Le transformateur est constitué d’un circuit magnétique sans entrefer sur lequel sont enroulés deux bobinages appelés primaire et secondaire.
Schéma 1 – Transformateur
Le transformateur est utilisé pour modifier l’amplitude de la tension et de l’intensité du courant en régime alternatif.
Fig. 1. – Transformateur domestique.
Fig. 2. – Transformateur source sur un poteau Enedis.
Fig. 3. – Transformateur dans un poste source.
2. Modèle du transformateur idéal
2.1. Présentation du modèle
Dans le modèle du transformateur idéal,
toutes les pertes (cuivre et fer) sont négligées,
le matériau ferromagnétique est doux hors saturation, de perméabilité magnétique infinie,
les lignes de champ sont parfaitement canalisées et
le champ magnétique est de norme uniforme dans le circuit magnétique.
Schéma 2 – Schéma électrique du transformateur idéal
2.2. Loi de transformation des tensions
Point clé 1 – Loi de transformation des tensions ♥︎✍
Hypothèses :
En régime alternatif.
Pour un transformateur idéal.
avec la tension aux bornes du primaire () ; la tension aux bornes du secondaire () ; le rapport de transformation (sans unité) ; le nombre de spires de l’enroulement primaire (sans unité) ; le nombre de spires de l’enroulement secondaire (sans unité).
Application 1 ✍
Quel rapport de transformation doit avoir un transformateur permettant d’alimenter un moteur à partir du secteur ?
Si , le transformateur est dit « élévateur de tension ». Si , le transformateur est dit « abaisseur de tension ».
2.3. Loi de transformation des courants
Point clé 2 – Loi de transformation des courants ♥︎✍
Hypothèse : Pour un transformateur idéal.
avec le courant dans le primaire () ; le courant dans le secondaire () ; le rapport de transformation (sans unité) ; le nombre de spires de l’enroulement primaire (sans unité) ; le nombre de spires de l’enroulement secondaire (sans unité).
Application 2 ✍
Un transformateur permet de passer du réseau moyenne tension à au réseau basse tension . Le courant efficace au secondaire est de . Déterminer le courant efficace au primaire.
2.4. Transfert de puissance entre primaire et secondaire
Point clé 3 – Transfert de puissance ♥︎✍
Hypothèses :
En régime alternatif.
Pour un transformateur idéal.
avec la puissance électrique reçue au primaire () ; la puissance électrique fournie au secondaire ().
Il n’y a pas de perte ni de stockage d’énergie électromagnétique.
2.5. Transfert d’impédance
Afin de simplifier l’analyse des circuits comportant un transformateur, il est possible de déterminer un schéma équivalent ne comportant pas de transformateur.
Point clé 4 – Primaire vu du secondaire ♥︎✍
Hypothèses :
En régime alternatif.
Pour un transformateur idéal.
Les impédances sont multipliées par .
Les tensions sont multipliées par .
Les courants sont multipliés par .
avec le rapport de transformation (sans unité) ; le nombre de spires de l’enroulement primaire (sans unité) ; le nombre de spires de l’enroulement secondaire (sans unité).
Application 3 ✍
Déterminer la tension aux bornes de la résistance dans le montage ci-dessous en fonction de , , et .
Point clé 5 – Secondaire vu du primaire ♥︎✍
Hypothèses :
En régime alternatif.
Pour un transformateur idéal.
Les impédances sont divisées par .
Les tensions sont divisées par .
Les courants sont divisés par .
avec le rapport de transformation (sans unité) ; le nombre de spires de l’enroulement primaire (sans unité) ; le nombre de spires de l’enroulement secondaire (sans unité).
Application 4 ✍
Déterminer le courant au primaire dans le montage ci-dessous en fonction de , , et .
3. Le transformateur réel
Un transformateur réel comporte des pertes cuivres dues à l’effet Joule dans les fils qui constituent les enroulements primaire et secondaire. Pour limiter les pertes cuivre, on utilise un bon conducteur électrique (quasiment toujours du cuivre), de section suffisamment grande et aussi courts que possible.
Un transformateur réel comporte des pertes par hystérésis. Pour les limiter, les transformateurs sont réalisés avec des matériaux ferromagnétiques doux.
Un transformateur réel comporte des pertes par courants de Foucault. Pour les limiter, le circuit magnétique est feuilleté.
Schéma 3 – Feuilletage du transformateur réel
Pertes par hystérésis et pertes par courant de Foucault sont regroupées sous le terme « pertes fer ».
4. Applications du transformateur
4.1. Isolement
Le transformateur d’isolement est un transformateur dont le rapport de transformation est égal à .
Le transformateur d’isolement sert à isoler électriquement deux parties d’un circuit électrique tout en ayant des tensions identiques au primaire et au secondaire.
Exemple 1
On souhaite afficher sur un oscilloscope la tension et le courant dans un moteur.
Schéma 4
4.2. Transport du courant à haute tension
Afin de limiter les pertes par effet Joule lors du transport, on utilise une tension aussi élevée que possible. Pour ce faire, un transformateur augmente la tension en sortie de centrale de production et un transformateur abaisse la tension avant de la distribuer au client.
Exemple 2
Le réseau Très Haute Tension qui transporte le courant sur de longues distances a une tension de .
Application 5 ✍
Par combien divise-t-on les pertes par effet Joule dans les câbles en utilisant une tension de (ligne moyenne tension) plutôt que de ?
