Transformateurs élévateurs et abaisseurs

Remarquez comment la tension secondaire est environ dix fois inférieure à la tension primaire (0,9962 volt contre 10 volts), tandis que le courant secondaire est environ dix fois plus élevé (0,9962 mA contre 0,09975 mA).

Ce que nous avons ici est un appareil qui abaisse la tension vers le bas par un facteur de dix et actuel up par un facteur dix :

Un rapport de tours de 10:1 donne un rapport de tension primaire:secondaire de 10:1 et un rapport de courant primaire:secondaire de 1:10.

Que sont les transformateurs élévateurs et abaisseurs ?

C'est un appareil très utile, en effet. Avec lui, nous pouvons facilement multiplier ou diviser la tension et le courant dans les circuits alternatifs. En effet, le transformateur a fait de la transmission longue distance de l'énergie électrique une réalité pratique, car la tension alternative peut être « augmentée » et le courant « diminué » pour réduire les pertes de puissance par résistance de fil le long des lignes électriques reliant les centrales électriques aux charges.

À chaque extrémité (à la fois du générateur et des charges), les niveaux de tension sont réduits par des transformateurs pour un fonctionnement plus sûr et un équipement moins coûteux.

Un transformateur qui augmente la tension du primaire au secondaire (plus de tours d'enroulement secondaire que de tours d'enroulement primaire) s'appelle un step-up transformateur.

Inversement, un transformateur conçu pour faire exactement le contraire s'appelle un abaisseur transformateur.

Réexaminons une photographie montrée dans la section précédente :

La section transversale du transformateur montrant les enroulements primaire et secondaire mesure quelques pouces de haut (environ 10 cm).

Il s'agit d'un transformateur abaisseur, comme en témoignent le nombre élevé de tours de l'enroulement primaire et le faible nombre de tours du secondaire. En tant qu'unité abaisseur, ce transformateur convertit une alimentation haute tension à faible courant en une alimentation basse tension et haute intensité.

Le fil de plus gros calibre utilisé dans l'enroulement secondaire est nécessaire en raison de l'augmentation du courant. L'enroulement primaire, qui ne doit pas conduire autant de courant, peut être constitué de fil de plus petit calibre.

Réversibilité du fonctionnement du transformateur

Au cas où vous vous poseriez la question, c'est l'est possible de faire fonctionner l'un ou l'autre de ces types de transformateurs à l'envers (alimenter l'enroulement secondaire avec une source CA et laisser l'enroulement primaire alimenter une charge) pour effectuer la fonction opposée :un élévateur peut fonctionner comme un abaisseur et vice-versa.

Cependant, comme nous l'avons vu dans la première section de ce chapitre, le fonctionnement efficace d'un transformateur nécessite que les inductances d'enroulement individuelles soient conçues pour des plages de fonctionnement spécifiques de tension et de courant, donc si un transformateur doit être utilisé "à l'envers" comme celui-ci, il doit être utilisé dans les paramètres de conception d'origine de tension et de courant pour chaque enroulement, de peur qu'il ne s'avère inefficace (ou qu'il ne soit endommagé par une tension ou un courant excessif !).

Étiquettes de construction de transformateur

Les transformateurs sont souvent construits de telle manière qu'il n'est pas évident de savoir quels fils mènent à l'enroulement primaire et lesquels mènent au secondaire. Une convention utilisée dans l'industrie de l'énergie électrique pour aider à atténuer la confusion est l'utilisation des désignations « H » pour l'enroulement à tension plus élevée (l'enroulement primaire dans une unité abaisseur ; l'enroulement secondaire dans une unité élévateur) et « X » désignations pour l'enroulement à basse tension.

Par conséquent, un simple transformateur de puissance aura des fils étiquetés "H₁ ”, “H₂ ”, “X₁ ”, et “X₂ ”. Il est généralement important pour la numérotation des fils (H₁ contre H₂ , etc.), que nous explorerons un peu plus loin dans ce chapitre.

Importance pratique des transformateurs élévateurs et abaisseurs

Le fait que la tension et le courant soient « augmentés » dans des directions opposées (l'un vers le haut, l'autre vers le bas) est parfaitement logique lorsque vous vous rappelez que la puissance est égale à la tension multipliée par le courant et que vous vous rendez compte que les transformateurs ne peuvent pas produire puissance, convertissez-la seulement.

Tout appareil qui pourrait produire plus d'énergie qu'il n'en consomme enfreindrait la Loi de la conservation de l'énergie en physique, à savoir que l'énergie ne peut pas être créée ou détruite, seulement convertie. Comme pour le premier exemple de transformateur que nous avons examiné, l'efficacité du transfert de puissance est très bonne du côté primaire au côté secondaire de l'appareil.

L'importance pratique de ceci est rendue plus évidente lorsqu'une alternative est envisagée :avant l'avènement de transformateurs efficaces, la conversion de niveau de tension/courant ne pouvait être réalisée qu'en utilisant des ensembles moteur/générateur.

