeurs de tension et d'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un système de tension et de courant de valeurs différentes, mais de même fréquence et de même forme. Il effectue cette transformation avec un excellent rendement. Il est analogue à un engrenage en mécanique (le couple sur chacune des roues dentées étant l'analogue de la tension et la vitesse de rotation étant l'analogue du courant).

On distingue les transformateurs statiques et les commutatrices. Dans un transformateur statique, l'énergie est transférée du primaire au secondaire par l'intermédiaire du circuit magnétique que constitue la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alors magnétiquement couplés. Ceci permet de réaliser un isolement galvanique entre les deux circuits. Dans une commutatrice, l'énergie est transmise de manière mécanique entre une génératrice et un moteur électrique.

Vue en coupe d'un transformateur triphasé
Montage d'un transformateur (Allemagne, 1981)

Sommaire

Invention

Les principes du transformateur ont été établis en 1831 par Michael Faraday, mais celui-ci ne s'en servit que pour démontrer le principe de l'induction électromagnétique et n'en prévit pas les applications pratiques.

Lucien Gaulard, jeune électricien français, présente à la Société française des électriciens, en 1884, un « générateur secondaire », dénommé depuis transformateur.

En 1883, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs réussissent à transmettre pour la première fois, sur une distance de 40 km, du courant alternatif sous une tension de 2 000 volts à l'aide de transformateurs avec un noyau en forme de barres.

Transformateur (Déri-Bláthy-Zipernovski, Budapest, 1885)

En 1884, Lucien Gaulard met en service une liaison bouclée de démonstration (133 Hz) alimentée par du courant alternatif sous 2 000 volts et allant de Turin à Lanzo et retour (80 km). On finit alors par admettre l'intérêt du transformateur qui permet d'élever la tension délivrée par un alternateur et facilite ainsi le transport de l'énergie électrique par des lignes à haute tension. La reconnaissance de Gaulard interviendra trop tardivement.

Entre-temps, des brevets ont été pris aussi par d'autres. Le premier brevet de Gaulard en 1882 n'a même pas été délivré en son temps, sous prétexte que l'inventeur prétendait pouvoir faire « quelque chose de rien » ! Gaulard attaque, perd ses procès, est ruiné, et finit ses jours dans un asile d'aliénés. Le transformateur de Gaulard de 1886 n'a pas grand-chose à envier aux transformateurs actuels, son circuit magnétique fermé (le prototype de 1884 comportait un circuit magnétique ouvert, d'où un bien médiocre rendement) est constitué d'une multitude de fils de fer annonçant le circuit feuilleté à tôles isolées.

Ainsi, en 1885, les Hongrois Károly Zipernowsky, Miksa Déry et Otto Titus Bláthy mettent au point un transformateur avec un noyau annulaire commercialisé dans le monde entier par la firme Ganz à Budapest. Aux États-Unis, W. Stanley développe des transformateurs.

Constitution

Photographie des enroulements d'un transformateur triphasé

Il est constitué de deux parties essentielles, le circuit magnétique et les enroulements.

Le circuit magnétique

Le circuit magnétique d'un transformateur est soumis à un champ magnétique variable au cours du temps. Pour les transformateurs reliés au secteur de distribution, cette fréquence est de 50 ou 60 hertz. Le circuit magnétique est toujours feuilleté pour réduire les pertes par courants de Foucault, qui dépendent de l'amplitude du signal et de sa fréquence. Pour les transformateurs les plus courants, les tôles empilées ont la forme de E et de I, permettant ainsi de glisser une bobine à l'intérieur des fenêtres du circuit magnétique ainsi constitué.

Schémas des tôles d'un transformateur monophasé
Schéma de la carcasse d'un transformateur monophasé bas de gamme

À noter que dans les culasses qui joignent les colonnes, le flux est perpendiculaire au sens de laminage. Le matériau magnétique n'est pas utilisé au mieux, l'orientation moléculaire étant défavorable au passage du flux. Il existe donc des circuits en anneau torique, constitués par l'enroulement d'une bande de tôle magnétique offrant toujours le même sens d'orientation au flux.

Ces circuits magnétiques se nomment des tores. Le bobinage des tores étant plus délicat, le prix des transformateurs toroïdaux est nettement plus élevé.

