Le transformateur

Le transformateur
Intérêt du transformateur
Un transformateur électrique est un convertisseur alternatif, isolé. Il permet de modifier les valeurs de
tension délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un système de tension et de courant
de valeurs différentes, mais de même fréquence et de même forme.
Principe du transformateur statique
Un transformateur est construit à partir d'un circuit magnétique sur lequel sont bobinés deux enroulements :
- Un enroulement primaire qui reçoit l'énergie électrique alternative et la transforme en énergie magnétique
par induction.
- Un enroulement secondaire qui, traversé par le champ
magnétique produit par le primaire, fournit une tension
alternative de même fréquence mais d'amplitude supérieure
ou inférieure à la tension primaire.
Un transformateur qui produit une tension plus grande est dit
élévateur de tension, à l'inverse il est dit abaisseur de
tension.
Vu du secondaire un transformateur peut être considéré
comme un générateur de tension alternative.
Un transformateur peut comporter plusieurs enroulements
secondaires.
Rapport de transformation
Exemple : un transformateur d'alimentation prévu pour être
branché sur 230 volts fournit une tension de 12 volts au
secondaire.
Par définition le rapport de transformation k est obtenu en divisant la tension au secondaire par la tension
au primaire suivant la formule : k = Ns/Np = Us/Up (N: nombre de spires)
Pour notre exemple, le rapport de transformation est de 0,052, c'est un transfo abaisseur de tension.
Le transformateur idéal et le transformateur réel
Par rapport au transformateur réel, le transformateur idéal n'a pas de pertes. Toute la puissance qu'il
absorbe au primaire est restituée au secondaire. La somme des puissances fournies par chacun des
secondaires est égale à la puissance absorbée par le primaire.
Ip
Pp = Ps ⇔ k = Us =
Up Is
En réalité le rendement du transformateur est toujours inférieur à 1. C'est le rapport de la puissance fournie
par la puissance absorbée :
Il est de l'ordre de 0,5 à 0,8 (50 à 80%) pour les petits transfos et de plus de 0,9
pour les plus puissants (>1000 VA).
La différence entre la puissance au primaire Pp et la puissance au secondaire Ps est
représenté par les pertes qui se décomposent entre :
- Pertes par effet Joule dans les enroulements primaires et secondaires.
- Pertes fer dans le circuit magnétique (par courant de Foucault, par hystérésis...).
Les pertes fer peuvent être réduites en utilisant des matériaux à faible pertes et en feuilletant le circuit
magnétique à l'aide de tôles minces.
La puissance P est la puissance apparente (au secondaire) exprimée en VA (volt-ampère).
S = U.I (valeurs efficaces)
Synthèse Transformateur
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Circuit magnétique
Pour les transformateurs reliés au secteur de distribution, cette fréquence est de 50 ou 60 hertz. Le
circuit magnétique est généralement feuilleté pour réduire les pertes par courants de Foucault, qui
dépendent de l'amplitude du signal et de sa fréquence. Pour les transformateurs les plus courants,
les tôles empilées ont la forme de E et de I, permettant ainsi de glisser une bobine à l'intérieur des
fenêtres du circuit magnétique ainsi constitué.
Enroulement secondaire
Enroulement primaire
Les circuits magnétiques des transformateurs « haut de gamme » ont la forme d'un tore. Le
bobinage des tores étant plus délicat, le prix des transformateurs toroïdaux est nettement plus
élevé.
Transformateur torique
Le noyau est un ruban spiralé de tôle au silicium à grains orientés. Il n'y a pas d'entrefer, pas de tôles
libres pour produire du ronflement.
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Les pertes fer sont très faibles, le courant magnétisant et donc l'échauffement sont réduits.
La densité de flux est plus élevée parce que le flux magnétique est orienté dans la direction de la
tôle spiralée à grains orientés, d'où une considérable réduction du poids et du volume du noyau.
Tous les enroulements sont répartis de façon symétrique sur la totalité du noyau, les longueurs de
fil en sont plus courtes.
Une meilleure densité de courant dans les enroulements est permise, car ils utilisent la totalité du
noyau comme surface d'échange thermique.
L'économie de matériaux participe à la compétitivité du produit.
Synthèse Transformateur
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Transformateurs et autotransformateurs
Voici les schémas de quelques transformateurs:
(a) : Transformateur simple avec un primaire et un secondaire,
réversible, puisque le primaire peut faire office de secondaire et
vice-versa. En respectant la tension du secondaire pour laquelle
il a été prévu.
Exemple: un TR de 230/12 (12VA) fournira 12Vac (1A max) et
nécessitera un fusible (temporisé) au primaire de 100mA (250V).
(b) : Enroulement à prise intermédiaire, qui peut être une prise
médiane si elle partage rigoureusement en deux l'enroulement.
(c) : transformateur à deux enroulements secondaires séparés.
on peut imaginer des transformateurs avec autant de
secondaires que nécessaire.
Exemple: Pour TR: 230/2x12 (12VA) peut fournir:
24V (0.5A) avec secondaires en série ou 12 (1A) avec secondaires en parallèle ou encore 2 x 12 (0.5A).
Autre exemple : Alimentation d'ampli haut de gamme à lampes.
230V 50Hz
(d) : Autotransformateur : en branchant le secteur entre les prises 0 et 220V il est possible d'obtenir 350V
entre les prises 0 et 350 volts de même qu'on obtiendra 350-220=130 volts entre les prises 220 et 350
volts. L'utilisation d'un autotransformateur est dangereux car il n'isole pas le secteur de l'utilisation : en
touchant à la fois la borne 350 V et la terre du bâtiment on risque l'électrocution.
Synthèse Transformateur
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