Les transformateurs

I- Qu’est-ce qu’un transformateur ?

     Un transformateur est un appareil statique, basé sur le phénomène de l'induction électromagnétique. Il est un convertisseur permettant de modifier l’amplitude d’un signal (tension ou intensité), tout en conservant  la même fréquence.

     Ce transfert d'énergie peut se faire avec des niveaux de tensions ou de courants différents. L'une des particularités du transformateur est qu'il a un excellent rendement, souvent proche de 100 % : dans les gros transformateurs, on a moins de 1 % de pertes.

     Le transformateur joue un rôle important dans le transport et la distribution électrique. Il permet à l'énergie électrique d'être transportée à longue distance de façon économique et distribuée dans les industries et les habitations. Les transformateurs sont utilisés dans les domaines suivants :

• ·        Isolement des circuits ;
• ·        Distribution industrielle modification de la tension ;
• ·        Radio-TV alimentation tube image ;
• ·        Adaptation de l'impédance en télécommunication ;
• ·        Mesure - transformateur de courant TI ou de tension TP ;
• ·        Petit appareil-luminaire.
  

II- La constitution d’un transformateur monophasé ?

     Un transformateur comprend un circuit magnétique (fermé), constitué d'un noyau ferromagnétique autour duquel sont placés deux enroulements, ou bobines, indépendants  sans liaison conductrice entre eux (isolement galvanique)  et d’un noyau ferromagnétique.

      Ce circuit est constitué de plusieurs tôles d'acier au silicium laminées. Ces tôles sont recouvertes d’un vernis isolant afin de diminuer les pertes par courant de Foucault. Le circuit ferromagnétique comporte 2 bobinages (en monophasé) :

• ·         Un enroulement primaire (appelé simplement primaire) qui reçoit l'énergie électrique et la transforme en énergie magnétique par induction ;

• ·        Et un enroulement secondaire (ou secondaire) qui, étant traversé par le champ magnétique produit par le primaire, fournit un courant alternatif de même fréquence mais de tension qui peut être plus supérieure ou inférieure à la tension primaire.

     Toutes les grandeurs associées au primaire sont affectées de l'indice 1, toutes celles associées au secondaire sont affectées de l'indice 2.

     Un transformateur qui produit une tension plus grande est dit élévateur de tension, à l'inverse il est dit abaisseur de tension. Vu du secondaire un transformateur peut être considéré comme un générateur de courant alternatif. Un transformateur peut comporter plusieurs enroulements secondaires.

§ Le circuit magnétique

     Réalisé à partir d’un empilage de tôles en matériaux ferromagnétique, le circuit magnétique a pour but de canaliser le flux magnétique Ф et de présenter le minimum de pertes par hystérésis et par courant de Foucault. Pour éviter les pertes par rayonnement magnétique on utilise principalement des circuits magnétiques fermés.

     Le circuit magnétique peut avoir différentes formes, soit :

- A 2 colonnes formées par un empilage de tôles décalées (couche 1 puis couche 2 et ainsi de suite,

- Ou de forme cuirassée, c'est-à-dire que les enroulements sont placés sur une colonne centrale et le flux magnétique Ф se referme par chacun des côtés qui forment la cuirasse.

     La forme des tôles, selon les dimensions du circuit magnétique, peut être en C, en E, en I, en L ou en U, l'assemblage s'effectuant toujours en croisant les joints.

     En isolant les tôles entre elles par une couche d'oxyde, on limite la formation des courants de Foucault qui s'établissent dans le circuit magnétique, celui-ci se comportant localement comme une spire en circuit fermé placée dans un champ magnétique variable. Les courants induits dans la masse du circuit magnétique par le flux d'induction variable provoquent un échauffement du circuit magnétique et des pertes par effet Joule.

§ Les enroulements

     Principalement fait de cuivre, les enroulements de transformateurs doivent être le plus proche possible afin de disposer du même flux magnétique (Ф).