Pour les fréquences moyennes (400 Hz à 5 000 Hz) la tôle au silicium à grains orientés en épaisseur de 10/100 mm est utilisée sous forme de circuits en « C ».

Pour les fréquences moyennes et les hautes fréquences (≤ 100 kHz) l'emploi des ferrites s'impose.

Pour les fortes puissances, les circuits magnétiques sont constitués avec des tôles droites ou biseautées. Ces tôles sont empilées de façon à former un noyau de section carrée, rectangulaire ou en croix dite de saint André.

Toutes ces tôles en fer au silicium existent en épaisseur de 0,2-0,3-0,5 mm ; elles sont, soit non isolées (pour petite puissance), soit isolées par une très fine couche de vernis. Enfin, leur qualité est précisée par leur pertes en W/kg à une induction donnée de 1 tesla. Il existe des tôles de 0,6 W/Kg jusqu'à 2,6 W/Kg de façon courante.

Les enroulements

Les enroulements sont en général concentriques pour minimiser les fuites de flux.

Le conducteur électrique utilisé dépend des applications, mais le cuivre est le matériau de choix pour toutes les applications à fortes puissances. Les fils électriques de chaque tour doivent être isolés les uns des autres afin que le courant circule dans chaque tour. Pour des petites puissances, il suffit d'utiliser des conducteurs amagnétiques émaillés pour assurer cette isolation ; dans les applications à plus fortes puissances mais surtout à cause d'une tension d'utilisation élevée, on entoure les conducteurs de papier diélectrique imprégné d'huile minérale. Pour des fréquences moyennes et hautes, on utilise des conducteurs multibrins pour limiter l'effet de peau ainsi que les pertes par courants de Foucault ; tandis que pour les fortes puissances, on cherche à minimiser ces pertes induites dans les conducteurs par l'emploi de fils méplats de faible épaisseur voire de véritables bandes de cuivre ou d'aluminium.

Les enroulements du primaire ou du secondaire peuvent avoir des connexions externes, appelées prises, à des points intermédiaires de l'enroulement afin de permettre une sélection de rapport de tension. Les prises peuvent être connectées à un changeur automatique de prises en charge pour le contrôle de la tension du circuit de distribution. Les transformateurs à fréquences audio, utilisés pour la distribution de l'audio à des haut-parleurs, ont des prises afin de permettre l'ajustement de l'impédance de chacun des haut-parleurs. Un transformateur à prise médiane est souvent utilisé dans les amplificateurs de puissance audio. Les transformateurs de modulation dans les transmetteurs à modulation d'amplitude sont très similaires.

Le système de refroidissement

Dans le domaine de l'électricité en basse tension et dans le domaine de l'électronique, la dissipation thermique des transformateurs s'effectue par simple convection naturelle de l'air autour des enroulements primaires et secondaires.

Dans le cadre des circuits électriques à haute tension et de forte puissance, les transformateurs peuvent être équipés de divers dispositifs de refroidissement :

  • ailettes métalliques fixées tout autour de la cuve du transformateur qui évacuent la chaleur par convection naturelle ;
  • ailettes fixes associées à un condenseur à circulation forcée de l'huile d'isolation galvanique du transformateur ;
  • pour les transformateurs les plus puissants, par exemple ceux des grandes lignes THT du RTE de 400 à 150 kV, on utilise des systèmes de ventilation forcée d'un important flux d'air associé ou non à un échange thermique avec l'huile de la cuve. Le dispositif de refroidissement est toujours couplé à un système de capteurs de température faisant office de thermostat (commande automatique de la mise en route de la ventilation). Il faut, en effet comprendre que même si les transformateurs de puissances ont des rendements allant de 99,5 à 99,8 %, les puissances les traversant sont tellement grandes que les pertes représentent dans l'absolu de grandes valeurs. Ainsi pour un transformateur de 800 MVA, on a, avec 99,8 % de rendement, des pertes de 1,6 MW, ce qui est énorme et difficile à évacuer[1].

