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Transformateur

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Définition du transformateur

Un transformateur est un appareil statique, basé sur le phénomène de l'induction électromagnétique. Il transforme des signaux de tension et de courant de fréquence donnée en signaux de même fréquence mais de valeurs efficaces différentes. 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 rendement très élevé, 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 de l'énergie électrique. Il permet à l'énergie électrique d'être transportée sur de longues distances de façon économique, pour être distribuée dans les industries et les habitations. Les transformateurs peuvent être utilisés pour une installation électrique notamment dans les domaines suivants :
- Isolement des circuits
- Distribution industrielle modification de la tension
- Adaptation de l'impédance en télécommunication
- Mesure - transformateur de courant TI ou de tension TP.

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Constitution d'un transformateur monophasé

Généralités

Un transformateur comprend un circuit magnétique constitué 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 ;
- 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 supérieure ou inférieure à la tension primaire.
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

Dans un transformateur, le rôle du circuit magnétique est 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. Les lignes de forces sont entièrement captives du circuit magnétique. Le rayonnement extérieur est quasiment nul. L'inductance de la bobine est beaucoup plus grande que dans l'air, grâce à la perméabilité du noyau. Le choix d'un matériau magnétique à faibles pertes pour le noyau, ainsi que l'utilisation d'un circuit magnétique feuilleté, améliorent le rendement.
Ce circuit peut avoir différentes formes : soit à 2 colonnes formées par un empilage de tôles décalées (couche 1 puis couche 2 et ainsi de suite), soit de forme cuirassé, c'est-à-dire que les enroulements sont placés sur une colonne centrale, ainsi 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 E, en U, en L, en C ou en I. L'assemblage s'effectue 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. Ce circuit magnétique se comporte 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

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. Ils sont cloisonnés par une séparation galvanique. Les enroulements des transformateurs sont principalement en 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 compte des 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 puissances 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 significatif, on peut insuffler de l'air à l'intérieur de l'enveloppe métallique à l'aide d'un ventilateur.

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Fonctionnement du transformateur monophasé

Le transformateur parfait ou idéal

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 traversée 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.

Les pertes magnétiques

Il s'agit des pertes dans le circuit magnétique du transformateur, 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 lors de la désaimantation, de toute l'énergie reçue par le matériau pendant l'aimantation. Une partie de l'énergie électrique est ainsi 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 entraînent 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.

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Transformateur - Les différents types

Autotransformateur

L'autotransformateur est un dispositif dont une partie de l'enroulement unique appartient à la fois au primaire et au secondaire. La fonction de ce transformateur est assurée grâce au phénomène de l'auto-induction. Le principe de fonctionnement reste identique à celui des transformateurs classiques.
L'intérêt d'un autotransformateur est qu'à poids égal, on a une puissance plus grande que dans un transformateur classique, grâce à la mise en commun du primaire et du secondaire. Les pertes cuivre y sont plus faibles.
L'inconvénient d'un autotransformateur est de ne présenter aucune séparation galvanique (sans isolement entre le primaire et le secondaire), donc moins de sécurité, même sans défaut. L'utilisation d'un autotransformateur est interdite pour l'alimentation de jouets d'enfants.
Le transformateur variable est une variante de l'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. Ce qui crée la variation de sa tension de sortie. Ils peuvent être utilisés pour alimenter et faire varier l'intensité lumineuse des lampes halogènes. Ils leur assurent une protection contre les surcharges et les courts-circuits. Ce sont des autotransformateurs protégés nus. Ils sont conformes aux normes IEC 61558-2-13 jusqu'a 2 kVA en monophasé et 10 kVA en triphasé, et IEC 60076-11 au-delà. Il existe aussi des solutions sur mesure, afin de répondre à des exigences particulières.

Transformateur d'isolement

Ce type de transformateur est utilisé pour créer de l'isolement électrique entre plusieurs circuits, pour des raisons de sécurité ou technique. Ceci grâce à l'isolation galvanique entre les enroulements primaire et secondaire. La différence avec le transformateur classique est que la tension de sortie et celle de l'entrée ont la même valeur efficace.
En effet ces deux enroulements (primaire et secondaire) sont presque identiques. 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. Les sections de fil au primaire et au secondaire sont identiques car l'intensité des courants est la même.
Ils sont, largement utilisés dans les blocs opératoires. En effet pour éviter qu'un défaut d'une salle n'engendre des dysfonctionnements dans une autre salle, chaque salle du bloc est équipée de son propre transformateur d'isolement. Ce sont les transformateurs de séparation des circuits pour locaux hospitaliers.
Les transformateurs de séparation des circuits doivent être conformes à la norme IEC EN 61558-2-4. Ils sont protégés et doivent respectés des normes supplémentaires suivant le besoin. Pour la sécurité il faut la norme IEC EN 61558-2-6. Pour les milieux à risque comme les hôpitaux, c'est la norme IEC EN 61558-2-15. Dans ce cas ils sont équipés d'un système de surveillance de température (bilames), sorties sur bornes dédiées, à raccorder à un système de contrôle (optique, acoustique etc.).