     Ils sont formés par l’enroulement primaire (le primaire, côté secteur) et l’enroulement secondaire (le secondaire, côté charge). La grandeur commune aux deux enroulements est le flux magnétique et on a une séparation galvanique entre eux. Les enroulements des transformateurs sont faits principalement de cuivre. Il existe aussi des enroulements en aluminium. Pour les plus fortes puissances on utilise des conducteurs multibrins pour limiter l'effet de peau ainsi que les pertes par courants de Foucault. Un transformateur est défini par un rapport de transformation correspondant au rapport de ses niveaux de tensions (entrée/sortie).

      Pour réaliser un enroulement de transformateur d'une tension nominale donnée et d'un nombre de spires défini, deux technologies de bobinages sont réalisables : cuirassé ou colonne. Chacune d'elle est caractérisée par sa configuration d'enroulements par rapport au circuit magnétique. La technologie dite cuirassée consiste à disposer les bobines au centre du circuit magnétique. Dans la technologie colonne, c'est l'inverse. Chaque technologie tient les contraintes qui lui sont définies dans le cahier des charges. Le choix de l'une ou l'autre des technologies de bobinages relèvera souvent du constructeur.

§ Le système de refroidissement

     Si l’on veut empêcher qu’un réchauffement exagéré détériore les isolants d’un transformateur (courant de Foucault), il faut en assurer un refroidissement convenable. Dans les transformateurs de faibles puissance et à basse tension, le refroidissement est assuré par la circulation naturelle de l’air environnant. L’enveloppe métallique de ces transformateurs est munie d’ouvertures permettant le libre passage de l’air. Si l’on désire un refroidissement plus énergique, on peut souffler de l’air à l’intérieur de l’enveloppe métallique à l’aide d’un ventilateur.

     Les transformateurs de distribution baignent dans une cuve contenant de l’huile minérale. L’huile assure le transport de la chaleur provenant du noyau et des enroulements jusqu’à la paroi de la cuve : de là, la chaleur est ensuite cédée à l’air extérieur. De plus, l’huile assure un isolement meilleur que l’air et elle protège les enroulements contre l’humidité de l’air. L’humidité a pour effet d’accélérer l’oxydation des isolants soumis aux hautes tensions. La cuve est ordinairement refroidie par ventilation naturelle. La puissance des transformateurs de distribution est inférieure à 200KVA.

III- Fonctionnement du transformateur monophasé 

§ Transformateur idéal ou parfait

     Par définition, un transformateur idéal n’a aucune perte et son noyau est infiniment perméable. De plus, le couplage entre le primaire et le secondaire est parfait. Par conséquent, un transformateur idéal n’a aucun flux de fuite (aucune perte, fuite magnétique).

     Le circuit magnétique étant infiniment perméable, alors il suffit d’un courant magnétisant infiniment petit pour créer le flux. Toute la puissance qu'il absorbe au primaire est restituée au secondaire. En réalité le rendement du transformateur est toujours inférieur à 1. La différence entre la puissance au primaire et la puissance au secondaire est représentée par les pertes qui se décomposent entre pertes cuivre (par effet Joule dans les enroulements primaires et secondaires) et pertes fer dans le circuit magnétique (par courant de Foucault, par hystérésis etc.).

§ Les pertes de puissance d’un transformateur

• -     Les pertes par effet Joule

     Les pertes par effet Joule (pertes cuivre) dans les enroulements sont la conséquence de la traversé du courant dans les enroulements. Elles dépendent de la résistance de ces enroulements et de l'intensité du courant qui les traverse. On pourra les calculer à partir des mesures des résistances et des intensités efficaces.

     Dans le cas des transformateurs à forte puissance, on diminue ces pertes en limitant la température de fonctionnement. Pour cela on immerge le transformateur dans de l'huile minérale qui permet de le refroidir et d'éviter l'augmentation des résistances.