L'huile contenue dans la cuve joue un double rôle : caloporteur et diélectrique. Les PCB ont été longtemps utilisés, mais depuis leur interdiction en 1987 (décret 87-59 du 2 février 1987, référence NOR ENVP8700002D), on utilise essentiellement de l'huile minérale, ou parfois aussi l'air ambiant pour des puissances inférieures à 1 000 kVA (transformateurs « secs »).

Enfin, signalons que dans le domaine de la radiodiffusion de forte puissance, les transformateurs d'impédance et les transformateurs d'accord sont parfois constitués d'une immense self rigide en cuivre creux dans lequel circule de l'eau distillée (l'eau parfaitement pure, sans sels minéraux, est un isolant électrique). Des blocs émetteurs de TDF à Allouis dans le Cher et à Saint-Aoustrille près d’Issoudun dans l’Indre ont utilisé cette technologie de dissipation thermique.

L'isolation

Les enroulements étant soumis à des tensions électriques il faut les isoler pour assurer leur bon fonctionnement et la sécurité des utilisateurs.

Les fils ronds ou les méplats sont recouverts d'une couche de vernis cuit constituant un émail. Les méplats existent aussi isolés par un enrubannage d'isolant mince voir de ruban de fil de verre tressé le tout imprégné dans la résine pour le verre tressé.

La tension entre couche présentant un risque de claquage est contrée par la mise en place d'un isolant sous forme de ruban mince et ceci systématiquement entre enroulements. L'ensemble du bobinage, voir le transformateur tout entier, est immergé dans un vernis, par gravité ou sous vide et pression, pour être ensuite passé dans une étuve afin d'être recuit.

Tous ces émaillages, isolants, vernis, répondent à une classification en matière de température et définis de la façon suivante :

  • classe A t ≤ 105 °C ;
  • classe E t ≤ 120 °C ;
  • classe B t ≤ 130 °C ;
  • classe F t ≤ 155 °C ;
  • classe H t ≤ 180 °C.

Ces températures sont des maximums à ne pas dépasser quelle que soit la température ambiante.

Fonctionnement du transformateur monophasé

Transformateur parfait ou idéal

Équations de base

Transformateur monophasé idéal

C'est un transformateur virtuel sans aucune perte. Il est utilisé pour modéliser les transformateurs réels. Ces derniers sont considérés comme une association d'un transformateur parfait et de diverses impédances.

Dans le cas où toutes les pertes et les fuites de flux sont négligées, le rapport du nombre de spires primaires sur le nombre de spires secondaires détermine totalement le rapport de transformation du transformateur.

  • Exemple : un transformateur dont le primaire comporte 230 spires alimenté par une tension sinusoïdale de 230 V de tension efficace, le secondaire qui comporte 12 spires présentera à ses bornes une tension sinusoïdale dont la valeur efficace sera égale à 12 V. (Attention, en général 1 spire n'est pas égale à 1 V.)
 \frac{U_2}{U_1} =  \frac{N_2}{N_1}.

Comme on néglige les pertes, la puissance est transmise intégralement, c'est pourquoi l'intensité du courant dans le secondaire sera dans le rapport inverse soit près de 19 fois plus importante que celle circulant dans le primaire.

De l'égalité des puissances apparentes :  S_1 =S_2 \,, soit :  U_1I_1 =  U_2I_2 \,, on tire :

 \frac{U_2}{U_1} = \frac{I_1}{I_2}.

Explication grâce au flux magnétique

Adaptation d'impédance

Les rapports des tensions et des courants étant modifiés entre le primaire et le secondaire, une impédance placée au primaire ne sera pas perçue avec sa valeur initiale au secondaire. On a l'équation[3] :

{Z_1 \over Z_2}=({N_1 \over N_2})^2.

Symbole

symbole d'un transformateur
symbole d'un transformateur

Le symbole du transformateur à noyau de fer correspond à 2 bobines séparées par 2 lignes verticales qui symbolisent le circuit magnétique. Il représente assez simplement sa construction physique ainsi que son rôle de couplage.

