Transformateur – son fonctionnement, sa construction, ses types et ses utilisations

Les transformateurs sont des appareils électriques qui convertissent la tension à une valeur supérieure ou inférieure tout en maintenant idéalement la puissance constante.

Ils font partie intégrante d’un système électrique et leur application peut être observée dans presque tous les domaines de l’ingénierie électrique allant des systèmes d’alimentation électrique aux appareils ménagers courants.

Pourquoi en avons-nous besoin ?

Avec le développement des sources d’alimentation CA, le besoin de transformateurs est également né. Dans les premiers temps, la transmission de l’alimentation en courant continu a été effectuée, ce qui a entraîné de plus grandes pertes et une faible efficacité. Avec l’invention du transformateur, ce problème est résolu et la transmission de courant alternatif est devenue importante.

Cependant, en augmentant les tensions de transmission à l’aide d’un transformateur, ce problème a été résolu. Une augmentation de tension s’accompagne d’une diminution du courant pour maintenir la puissance constante dans un transformateur.

Et les pertes de puissance étant directement proportionnelles au carré du courant, il en résulte une diminution du courant d’un facteur 10, réduisant par conséquent les pertes d’un facteur 100. En effet, sans transformateurs, nous n’aurions pas pu utiliser l’énergie électrique telle que nous l’utilisons maintenant.

C’est pourquoi nous produisons de l’électricité à des tensions allant jusqu’à 11 à 25 kV, puis augmentons ces tensions à 132 220 ou 500 kV pour une transmission avec des pertes minimales, puis nous abaissons la tension pour une utilisation résidentielle et commerciale sûre.

Construction d’un transformateur:

Un transformateur se compose principalement d’un noyau, d’enroulements et d’un réservoir, cependant, des bagues, des respirateurs, des radiateurs et des conservateurs sont également présents dans certains transformateurs.

Noyau: Un noyau de transformateur est en fer doux ou en acier au silicium qui fournit un chemin de faible réluctance (les lignes de champ magnétique peuvent facilement les traverser).

Les noyaux de transformateur sont stratifiés pour réduire les pertes par courants de Foucault, les tôles ont généralement une épaisseur de 2,5 mm à 5 mm et sont isolées les unes des autres et des enroulements par un revêtement d’oxyde, de phosphate ou de vernis. Le noyau est construit avec les tôles de différentes formes telles que E, L, I, C et U.

Dans les transformateurs de type coquille, le noyau entoure ou recouvre les enroulements comme une coquille.

Dans les transformateurs de type noyau, les enroulements sont enroulés autour des deux branches ou rectangles du noyau.

Enroulements:

Un transformateur monophasé à 2 enroulements comporte généralement 2 enroulements, primaire et secondaire, fabriqués à partir de cuivre toronné de haute qualité. Les enroulements sont enroulés autour du noyau et n’ont aucun contact électrique les uns avec les autres.

Ils peuvent également être appelés enroulements haute tension et Basse tension respectivement, l’enroulement haute tension ayant une isolation plus grande que l’enroulement basse tension.

Principe de fonctionnement:

Le principe de fonctionnement de base d’un transformateur est le travail d’induction mutuelle entre les enroulements primaire et secondaire qui sont reliés par un flux magnétique commun à travers le noyau du transformateur. Le noyau fournit un chemin de faible réluctance pour le passage du flux magnétique.

L’enroulement relié à la source peut être considéré comme un enroulement primaire et le courant qu’il transporte peut être considéré comme ayant un champ magnétique propre.

Ce champ magnétique est créé à travers le noyau et change de direction en raison des courants alternatifs, et maintenant selon la loi de Faraday de l’induction électromagnétique:

” La vitesse de variation de la liaison de flux par rapport au temps est directement proportionnelle à la CEM induite dans un conducteur ou une bobine”

Cette variation du champ magnétique induit une tension sur la bobine secondaire qui est proportionnelle au nombre de spires sur les enroulements. Cela peut être compris par l’équation suivante:

E = N dϕ/dt

Où,

E = EMF induite

N = le nombre de tours

dϕ = Changement de flux

dt = Changement de temps

Une fois que l’enroulement secondaire est connecté à une charge, le le circuit sera terminé et le courant commencera à le traverser.

Rapport de tours de transformateur:

Les deux enroulements sur un transformateur, c’est-à-dire primaire et secondaire, ont un nombre spécifique de tours. Le rapport entre le nombre de tours de l’enroulement primaire et le nombre de tours de l’enroulement secondaire est connu sous le nom de rapport de tours.

Transformateur idéal:

Un transformateur idéal est un transformateur qui donne une puissance de sortie exactement égale à la puissance d’entrée. Cela signifie qu’il n’a aucun type de perte.

Les transformateurs idéaux n’existent pas et ne sont utilisés que pour simplifier les calculs des transformateurs. Leur rapport de tension peut être modélisé par ces équations simples:

En quoi un transformateur idéal est-il différent d’un transformateur réel?