Un dessin d'un groupe électrogène révèle le principe de base impliqué :(Figure ci-dessous)

=

Le générateur de moteur illustre le principe de base du transformateur.

Dans une telle machine, un moteur est couplé mécaniquement à un générateur, le générateur étant conçu pour produire les niveaux de tension et de courant souhaités à la vitesse de rotation du moteur.

Alors que les moteurs et les générateurs sont des dispositifs assez efficaces, l'utilisation des deux de cette manière aggrave leurs inefficacités de sorte que le rendement global est de l'ordre de 90 % ou moins. De plus, comme les groupes électrogènes nécessitent évidemment des pièces mobiles, l'usure mécanique et l'équilibre sont des facteurs influençant à la fois la durée de vie et les performances.

Les transformateurs, d'autre part, sont capables de convertir des niveaux de tension et de courant alternatifs à des rendements très élevés sans pièces mobiles, rendant possible la distribution et l'utilisation généralisées de l'énergie électrique que nous tenons pour acquises.

En toute honnêteté, il convient de noter que les groupes électrogènes n'ont pas nécessairement été obsolètes par les transformateurs pour tous candidatures.

Bien que les transformateurs soient clairement supérieurs aux ensembles moteur/générateur pour la conversion de tension alternative et de niveau de courant, ils ne peuvent pas convertir une fréquence de courant alternatif en une autre, ou (par eux-mêmes) convertir le courant continu en courant alternatif ou vice-versa.

Les groupes électrogènes peuvent faire toutes ces choses avec une relative simplicité, bien qu'avec les limitations d'efficacité et les facteurs mécaniques déjà décrits.

Les ensembles moteur/générateur ont également la propriété unique de stocker l'énergie cinétique :c'est-à-dire que si l'alimentation électrique du moteur est momentanément interrompue pour une raison quelconque, son moment angulaire (l'inertie de cette masse en rotation) maintiendra la rotation du générateur pendant une courte durée. , isolant ainsi toutes les charges alimentées par le générateur des « problèmes » dans le système d'alimentation principal.

Analyse du fonctionnement des transformateurs élévateurs et abaisseurs

En regardant de près les chiffres de l'analyse SPICE, nous devrions voir une correspondance entre le rapport du transformateur et les deux inductances. Remarquez comment l'inductance primaire (l1) a 100 fois plus d'inductance que l'inductance secondaire (10000 H contre 100 H), et que le rapport d'abaissement de tension mesuré était de 10 à 1.

L'enroulement avec plus d'inductance aura une tension plus élevée et moins de courant que l'autre.

Étant donné que les deux inductances sont enroulées autour du même matériau de noyau dans le transformateur (pour le couplage magnétique le plus efficace entre les deux), les paramètres affectant l'inductance pour les deux bobines sont égaux à l'exception du nombre de tours dans chaque bobine.

Si nous regardons à nouveau notre formule d'inductance, nous voyons que l'inductance est proportionnelle au carré du nombre de tours de bobine :

Ainsi, il devrait être évident que nos deux inductances dans le dernier exemple de circuit de transformateur SPICE - avec des rapports d'inductance de 100:1 - devraient avoir des rapports de tour de bobine de 10:1, car 10 au carré est égal à 100.

Cela correspond au même rapport que nous avons trouvé entre les tensions et courants primaires et secondaires (10:1), nous pouvons donc dire en règle générale que le rapport de transformation de tension et de courant est égal au rapport des tours d'enroulement entre le primaire et le secondaire.

Transformateur abaisseur :(plusieurs tours :quelques tours).

L'effet d'augmentation/d'abaissement des rapports de rotation de bobine dans un transformateur est analogue aux rapports de dents d'engrenage dans les systèmes d'engrenages mécaniques, transformant les valeurs de vitesse et de couple de la même manière :

Le train d'engrenages à réduction de couple réduit le couple tout en accélérant.

Les transformateurs élévateurs et abaisseurs à des fins de distribution d'énergie peuvent être gigantesques par rapport aux transformateurs de puissance illustrés précédemment, certaines unités atteignant la hauteur d'une maison. La photographie suivante montre un transformateur de sous-station mesurant environ douze pieds de haut :

Transformateur de poste.

AVIS :

• Les transformateurs « élèvent » ou « abaissent » la tension en fonction des rapports de spires des fils primaires et secondaires.

• Un transformateur conçu pour augmenter la tension du primaire au secondaire s'appelle un élévateur transformateur. Un transformateur conçu pour réduire la tension du primaire au secondaire est appelé un abaisseur transformateur.
• Le rapport de transformation d'un transformateur sera égal à la racine carrée de son rapport d'inductance primaire/secondaire (L).

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les transformateurs d'augmentation, de diminution et d'isolement