Les pertes de puissance d'un transformateur

Schéma équivalent d'un transformateur réel

Schéma équivalent d'un transformateur réel alimenté par une source de tension non-idéale
Schéma équivalent d'un transformateur réel alimenté par une source de tension non-idéale

Pour modéliser un transformateur réel en régime stationnaire il existe divers modèles qui répondent à divers cahiers des charges. Le plus souvent, ces modèles tentent de rendre compte des pertes et des chutes de tension en charge. On ajoute alors au transformateur idéal des dipôles linéaires permettant de modéliser les pertes[4] mais aussi les chutes de tension lors d'un fonctionnement en régime sinusoïdal à la fréquence d'utilisation.

  • Up : tension au primaire
  • Us = U2 : tension au secondaire
  • I1, I2' : courant en entrée et en sortie
  • Rq1 : résistance interne de la source de tension
  • Lσ1, L'σ2 : inductance de fuite au primaire et au secondaire
  • R1, R'2 : résistance des bobinages au primaire et au secondaire
  • Lh1 : inductance principale, qui permet le couplage du primaire et du secondaire
  • RFe : résistance modélisant les pertes.

Ce modèle, s'il prend en compte les pertes, néglige les non-linéarités et les capacités parasites.

Les pertes par effet Joule

Les pertes par effet Joule dans les enroulements sont appelées également « pertes cuivre », elles dépendent de la résistance de ces enroulements et de l'intensité du courant qui les traverse : avec une bonne approximation elles sont proportionnelles au carré de l'intensité.

 P_J = \sum_i R_i I_i^2 avec  R_i \, la résistance de l'enroulement i et  I_i \, l'intensité du courant qui le traverse.

Les pertes magnétiques

Ces pertes dans le circuit magnétique, également appelées « pertes fer », dépendent de la fréquence et de la tension d'alimentation. À fréquence constante, on peut les considérer comme proportionnelles au carré de la tension d'alimentation. Ces pertes ont deux origines physiques :

  • les pertes par courants de Foucault. Elles sont minimisées par l'utilisation de tôles magnétiques vernies, donc isolées électriquement les unes des autres pour constituer le circuit magnétique, ce en opposition à un circuit massif. Elles sont proportionnelles à la fréquence au carré[6] ;
  • les pertes par hystérésis, minimisées par l'utilisation d'un matériau ferromagnétique doux. En effet, elles sont proportionnelles à l'aire du cycle d'hystérésis, celui-ci doit donc être le plus étroit possible, d'où les matériaux doux. Ces pertes sont de plus proportionnelles à la fréquence[7].

Les courbes des fabricants de tôles magnétiques donnent, pour des fréquences déterminées, les pertes globales pour différentes valeurs de l'induction.

Mesure des pertes

La méthode des pertes séparées consiste à placer le transformateur dans deux états :

  • un état pour lequel les pertes par effet Joule sont élevées (fort courant) et les pertes magnétiques très faibles (faible tension). La mise en court-circuit du transformateur (essai en court-circuit) avec une alimentation en tension réduite permet de réaliser ces deux conditions. Les pertes du transformateur sont alors quasiment égales aux pertes par effet Joule[8] ;
  • un état pour lequel les pertes magnétiques sont élevées (forte tension) et/ou les pertes par effet Joule sont très faibles (faible courant). Le fonctionnement à vide (essai à vide), c’est-à-dire sans récepteur relié au secondaire, correspond à ce cas. La puissance consommée au primaire du transformateur est alors quasiment égale aux pertes magnétiques[8].

On dit que l'on a deux états qui permettent « une séparation » des pertes d'où l'expression « méthode des pertes séparées ». Elles ont également l'avantage de permettre la mesure du rendement avec une consommation de puissance réduite, sans faire l'essai en fonctionnement réel. Ceci est intéressant lorsqu'on réalise les tests d'un transformateur de forte puissance et que l'on ne dispose pas dans l'atelier de la puissance nécessaire pour l'alimenter à son régime nominal. Mis à part pour les plates-formes d'essai chez les constructeurs, cette méthode n'a donc pas grand intérêt pour uniquement connaître le rendement car, dans ce contexte, une mesure directe à puissance nominale (normale) est bien souvent suffisante.

En revanche, dans le cadre de l'électrotechnique théorique, elle est importante car elle permet de déterminer les éléments permettant de modéliser le transformateur.

Les différents types de transformateurs

Ces distinctions sont souvent liées aux très nombreuses applications possibles des transformateurs.

