Transformateurs élévateurs et abaisseurs expliqués : tension, courant et distribution de puissance

Les sections précédentes illustraient des simulations de transformateurs où les enroulements primaire et secondaire avaient une inductance égale, résultant en tension et courant approximativement égaux des deux côtés.

Lorsque les inductances diffèrent, le transformateur se comporte différemment.

transformateur v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 10000 l2 3 5 100 k l1 l2 0.999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 1k .ac lin 1 60 60 .print ac v(2,0) i(v1) .print ac v(3,5) i(vi1) .end

freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 9.975E-05 Enroulement primaire freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E-01 9.962E-04 Enroulement secondaire

Remarquez comment la tension secondaire est environ dix fois plus faible que la tension primaire (0,9962 V vs 10 V), tandis que le courant secondaire est environ dix fois plus fort (0,9962 mA vs 0,09975 mA).

C'est un transformateur abaisseur classique : il réduit la tension d'un facteur dix et augmente le courant du même facteur.

Rapport de spires de 10:1 produisant un rapport de tension primaire-secondaire de 10:1 et un rapport de courant de 1:10.

Que sont les transformateurs élévateurs et abaisseurs ?

Les transformateurs sont indispensables aux systèmes électriques modernes. En élevant la tension et en abaissant le courant, ils permettent une transmission efficace sur de longues distances, minimisant les pertes en ligne et permettant l'utilisation d'une puissance haute tension, faible courant sur de vastes réseaux.

Aux deux extrémités — centrale de production et côté consommateur — des transformateurs dédiés réduisent la tension à des niveaux plus sûrs et plus économiques.

Un transformateur qui élève la tension du primaire au secondaire (plus de spires au secondaire que au primaire) est appelé transformateur élévateur. L'opposé, qui abaisse la tension, est un transformateur abaisseur.

Coupe du transformateur : primaire (nombreuses spires) et secondaire (peu de spires).

Dans un unité abaisseuse, le secondaire doit supporter le courant plus élevé, il est donc bobiné avec un fil de plus gros calibre, tandis que le primaire peut utiliser un fil plus fin.

Réversibilité du fonctionnement du transformateur

Les transformateurs peuvent, en principe, être exploités en sens inverse — appliquer du AC au secondaire et tirer la puissance du primaire. Cela peut transformer un élévateur en abaisseur et vice versa, à condition que les tensions et courants d'enroulement restent dans leurs limites de conception d'origine pour éviter inefficacité ou dommage.

Étiquetage de construction des transformateurs

La pratique industrielle étiquette souvent les enroulements pour éviter la confusion. L'enroulement à tension plus élevée reçoit une désignation « H » (H1, H2, …), tandis que l'enroulement à tension plus faible est étiqueté « X » (X1, X2, …). Ces conventions aident les techniciens à identifier les conducteurs primaire et secondaire, surtout dans les installations complexes.

Signification pratique des transformateurs élévateurs et abaisseurs

Les transformateurs ne font que redistribuer la puissance existante ; ils ne la créent pas. Le produit de la tension et du courant (puissance) reste constant — sous réserve de quelques pourcents de pertes dues aux pertes noyau et cuivre — honorant la loi de conservation de l'énergie.

Avant l'existence de transformateurs efficaces, les ensembles moteur-générateur effectuaient la conversion de tension. Bien qu'efficaces, ces machines impliquaient deux étapes de conversion, réduisant l'efficacité globale à environ 90 % ou moins et introduisant l'usure mécanique.

En contraste, les transformateurs n'ont pas de pièces mobiles, atteignent des rendements élevés (souvent >98 %), et sont essentiels pour la distribution fiable et économique de l'électricité.

Cependant, les transformateurs ne peuvent pas changer la fréquence de la puissance AC ou convertir entre AC et DC. Pour de telles tâches, des ensembles moteur-générateur ou l'électronique de puissance sont requis.

Les ensembles moteur-générateur fournissent aussi un stockage d'énergie cinétique : si l'alimentation primaire est interrompue, la masse tournante peut continuer à entraîner le générateur brièvement, lissant les glitches transitoires.

Analyse du fonctionnement des transformateurs élévateurs et abaisseurs

Les résultats SPICE illustrent que le rapport d'inductance des enroulements détermine les rapports de tension et de courant. Dans notre exemple, l'inductance primaire (l1) est de 10 000 H contre 100 H pour le secondaire — un rapport d'inductance de 100:1.

Puisque l'inductance est proportionnelle au carré du nombre de spires (L ∝ N²), un rapport d'inductance de 100:1 correspond à un rapport de spires de 10:1. Par conséquent, le rapport de tension et le rapport de courant égalent également 10:1.

Inductance ∝ N².

Ainsi, le rapport de transformation du transformateur est simplement le rapport du primaire au secondaire en nombre de spires.

Transformateur abaisseur : nombreuses spires au primaire, peu de spires au secondaire.

Comme les trains d'engrenages qui échangent vitesse et couple, les rapports de spires des transformateurs échangent tension contre courant (ou vice versa).

Analogie d'engrenages : réduction du couple tout en augmentant la vitesse.

Les grands transformateurs de distribution de puissance peuvent être de la taille d'une maison. L'image ci-dessous montre un transformateur de sous-station d'environ douze pieds de haut.

Transformateur de sous-station.

Récapitulatif

• Les transformateurs changent la tension par le rapport des spires primaire à secondaire.
• Un transformateur élévateur augmente la tension ; un transformateur abaisseur la diminue.
• Le rapport de transformation équivaut à la racine carrée du rapport d'inductance primaire-secondaire.

Voir la Fiche d'exercices sur les transformateurs élévateurs, abaisseurs et d'isolation pour des problèmes d'entraînement.