Transformateurs
monophasé et triphasé
Electricité

Les transformateurs permettent de transformer le voltage et le courant. Pour la distribution de l'électricité on utilise de très hautes tensions (moins de pertes), tandis que l'utilisateur préfère une tension plus basse moins dangereuse.
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L'historique des transformateurs est longue et fait beaucoup de détours. L'induction magnétique, à la base des transformateurs, est découverte en 1931 mis Faraday n'envisage à l'époque pas d'utilisations pratiques. L'électricité était produite par réction chimique dans des piles, et le courant est continu, inutilisable tel quel dans un transformateur.

Pourtant, le premier transformateur de Faraday ressemble fort aux transformateurs toroïdaux modernes. Un bobinage en fil de cuivre isolé est enroulé autour d'un anneau composé de brins de fer.

A partir des années 1870, on voit apparaitre les premiers générateurs à courant alternatif, mais à ce moment on a semble-t-il oublié le transformateur toroïdal de Faraday. Les transformateurs se composent de deux bobines dans un champ magnétique ouvert, ce qui est la cause du mauvais rendement de ces premiers transformateurs. Ce n'est que 10 ans plus tard, quand on réalise des transfos à champ magnétique refermé sur lui-même qu'on obtient des transformateurs avec un rendement élevé.

On expérimente avec toutes sortes de transfos, par exemple les transfos à entrefer réglable pour modifier la tension en sortie. Mais ce qu'on modifie surtout, c'est le rendement du transfo. La consommation est donc tout aussi élevée, que la charge reçoive la tension normale (entrefer minimal) ou une tension plus basse (entrefer plus important).

A cette époque il n'était pas encore très clair qu'on pouvait modifier la tension en sortie en modifiant le rapport de transformation. Les transfos de l'époque avaient un rapport de transformation proche de 1:1 et on augmentait ou diminuait la tension en mettant par exemple plusieurs transfos en série pour le primaire, tandis que les secondaires étaient reliés en parallèle (pour réduire la tension).

Le transfo cuirassé est un type particulier de transfo qui a eu une grande distribution à l'époque. Les deux bobinages forment un anneau (voir image à gauche, bobinages en cuivre en orange). Les bobinages sont composés de fils de cuivre isolés. Il y a évidemment plus d'une spire au primaire et au secondaire. On bobine alors du fil de fer isolé autour de cet anneau pour former une sorte de cuirasse (fil de fer en bleu). Le champ magnétique produit par le courant est en quelque sorte enfermé dans cette gaine en fil de fer.

Le transfo cuirassé est en fait l'inverse des transfos toroïdes modernes où les bobinages sont placés autour de l'anneau magnétiqable en fer ou ferrite. Ce transformateur a un très bon rendement, mais est plus complexe à fabriquer: on lui préfère le transfo classique ou le transfo toroïde.

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Les transformateurs ne fonctionnent qu'avec du courant alternatif, c'est une des raisons du passage au courant alternatif au lieu du continu il y a une centaine d'années. Actuellement on peut également transformer du continu avec des modules électroniques, mais ils n'existaient pas à cette époque.

Un tranformateur transforme une basse tension en haute tension ou l'inverse. Comme la puissance reste constante, la basse tension a un courant plus important que la haute tension. Un courant plus important produit plus de pertes au transport, c'est ainsi que la distribution de l'électricité se fait sous haute tension.

Il existe différents types de transformateurs: les transformateurs à circuit accordé utilisés pour l'amplification de signaux haute fréquence (radio, télévision, etc), les transformateurs d'impédance utilisés dans certains montages électroniques,... Nous nous limitons ici aux transformateurs industriels utilisés dans la distribution de l'électricité.

Transformateurs triphasés

La plupart des transformateurs triphasés ont trois colonnes bobinées: ce type de transformateur est dit à flux liés. On l'utilise principalement dans les grosses installations où la consommation sur les phases est pratiquement identique. Ce type de transformateur est moins recommandé en cas de charge qui peut être asymmétrique. On utilise alors deux colonnes supplémentaires non bobinées permettant aux flux parasite de fermer le circuit (transformateur à flux libre).