En réalité, nous avons des transformateurs qui consistent en quelques pertes de puissance; par conséquent, la puissance de sortie n’est jamais égale à la puissance d’entrée du transformateur.

Les transformateurs réels ont une certaine valeur de résistance à l’enroulement, de flux de fuite, et ont également des pertes de cuivre et de noyau que nous avons discutées ici.

Circuit équivalent Transformateur:

Un circuit équivalent d’un transformateur est une représentation simplifiée d’un transformateur comprenant les résistances et les réactances.

Un circuit équivalent nous aide à effectuer des calculs de transformateur car l’analyse de circuit de base peut maintenant être appliquée à un transformateur.

Lisez notre dernier article pour en savoir plus sur le circuit équivalent.

Efficacité:

L’efficacité du transformateur est le rapport entre la puissance de sortie du transformateur et la puissance d’entrée.

Il est donné par

Ou

Où

Comme le sera la puissance de sortie toujours inférieure à la puissance d’entrée, l’efficacité du transformateur se situera toujours entre 0 et 100% tandis qu’un transformateur idéal aura une efficacité de 100%.

Pour calculer l’efficacité du transformateur à partir d’un circuit équivalent, il suffit d’ajouter les pertes de cuivre et les pertes de noyau à l’équation d’efficacité pour obtenir l’équation suivante:

Régulation de Tension:

Il est également important de savoir que parce qu’un transformateur a des impédances en série à l’intérieur, il aura également des chutes de tension à travers eux. Cela se traduira par une tension de sortie variable avec la charge variable même si la tension d’entrée est maintenue constante.

La quantité qui compare la tension de sortie à vide à la tension de sortie à pleine charge est appelée régulation de tension.

Il peut être calculé à partir de l’équation suivante:

Où

Il convient de noter qu’un transformateur idéal aura une régulation de tension de 0%.

Types de transformateurs et leurs applications

Transformateur élévateur: Ces transformateurs augmentent le niveau de tension inférieur du côté primaire à une valeur de tension supérieure du côté secondaire. Dans ce cas, le bobinage secondaire a un plus grand nombre de spires que le bobinage primaire.

Ceux-ci sont principalement utilisés dans les centrales où la tension générée d’environ 11 kV est augmentée à 132 kV ou plus pour la transmission

Transformateur abaisseur: Les transformateurs abaisseurs réduisent la haute tension du côté primaire à une valeur de tension inférieure du côté secondaire. Dans ce cas, l’enroulement primaire a un plus grand nombre de spires.

Des transformateurs abaisseurs sont utilisés dans les stations de réseau pour réduire les tensions de transmission élevées à une valeur inférieure appropriée pour la distribution et l’utilisation. Ils peuvent également être trouvés sur nos chargeurs mobiles.

Les autres types comprennent les transformateurs de puissance, les transformateurs de distribution, les transformateurs de type noyau, les transformateurs monophasés et triphasés, les transformateurs intérieurs et extérieurs. Vous pouvez consulter notre blog précédent sur les types de transformateurs et leurs applications.

Limitations d’un transformateur:

Il est également important de noter ici qu’un transformateur ne fonctionnera qu’en courant alternatif. En effet, un courant continu (CC) produira un champ magnétique constant au lieu d’un champ magnétique changeant et, par conséquent, aucune CEM ne sera induite dans l’enroulement secondaire.

L’une des initiatives récentes d’AllumiaX est un parrainage d’entreprise pour la plate-forme GeneralPAC qui fournit des tutoriels sur la protection, l’automatisation et les contrôles des systèmes d’alimentation. Ici, vous trouverez la série vidéo de Transformers. Dans cette série, ils passeront en revue l’Introduction à la Connexion du transformateur Delta Wye, l’Introduction à la Connexion du transformateur Wye Wye, l’Introduction à la Connexion du Transformateur Delta Wye et au Courant et aux Tensions de Circulation, L’État de Phase Ouverte dans l’Analyse du Transformateur, La Différence Entre la Forme du Noyau et le Transformateur de Puissance sous Forme de Coque.

Faites-nous savoir si vous avez des questions à ce sujet et faites-nous part de vos commentaires dans les commentaires.

L’embauche d’un ingénieur électricien professionnel pour effectuer une analyse des arcs électriques et une étude des courts-circuits est un excellent moyen d’assurer la sécurité de votre installation et de vos travailleurs contre les incidents indésirables.

AllumiaX, LLC est l’un des principaux fournisseurs d’études de systèmes électriques dans le nord-ouest. Nos services et notre expertise incomparables se concentrent sur la fourniture d’analyses adéquates sur les arcs électriques, la Stabilité transitoire, le Débit de charge, le Circuit d’Obturation, les Courts-circuits, la Coordination, le Réseau au sol et la Qualité de l’alimentation.

Pour en savoir plus sur AllumiaX en détail, suivez-nous sur Facebook, LinkedIn et Twitter et restez à jour avec toutes les dernières nouvelles concernant l’ingénierie électrique.
Appelez-nous: (206) 552-8235