Autotransformateur

Symbole d'un autotransformateur.
1 indique le primaire ;
2 le secondaire

Il s'agit d'un transformateur sans isolement entre le primaire et le secondaire.

Dans cette structure, le secondaire est une partie de l'enroulement primaire. Le courant alimentant le transformateur parcourt le primaire en totalité et une dérivation à un point donné de celui-ci détermine la sortie du secondaire. Le rapport entre la tension d'entrée et la tension de sortie est identique à celui du type isolé[6].

À puissance égale, un autotransformateur occupe moins de place qu'un transformateur ; cela est dû au fait qu'il n'y a qu'un seul bobinage, et que la partie commune du bobinage unique est parcourue par la somme algébrique des courants primaire et secondaire. L'autotransformateur n'est intéressant que lorsque les tensions d'entrée et de sortie sont du même ordre de grandeur : par exemple, 230 V/115 V ; plus le rapport de la tension d'entrée sur la tension de sortie se rapproche de 1 plus l'autotransformateur sera de faible importance en termes de masse et encombrement[9]. Une de ses principales applications est de permettre l'utilisation de matériel électrique prévu pour une tension différente. Il présente cependant l'inconvénient de ne pas présenter d'isolation galvanique entre le primaire et le secondaire (c’est-à-dire que le primaire et le secondaire sont directement connectés), ce qui peut présenter des risques du point de vue de la sécurité des personnes[9].

En France, l'autotransformateur est systématiquement utilisé pour le raccordement entre le réseau 225 kV et 400 kV[10].

Ce type de transformateur est également utilisé dans le domaine ferroviaire pour l'alimentation 2x25 kV.

Un type particulier d'autotransformateur triphasé est utilisé pour le démarrage des moteurs asynchrones en permettant de limiter la pointe d'intensité et le couple au démarrage.

De même, on utilise un autotransformateur appelé « diviseur de tension » pour créer un neutre artificiel dans un réseau triphasé.

Transformateur variable - variac - alternostat

Il s'agit d'une variété d'autotransformateur, puisqu'il ne comporte qu'un seul bobinage. La dérivation de sortie du secondaire peut se déplacer grâce à un contact glissant sur les spires du primaire.

Transformateur d'isolement

Le transformateur d'isolement est uniquement destiné à créer un isolement électrique entre plusieurs circuits pour des raisons bien souvent de sécurité ou de résolution de problèmes techniques. Il faut rappeler que les composantes continues de la tension et du courant ne sont pas transportées par un transformateur[11]. Tous les transformateurs à enroulement primaire isolé du(des) secondaire(s) devraient être considérés comme des transformateurs d'isolement ; toutefois, en pratique, ce nom désigne des transformateurs dont la tension de sortie a la même valeur efficace que celle de l'entrée.

Le transformateur d'isolement comporte deux enroulements presque identiques au primaire et au secondaire :

  • le nombre de spires du secondaire est souvent très légèrement supérieur au nombre de spires du primaire afin de compenser la faible chute de tension en fonctionnement ;
  • en théorie, les sections de fil au primaire et au secondaire sont identiques car l'intensité des courants est la même, mais en pratique l'enroulement intérieur (ou près du noyau) sera de section plus importante pour minimiser les pertes Joule car cet enroulement dissipe moins bien les calories, emprisonné qu'il est entre le noyau et l'enroulement extérieur.

Ils sont, par exemple, largement utilisés dans les blocs opératoires : chaque salle du bloc est équipée de son propre transformateur d'isolement, pour éviter qu'un défaut qui y apparaîtrait n'engendre des dysfonctionnements dans une autre salle.

Un autre intérêt est de pouvoir changer de régime de neutre (cas d'utilisation de matériel informatique et/ou d'équipements électroniques sensibles dans une installation IT).

Transformateur d'impédance

Le transformateur est toujours un transformateur d'impédance, mais les électroniciens donnent ce nom aux transformateurs qui ne sont pas utilisés dans des circuits d'alimentation.

Le transformateur d'impédance est principalement destiné à adapter l'impédance de sortie d'un amplificateur à sa charge.