Dans un transformateur à 3 colonnes, la colonne centrale est généralement moins épaisse que les colonnes externes pour avoir une réluctance identique dans les trois bobinages (permet d'avoir un courant à vide identique dans les trois phases).

Transfos monophasés dans un réseau triphasé

La distribution d'électricité se faisant en triphasé, la plupart des transformateurs sont également triphasés qui permettent d'éliminer une partie du fer et du cuivre (et donc de réduire les pertes). Ces transformateurs travaillent toujours en flux libre puisque le champ magnétique peut varier légèrement d'un transfo à l'autre selon la charge des phases.

Ce n'est que quand il faut transformer une puissance tellement élevée qu'il ne serait plus possible de transporter le transformateur ainsi fabriqué qu'on utilise trois transformateurs monophasés (transformateurs de sortie d'une centrale électrique). S'il est prévu d'augmenter la puissance dans quelques années, on peut travailler avec deux transfos, pour rajouter le troisième quand la demande augmente (montage en triangle uniquement).

On emploie surtout des transfos monophasés dans les installations spécifiques (par exemple les transformateurs à déphasage).

L'emploi de transfos monophasés dans une installation triphasée permet d'augmenter la fiabilité de l'ensemble. En prévoyant un transfo monophasé supplémentaire on peut faire l'entretien d'un transfo (déconnecté du réseau) tandis que le transfo de réserve prend la relève.

On utilise les deux types de couplage standards comme pour les moteurs et les générateurs: le couplage en étoile (Wye) et le couplage en triangle (Delta), mais il existe un couplage supplémentaire qui n'est utilisé que pour les transformateurs: le couplage zig-zag: couplage des bobinages du transformateur.

Autotransformateurs

Les autotransformateurs ont un bobinage combiné primaire-secondaire. Le rapport de transformation se calcule comme avec un transformateur classique et il est possible de réduire ou d'augmenter la tension. L'avantage d'un autotransformateur est qu'il y a moins de pertes au cuivre. On peut éventuellement réduire la section des bobinages. L'inconvénient est qu'il n'y a pas de séparation galvanique entre le primaire et le secondaire.

Les autotransformateurs sont utilisés aussi bien en monophasé qu'en triphasé. Il ne sont utilisés que quand le rapport de transformation est limité à 1:2 au maximum, un exemple sont les transformateurs de déménagement 110/220V. Pour les rapports plus importants, le gain n'est plus aussi interessant.

Les transformateurs de sécurité qui doivent fournir une faible tension ont toujours des bobinages séparés (pour les jouets, les appareils dont le secondaire est mis à la masse comme les chaines hifi,...)


Le transfo à droite est un autotransformateur triphasé utilisé pour le démarrage de moteurs (une alternative au branchement étoile-triangle). Certains moteurs (et en particulier les moteurs dahlander ne permettent pas un démarrage étoile-triangle. Chaque bobinage a 3 connections: un commun (neutre à 0V), une entrée (par exemple 400V) et une sortie (par exemple 300V). Les méthodes de démarrage de gros moteurs industriels sont décrites ici.

Pour mémoire, la tension simple d'un réseau triphasé 400V est de 230V. L'autotransformateur de démarrage permet donc d'utiliser un autre rapport de tension pendant le démarrage en comparaison du démarrage étoile-triangle. Les autotransformateurs de démarrage sont par exemple utilisés avec les gros moteurs qui doivent parfois démarrer en charge (compresseurs en 400/310V). Le démarrage étoile-triangle classique ne permet pas un couple suffisant.

Les pertes dans un transformateur sont décrites sur cette page.

Autres types de transformateurs

Le modification de la tension de sortie est effectuée par un transformateur survolteur-dévolteur.

Pour transmettre de la puissance à un système en rotation, on utilise un transformateur rotatif.

Le triphasé ne peut pas être transformé aisément en monophasé. Quand une forte puissance monophasée est nécessaire, on utilise souvent un transformateur open delta.

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