Transformateur d'impédance

Le transformateur d'impédance n'est pas utilisé dans les circuits d'alimentation, mais principalement à l'adaptation d'impédance. Il peut servir par exemple à adapter l'impédance de sortie d'un amplificateur à sa charge. Leur utilisation présente 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 d'alimentation

Le transformateur d'alimentation est un transformateur de commande et de signalisation. Ces transformateurs comportent une partie transformation et une partie alimentation. Ils doivent être conformes aux normes IEC EN 61 558-2-2 et 2-4 ou 2-6 (transformateurs) et IEC EN 61 558-2-6, UL 60 950 (alimentations).
La connexion est automatique ou à vis. Ces connexions sont visibles et directement accessibles. Parfaitement repérées sur le couvercle, les bornes du primaire et du secondaire autoriseront différentes combinaisons de tensions. Au primaire, les bornes (+15 V, 0 V et -15 V) permettent de régler la tension de sortie, en fonction de la tension d'entrée ou de l'intensité du courant à la sortie. Au secondaire, les connexions seront doublées pour le repiquage ou le bouclage des circuits d'utilisation. La borne de terre sera juxtaposée à celle du 0 V pour accélérer la mise en œuvre.
Leur limiteur de courant d'appel permet de limiter la pointe de courant à la mise sous tension des alimentations et des transformateurs ferromagnétiques à 5 fois l'intensité nominale primaire au maximum. Il est conforme à la norme IEC EN 60947-4-3. Cette limitation permet le juste dimensionnement des circuits amont au primaire (onduleurs, groupes électrogènes, sections de fils, disjoncteurs etc.) ainsi que l'utilisation au primaire d'une protection de ligne par disjoncteur.
Les transformateurs pour sonneries et carillons doivent être conformes à la norme IEC 61 558-2-8. Ils sont protégés contre les courts circuits et les surtensions. Leur fixation est murale et à vis. Le transformateur de l'offre du programme Mosaic, associe à une prise 2P+T ou à une sortie de câble permet le branchement d'application basse tension.

Transformateur de mesure

Transformateur d'intensité

Le transformateur d'intensité sert d'interface entre le réseau électrique et un appareil de mesure. On les appelle aussi transformateurs de courant et peuvent autoriser la mesure des courants alternatifs élevés. En effet le rapport de transformation permet l'usage d'un ampèremètre classique pour mesurer l'intensité au secondaire. Cette intensité est proportionnelle au courant primaire mesuré et peut atteindre plusieurs kilo-ampères (kA).
Le transformateur de courant se place en série dans le circuit à mesurer et son enroulement primaire possède peu de spires contrairement à son secondaire, qui en possède beaucoup plus. Il doit être résistant aux courts-circuits (noyaux saturés). Le secondaire d'un transformateur de courant ne doit jamais être ouvert lorsque le primaire est alimenté, ce qui présente un danger (densité de flux très élevée).
Les transformateurs de courant s'associent aux ampèremètres, aux compteurs d'énergie ou aux centrales de mesure pour la détermination des principales grandeurs électriques avec une classe de précision de 1 %. Ils délivrent un courant de 0 à 5 A au secondaire, proportionnel au courant primaire et peuvent se fixés sur platine, sur rail selon la norme EN 60715, ou sur barre. Le raccordement secondaire se fait par bornes, ou par cosse.

Transformateur de tension

Le principe de fonctionnement est celui du transformateur normal. Contrairement au transformateur de courant, les transformateurs de tension ont un enroulement primaire plus important que celui du secondaire. Il apporte une grande précision dans les installations de mesure.
Ce type de transformateur permet la mesure de tensions alternatives élevées. Son rapport de transformation peut être étalonné avec précision, tout en délivrant une très faible charge au secondaire correspondant à un voltmètre. Il se monte en parallèle et ne doit jamais être court-circuité.

Transformateurs secs

Un transformateur sec, contrairement au transformateur immergé, est constitué d'enroulements moulés sous vide. L'isolation des enroulements est réalisée par des isolants secs. Le refroidissement est donc assuré par l'air ambiant sans liquide intermédiaire. Les risques d'incendie et de rejet de substances nocives dans l'environnement sont réduits. En effet contrairement aux transformateurs immergés, dont le liquide utilisé comme diélectrique est l'huile minérale (inflammable), les transformateurs secs n'utilisent aucune substance pour leur refroidissement.
Les transformateurs secs Zucchini sont conformes à la norme environnementale internationale CEI 60076-1. Leurs bobinages sont noyés dans une résine solide. Ce qui annule le risque de fuite. Les matériaux utilisés sont auto-extinguibles et retardateurs de flamme. Ces matériaux respectent l'environnement, en effet la résine est un matériau considéré inerte et les bobinages en aluminium sont facilement recyclables.

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 essentiel de bien connaître la polarité, car une erreur de connexion peut provoquer un court-circuit ou un déséquilibre des tensions. On utilise généralement un transformateur triphasé 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.

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La protection des transformateurs

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. C'est pour cela que 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). Elle doit également protégée contre 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'utiliser 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.

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