  • Ce genre de transformateur était en particulier employé dans la restitution sonore, pour adapter la sortie d'un amplificateur audio à lampes (haute impédance), avec les haut-parleurs destinés à la restitution du son et caractérisés par une impédance basse.
  • En électronique audio professionnelle, on utilise toujours des transformateurs pour les entrées et sorties d'appareils haut de gamme, ou bien dans la fabrication de « Di-box » ou boîte de direct. Le transformateur est alors utilisé, non seulement pour adapter l'impédance et le niveau de sortie des appareils (synthétiseurs, basses électriques, ...) aux entrées micro de la console de mixage mais en outre pour symétriser la sortie des appareils connectés.
  • En technique des hautes fréquences, on utilise également des transformateurs dont le circuit magnétique est en ferrite ou sans circuit magnétique (aussi appelé transformateur sans noyau) pour adapter les impédances de sortie d'un amplificateur, d'une ligne de transmission et d'une antenne. En effet, pour un transfert optimal de puissance de l'amplificateur vers l'antenne, il faut que le taux d'ondes stationnaires (TOS) soit égal à 1.

De tels montages présentent en outre l'avantage de rendre les appareils connectés beaucoup plus résistants aux perturbations électromagnétiques par une augmentation significative du CMRR (Common Mode Rejection Ratio) ou taux de réjection du mode commun.

Transformateur de mesure

Un ancien tranformateur électrique dans une usine reconvertie
Article détaillé : Transformateur de mesure.

Les transformateurs de mesure font l'interface entre le réseau électrique et un appareil de mesure. Les quatre paramètres pour définir un transformateur de courant sont les suivants :

  • les dimensions : le primaire doit pouvoir passer à travers le trou d'induction ;
  • l'intensité du primaire : l'intensité primaire doit être supérieure à l'intensité maximale mesurée. Elle ne doit pas être trop élevée pour autant pour ne pas perdre en précision ;
  • l'intensité secondaire : l'intensité secondaire est généralement de 5 ou 1 A. 5 A permet d'avoir une mesure plus précise. Une intensité de 1 A permet d'avoir une distance plus importante entre le compteur électrique ou centrale de mesure et le transformateur de courant ;
  • la charge (en VA) : qui doit être supérieure à la charge de l'appareil de mesure plus celle du circuit secondaire.

Les principaux fabricants sont des fabricants allemands :

  • MBS : leader allemand du transformateur de courant classique et ouvrant ;
  • REDUR : société allemande à l'origine de transformateurs de courant de nouvelle génération moins encombrants, plombables et montables sur rail DIN. Ce fabricant est distribué en France par le spécialiste de la maîtrise de l'énergie POLIER.

Transformateur d'intensité

Article détaillé : Transformateur d'intensité.

Ce type de transformateur, appelé aussi transformateur de courant, est dédié à l'adaptation des courants mis en jeu dans des circuits différents mais fonctionnellement interdépendants.

Un tel transformateur autorise la mesure des courants alternatifs élevés. Il possède une spire au primaire, et plusieurs spires secondaires : le rapport de transformation permet l'usage d'un ampèremètre classique pour mesurer l'intensité au secondaire, image de l'intensité au primaire pouvant atteindre plusieurs kiloampères (kA).

Transformateur de tension

Article détaillé : Transformateur de tension.

Ce transformateur est l'un des moyens pour mesurer des tensions alternatives élevées. Il s'agit d'un transformateur qui a la particularité d'avoir un rapport de transformation étalonné avec précision, mais prévu pour ne délivrer qu'une très faible charge au secondaire, correspondant à un voltmètre. Le rapport de transformation permet de mesurer des tensions primaires s'exprimant en kilovolts (kV). On le rencontre en HTA et HTB. D'autres technologies existent, comme celle du diviseur capacitif.

Transformateur d'essai

Article détaillé : Transformateur d'essai.

Les transformateurs d'essai ou de test sont des transformateurs pouvant atteindre de très hautes tensions pour des charges limitées. Ils sont utilisés pour tester du matériel électrique.

