Comprendre les transformateurs : principes clés et applications pratiques

Le transformateur est l'un des composants électriques les plus importants dans un système d'alimentation CA. Aujourd'hui, de nombreux circuits utilisent des transformateurs qui sont essentiels et constituent l'épine dorsale de la manière dont nous alimentons tout. Cet article vous enseignera son principe de fonctionnement, sa structure de base et ses applications afin que vous puissiez trouver le transformateur adapté à vos besoins !

1. Qu'est-ce qu'un transformateur ?

Un transformateur est un dispositif électrique utilisé pour transmettre l'énergie électrique d'un circuit électrique à un autre. De plus, il maintient le facteur de puissance à l'unité et assure que les niveaux de tension restent inchangés dans les deux circuits.

2. Types de transformateurs

Les classifications des types de transformateurs sont les suivantes :

Selon la construction

1. Transformateur à noyau : Les composants du noyau peuvent être constitués de tôles d'acier, de tôles d'acier au silicium ou d'alliages de fer comme l'acier au silicium. Il possède également des bobines cylindriques de fil comme enroulements, avec les enroulements basse tension placés plus près du noyau.
2. Transformateur à enveloppe : C'est un transformateur dans lequel le noyau, la bobine et l'isolation sont logés à l'intérieur d'une enveloppe en aluminium ou en acier. Il prend principalement une forme rectangulaire.

Selon le type d'alimentation

1. Transformateur monophasé : Ce type est un dispositif à un seul enroulement avec une bobine connectée au côté primaire et une autre au côté secondaire du transformateur.
2. Transformateur triphasé : Composé de trois bobines fixées à chaque côté du noyau. De plus, chaque connexion de bobine est réalisée de manière à produire des champs magnétiques mutuellement perpendiculaires.
3. Autotransformateur : Ce type utilise deux enroulements de chaque côté pour la transformation de tension à la fois en élévation et en abaissement.

Selon le type de refroidissement

1. Transformateurs immergés dans l'huile : Ils dissipent la chaleur générée par le courant électrique à travers le milieu de l'huile.
2. Transformateur à noyau d'air : Celui dans lequel la chaleur générée par le courant électrique est dissipée dans l'air.

Selon leur utilisation

1. Transformateur de courant : Utilisé pour mesurer des courants très élevés dans le transport d'énergie électrique.
2. Transformateur de potentiel : Mesure des tensions alternatives très élevées.

Selon leur fonction

1. Transformateur élévateur : Assure la fonction de changer le niveau de tension de bas en haut.
2. Transformateur abaisseur : Assure la fonction de changer le niveau de tension de haut en bas.

3. Applications des transformateurs

Les applications des transformateurs se trouvent dans :

• Premièrement, l'utilisation industrielle et en laboratoire et la régulation de tension dans les systèmes d'alimentation pour augmenter ou diminuer la tension d'alimentation.
• Deuxièmement, la production et la distribution d'énergie électrique, ainsi que les industries minières, pétrolières et gazières.
• Troisièmement, l'élévation ou l'abaissement des tensions alternatives des lignes d'alimentation électrique.
• La technologie radio pour élever ou abaisser les signaux haute fréquence pour la transmission sur de plus longues distances sans perte de puissance du signal. Courant dans les transformateurs audio et commerciaux.
• Enfin, les circuits d'électronique de puissance où ils peuvent fonctionner comme régulateurs de tension automatiques.

4. Structures de base d'un transformateur

Les structures d'un transformateur de base comprennent :

• Noyau feuilleté : Composé de pièces de fer feuilletées disposées de manière à fournir un chemin minimal pour le flux magnétique. Le noyau agit également comme un circuit magnétique fermé.
• Enroulement primaire : Placé autour du noyau dans les deux sens et isolé du noyau. Les bobines sont en fils de cuivre.
• Enroulement secondaire : Placé autour du primaire et isolé de lui, dans le même sens ou avec une polarité inverse par rapport au primaire.