• -     Les pertes magnétique

     Il s’agit des pertes dans le circuit magnétique, ce sont les pertes fer. Elles sont principalement formées par les pertes hystérésis et les pertes par courants de Foucault. Les pertes hystérésis sont caractérisées par la non restitution de toute l’énergie reçue, par le matériau, pendant l’aimantation lors de la désaimantation. Une partie de l'énergie électrique est dissipée en chaleur dans le circuit magnétique. Les pertes par hystérésis dépendent de la nature du matériau, de son volume, de son champ magnétique et de la fréquence.

     Les pertes par courants de Foucault sont dues à la circulation de courant de Foucault. En effet le flux variable à travers le circuit magnétique crée dans celui-ci comme dans toute masse métallique des courants induits appelés courant de Foucault qui entraîne l'échauffement du circuit magnétique. Ces pertes d'énergie dans le fer dépendent comme, les pertes hystérésis, de la nature du matériau de son volume de la fréquence et du champ magnétique. Pour limiter ces pertes, on feuillette le circuit magnétique.

IV- Les différents transformateurs 

    On retrouve les 6 transformateurs suivant :

- L’autotransformateur,

- Le transformateur d’isolement,

- Le transformateur d’impédance,

- Le transformateur d’alimentation,

- Le transformateur de mesure,

- Et le transformateur sec.

V- La protection des transformateurs

Disjoncteurs DNX 4500 - 4,5 kA
Protection des départs, courbe C et D de 2 à 32 A

     La ligne d’alimentation d’un transformateur (primaire du transformateur) nécessite une protection contre les courts circuits. Cette protection doit tenir en compte aux faits que le transformateur ne peut générer des surcharges et qu’à la mise sous tension, il se produit un courant d’appel très important. Pour cela l’utilisation des cartouches aM ou des disjoncteurs type D ou des disjoncteurs de type C est préconisée.

     La ligne d’utilisation (secondaire du transformateur) doit être protégée contre les surcharges (vérifier que le calibre de la protection choisie est inférieur ou égal au courant secondaire du transformateur), et les courts-circuits (vérifier qu’un court-circuit au point le plus éloigne de la ligne assurera le déclenchement du dispositif de protection en moins de 5 secondes (NF C 15-100, paragraphe 434). La solution est d’utilisée des cartouches gG ou un disjoncteur type C.

Tous les transformateurs doivent être protégés contre les surintensités, les surtensions et les surchauffes conformément aux normes IEC EN 61558. Elles fixent les valeurs et les temps pendant lequel l'élément doit supporter ces phénomènes sans risque de détérioration. En l’absence d’imposition normative, le constructeur choisit l’emplacement et la nature du dispositif de protection. Legrand préconise la protection au secondaire avec le calibre, le type et l’emplacement du dispositif de protection figurant en face avant des appareils.

VI- Présentation des transformateurs triphasés

     Tout comme sur les lignes monophasées, on utilise des transformateurs pour élever ou abaisser la tension des lignes triphasées. Cette transformation peut être effectuée avec des transformateurs triphasés comportant trois enroulements primaires et trois enroulements secondaires, ou avec des montages spéciaux de transformateurs monophasés. Avant d’interconnecter les enroulements dans un montage triphasé, il est bien important d’en connaître la polarité car une erreur de connexion peut provoquer un court-circuit ou un déséquilibre des tensions. On utilise généralement des transformateurs triphasés en un seul appareil regroupant 3 phases.

     Lorsqu’on utilise trois transformateurs monophasés pour transformer une tension triphasée, on peut raccorder les enroulements de diverses façons. Par exemple, les primaires peuvent être raccordés en triangle et les secondaires en étoile, ou vice versa. Il s’ensuit que le rapport de transformation entre la tension triphasée d’entrée et la tension de sortie dépend non seulement du rapport du nombre de spires, mais aussi de la manière dont les transformateurs sont raccordés.