Transformateur haute fréquence

Circuit magnétique des transformateurs HF

Les pertes par courants de Foucault au sein du circuit magnétique sont directement proportionnelles au carré de la fréquence mais inversement proportionnelles à la résistivité du matériau qui le constitue. Afin de limiter ces pertes, le circuit magnétique des transformateurs HF est réalisé à l'aide de matériaux ferromagnétiques isolants :

  • les ferrites douces : oxydes mixtes de fer et de cuivre ou de zinc ;
  • les matériaux nanocristallins.

Transformateur d'impulsions

Ce type de transformateur est utilisé pour la commande des thyristors, triacs et des transistors. Il présente, par rapport à l’opto-coupleur, les avantages suivants : fonctionnement possible à fréquence élevée, simplification du montage, possibilité de fournir un courant important, bonne tenue en tension.

Transformateur triphasé

Justification

Dans les réseaux électriques triphasés, on pourrait parfaitement envisager d'utiliser 3 transformateurs, un par phase. Dans la pratique, l'utilisation de transformateurs triphasés (un seul appareil regroupe les 3 phases) est généralisée : cette solution permet la conception de transformateurs bien moins coûteux, avec en particulier des économies au niveau du circuit magnétique. Les transformateurs monophasés ne sont en fait guère utilisés, sauf pour de très grosses puissances apparentes (typiquement supérieures à 500 MVA), où le transport d'un gros transformateur triphasé est problématique et incite à l'utilisation de 3 unités physiquement indépendantes.

Couplages existants

Pour un transformateur triphasé, il existe 3 types de couplage d’enroulement :

  • le couplage étoile, défini par la lettre Y ;
  • le couplage triangle, défini par la lettre D ou Δ ;
  • le couplage zig-zag, défini par la lettre Z.

Liste des couplages possibles : Yy0, Dd0, Dz0, Yd1, Dy1, Yz1, Yd5, Dy5, Yz5, Yd6, Dd6, dz6, Dyn11.
La majuscule représente la tension au primaire du transformateur.
La minuscule représente la tension au secondaire du transformateur.
Le « n » représente le neutre sorti au secondaire (couplage étoile)[12].

Indice de couplage

L'indice de couplage est complété par un « indice horaire » qui donne, par pas de 30 °, le déphasage horaire en 12e de tour (comme sur une montre) entre le primaire et le secondaire du transformateur (exemple : 11 = 11×30 ° = 330 ° en sens horaire ou 30 ° en sens anti-horaire)[12].

Par exemple, un indice de couplage « Dyn11 » définit donc un transformateur dont :

  • le système triphasé de tension élevé est en « triangle » ;
  • le système triphasé de tension basse est en « étoile » avec neutre sorti (indiqué par le « n ») ;
  • le décalage entre les deux systèmes est de 330 ° (= – 30 ° ou bien 11×30 °).

Les couplages les plus utilisés sont : Yyn0, Yyn6, Yzn5, Yzn11, Dyn5, Dyn11.

Choix de couplage

L'intérêt du couplage étoile est double. Le premier avantage se trouve au niveau de la tension, les bobines du transformateur sont soumise à une tension {1 \over \sqrt{3}} inférieure à la tension entre phases du primaire. Par exemple pour les lignes 400 kV, la tension aux bornes des bobines est de 230 kV. Pour les très hautes tensions où la taille de l'isolation (proportionnelle à la tension) devient critique cela est un gros avantage. Pour cette raison, le couplage étoile est privilégié pour toute application avec une tension supérieure ou égale à 110 kV. Le second avantage du couplage étoile est qu'il possède naturellement un neutre (au centre de l'étoile), si l'on veut relier à la terre le primaire ou le secondaire on a donc intérêt à utiliser un couplace étoile[13].

Pour le couplage triangle à l'inverse du couplage étoile, les bobines ont la tension entre phases à leurs bornes, par contre cette fois-ci c'est le courant qui les traverse qui est divisé par \sqrt{3}. Ceci est avantageux dans les cas où la valeur du courant devient critique, on prendra pour exemple les transformateurs connectés aux centrales électriques. Les générateurs ont typiquement une tension de 33 kV ce qui n'est pas critique, par contre le courant généré est énorme, on a donc tout intérêt à le limiter (problème de perte Joule par exemple) du côté générateur. Ces transformateurs à la sortie des centrales ont donc souvent un couplage Yd5 ou Yd11, pour limiter la tension côté haute-tension et le courant côté générateur[13]. Un couplage triangle est également utilisé au primaire d'un transformateur abaisseur de tension pour la distribution électrique. Il est très utilisé dans la distribution de l'électricité. Il n'y a pas de neutre.