Construction de base d'un transformateur :

Un transformateur se compose de deux ou plusieurs bobines (enroulements) enroulées autour d'un noyau en acier feuilleté. Les enroulements d'entrée (enroulement primaire) se connectent à une borne de la source d'alimentation. Les enroulements de sortie (enroulement secondaire) se connectent à travers le circuit de charge.

Voici les étapes de base dans la construction d'un transformateur :

• Premièrement, la fabrication des enroulements primaire et secondaire – Utiliser du ruban isolant ou un revêtement émaillé pour séparer les enroulements de ces bobines les uns des autres.
• Ensuite, le montage de ces bobines sur un noyau en fer doux commun composé de tôles de silicium hautement feuilletées enveloppées de ruban isolant pour réduire les pertes par courants de Foucault. L'assemblage de ces tôles de noyau de transformateur se fait sous forme de bandes. Il est important que les tôles aient une teneur élevée en silicium pour réduire les pertes par hystérésis. De plus, la bobine primaire se connecte à une extrémité du noyau tandis que l'autre se connecte à la bobine secondaire. Des traversées appropriées sont également nécessaires pour l'isolation et la sortie des bornes du réservoir du transformateur.
• Bobines de blindage – Utilisées pour protéger l'enroulement primaire des effets électromagnétiques causés par les tensions induites dans les transformateurs qui peuvent provoquer une défaillance catastrophique. De même, cela se fait en enroulant des rubans isolants supplémentaires des deux côtés de ces bobines.

5. Principe de fonctionnement d'un transformateur

Le principe de base impliqué dans le fonctionnement des transformateurs est la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique : N*dΦ/dt (loi de Faraday), où N est le nombre de spires de la bobine.

La loi stipule qu'un flux électrique est induit dans un circuit fermé lorsque le flux magnétique lié à celui-ci change. Ce phénomène résulte de l'inductance mutuelle des courants présents à travers ces deux circuits. Voici l'explication :

Lorsqu'un courant électrique traverse l'enroulement primaire, il crée un champ magnétique autour de cet enroulement. Par conséquent, il produit un flux magnétique autour de la bobine primaire. Ensuite, le noyau du transformateur fournit un chemin pour ce flux afin de relier les enroulements. Cependant, tout le flux ne se lie pas avec l'enroulement secondaire et est donc appelé flux de fuite. Par la suite, une induction de tension sur la bobine secondaire se produit. Cela est dû à l'induction mutuelle entre les bobines enroulées sur un noyau en fer commun par couplage dans le noyau magnétique.

Ce processus crée une force électromotrice induite car elle tente de s'opposer au passage du courant à travers elle et vice versa. La tension induite dans la bobine secondaire agit comme une charge pour l'enroulement primaire.

Note : Un transformateur est un dispositif statique ; ainsi, les changements de niveau de tension se produisent par induction magnétique, et non par le mouvement de ses matériaux solides.

Voyons maintenant les termes importants lorsqu'on traite avec des transformateurs.

Rapport de transformation dans les transformateurs

Le rapport du nombre de spires dans l'enroulement primaire à celui dans la bobine secondaire. Ce nombre indique combien de fois le niveau de tension diminue dans le circuit primaire après avoir été abaissé à travers le transformateur.

Sa représentation est X/Y. « X » désigne le nombre de spires dans la bobine primaire (Np) et « Y » désigne le nombre de spires dans la bobine secondaire (Ns). En supposant qu'il s'agit d'un transformateur idéal.

Formule : Np/Ns = n = Rapport de transformation

Par exemple, s'il y a 100 spires dans la bobine primaire et 50 spires dans la secondaire, ce rapport s'exprime par 100/50.

Cela signifie qu'un transformateur avec un rapport d'élévation aura moins de spires du côté secondaire que du primaire. Cependant, l'inverse est vrai pour un transformateur avec un rapport d'abaissement.