Les transformateurs avec un couplage zig-zag étaient autrefois[réf. nécessaire] utilisés pour équilibrer le courant entre les trois phases au primaire d'un transformateur de distribution quand toute la consommation électrique d'un quartier était concentrée sur une ou deux phases. Il possède un neutre. Ce couplage permet, lors de la perte d'une phase au primaire, d'avoir au secondaire une tension pratiquement identique sur les trois phases.

Transformateur diphasé-triphasé

Article détaillé : Biphasé#Diphasé.

Transformateurs de Scott

Diagramme des transformateurs de Scott

Le montage de Scott permet de transformer des tensions triphasées en diphasées et vice versa. Il trouve son application en électronique mais aussi en production, distribution et transmission d'électricité où le diphasé peut être encore utilisé. Le montage de Scott se réalise grâce à deux transformateurs monophasés de puissance moitié de celle de l'utilisation. Le premier transformateur a les bornes de son primaire connectées à deux phases du triphasé. Le second transformateur est connecté entre la prise centrale du premier transformateur et la phase restante du triphasé. Le rapport de bobinage du premier transformateur sera égal à 1 alors que pour le second il sera égal à \frac{\sqrt{3}}{{2}} ce qui équivaut à 0,866 environ. Le secondaire des deux transformateurs sera de tension égale en norme et avec un déphasage de 90 degrés.

Dans le cas de récepteurs monophasés de forte puissance (four électrique monophasé), le montage SCOTT permet de réaliser l'équilibrage sur le réseau triphasé.


Transformateurs de Leblanc

Le montage de Leblanc permet de passer d'un système de tensions triphasées à un système de tensions diphasées et vice versa.

Dans un montage Leblanc, si les intensités diphasées sont équilibrées il en est de même des intensités triphasées.

Le théorème de Leblanc énonce qu'une bobine alimentée par une tension alternative et créant de ce fait un champ magnétique pulsant le long de son axe créé en fait deux champs magnétiques, de même module, tournants en sens inverses. Ce théorème constitue la base théorique du fonctionnement des moteurs asynchrones monophasés.

Transformateur triphasé-monophasé

Notes et références

  1. Kuechler 2005, p. 440-441
  2. Théodore wildi, Electrotechnique, DeBoeck, 2003 [lire en ligne (page consultée le 21 juin 2011)] 
  3. Whitaker 199, p. 11
  4. (de) Ekbert Hering, Grundwissen des Ingenieurs4, Leipzig, Fachbuchverlag (ISBN 978-3-446-22814-6), p. 780 
  5. (de) Wolf-Ewald Büttner, Grundlagen der Elektrotechnik 2, Munich, Oldenbourg, 2009 [lire en ligne (page consultée le 21 juin 2011)], p. 292 
  6. a et b Wildi 2003, p. 422-423
  7. Vincent Renvoizé, Physique PSI-PSI*, Paris, Pearson, 2010 [lire en ligne (page consultée le 23 juin 2011)], p. 526 
  8. a et b (de) Klaus Fuest et Peter Döring, Elektrische Maschinen und Antriebe, vieweg [lire en ligne (page consultée le 21 juin 2011)] 
  9. a et b Wildi 2003, p. 471-472
  10. Description du réseau 225 kV EDF et des transformateurs utilisés à travers la coordination de l'isolement : Coordination des isolements du réseau 225 kV EDF
  11. (en) Jerry C. Whitaker, AC Power Systems Handbook, CRC Press, 1999 
  12. a et b (de) D. Oeding et B.R. Oswald, Elektrische Kraftwerke und Netze, Berlin, Springer, 2004, p. 217-255 
  13. a et b Oeding 2004, p. 223

Voir aussi

Liens internes

Bibliographie

  • (de) Andreas Kuechler, Hochspannungstechnik, Grundlagen, Technologie, Anwendungen, Berlin, Springer, 2005 (ISBN 3-540-21411-9) 

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