Ratio du transformateur

Le rapport de la tension secondaire à la tension primaire est le ratio du transformateur. L'expression du ratio de transformation de tension est en volts/volts ou ampères/ampères, et cela dépend du type de résistance de charge connectée à la bobine secondaire.

La formule de calcul :

Ratio du transformateur = (V/V ou V/A résistance de charge secondaire) / (V primaire ou A primaire)

Par exemple : La tension aux bornes d'un enroulement secondaire est de 100 volts, et le courant qui le traverse est de 20 ampères. Alors, le ratio du transformateur de ce circuit particulier sera de 100/20.

Note : Le niveau maximal de courant ou de tension aux bornes d'un enroulement secondaire dans un transformateur fait référence au courant ou à la tension nominale. Cette évaluation du circuit secondaire détermine sa capacité de travail maximale. Et détermine s'il convient aux applications haute tension ou faible courant.

Efficacité du transformateur

C'est le rapport du travail effectué par un transformateur sur la puissance d'entrée à celle générée dans l'enroulement secondaire.

Son expression est en pourcentage.

La formule est :

Efficacité = (Puissance de sortie / Puissance d'entrée) x 100

Par exemple, considérez la puissance d'entrée d'un transformateur à 100 watts et l'enroulement secondaire génère 80 watts. Alors, l'efficacité de ce circuit particulier sera de 80 %. Cela signifie qu'il y a une perte d'énergie de 20 % lorsque la puissance circule du côté primaire-secondaire du transformateur.

Notez que les niveaux de puissance d'entrée et de sortie du transformateur doivent être les mêmes pour que ce ratio reste valide. C'est-à-dire que les courants primaire et secondaire doivent avoir la même valeur. Si le courant d'entrée est supérieur à la sortie, l'efficacité du transformateur sera inférieure à 100 % et vice versa.

Équation de la force électromotrice d'un transformateur

La force électromotrice (fem) est simplement le rapport de la tension d'entrée à la tension de sortie dans un transformateur. Son expression est en termes de volts/volt ou ampères/ampère.

Par exemple, considérez la tension d'entrée du transformateur comme 100 volts et la tension de sortie à 95 volts. Alors, la fem de retour de ce circuit particulier sera de 95/100 ou 0,95 fois la tension d'entrée. Cela signifie qu'il y a une perte de 0,05 volt en énergie lorsque la puissance circule du primaire au secondaire du transformateur.

La formule pour trouver la fem aux bornes d'une bobine secondaire d'un transformateur est :

E = N * delta / Turns^n

Où :

• E : force électromotrice en volts.
• N : nombre de spires dans l'enroulement primaire.
• Delta/Turns^n : rapport de transformation des bobines primaire et secondaire.

Vous pouvez écrire l'équation ci-dessus comme E = N * Turns^(n-x)

Où « n » désigne le nombre de spires dans la bobine secondaire, et « x » est égal à (N-n). Cette équation montre que la fem aux bornes d'un enroulement secondaire est directement proportionnelle aux spires primaires et inversement proportionnelle à (N-n).

Puissance électrique dans un transformateur

Le calcul de la puissance électrique dans un transformateur est facile, en utilisant la formule : Puissance = Tension x Courant.

Où « Puissance » désigne la puissance d'entrée et « Tension » et « Courant » désignent la tension et le courant d'entrée.

Par exemple : Considérez la puissance nominale du transformateur comme 100 watts et la tension aux bornes de son enroulement primaire à 400 volts. Alors, le courant qui le traverse sera de 0,25 ampères car puissance = tension x courant. Comme vous pouvez le voir ici, le courant consommé par un transformateur est très faible par rapport à sa puissance nominale.

6. Résumé

Nous avons donné des informations sur ce que font les transformateurs et comment ils fonctionnent dans cet article. Si vous êtes intéressé par l'apprentissage de votre projet lié aux transformateurs, contactez-nous ! Notre équipe est toujours heureuse de répondre à vos questions.