Les transformateurs sont l’équipement le plus reconnaissable des systèmes électriques. Ils sont grands, distinctifs, simples dans leur principe mais nécessitent beaucoup d'entretien, ce qui les fait paraître beaucoup plus substantiels que des « câbles ». Sur le schéma du réseau électrique, les transformateurs sont comme les nœuds de la dorsale, tandis que d'autres équipements servent de connexions.

Cet article présentera les composants, les principes, les fonctions, la classification et les scénarios d'application des transformateurs.

1.Composition d'un transformateur

Un transformateur se compose principalement d’un noyau et d’enroulements.

Le noyau sert de chemin de circuit magnétique au transformateur, tandis que les enroulements constituent la partie du circuit électrique, réalisée en enroulant un certain nombre de tours de fil recouvert d'émail-.

Celui connecté à la source d’alimentation est appelé enroulement primaire, également appelé bobine primaire. Celui connecté à la charge est appelé enroulement secondaire, également connu sous le nom de bobine secondaire, ou enroulement côté secondaire.

Les formes de base des structures de base sont le type de noyau en forme de cœur- et le type de coque.

• Transformateur à noyau en forme de coeur-

Les colonnes d'un transformateur de type noyau-sont entourées d'enroulements. En termes simples, les enroulements entourent le noyau, ce qui rend la structure relativement simple et plus facile à assembler et à isoler, c'est pourquoi les transformateurs utilisent souvent une structure de type noyau-.

• Transformateur de type coque-

Dans un transformateur de type coque-, le noyau entoure l'enroulement. Les transformateurs de type coque-ont une résistance mécanique élevée et des coins saillants, mais leur processus de fabrication est complexe et nécessite plus de matériaux. Ils ne sont généralement utilisés que dans les transformateurs basse-tension, courant élevé-ou dans les transformateurs de puissance de petite-capacité.

2.Principe de fonctionnement de base d'un transformateur

Un transformateur fonctionne sur le principe de l’induction électromagnétique.

Lorsqu'une alimentation alternative appropriée est connectée aux deux extrémités de l'enroulement primaire, sous l'action de la tension d'alimentation u₁, un courant alternatif je₀ circule à travers l’enroulement primaire, générant une force magnétomotrice dans l’enroulement primaire. Cela excite un flux magnétique alternatif ϕ dans le noyau. Ce flux alternatif ϕ relie les enroulements primaire et secondaire. Selon la loi de l'induction électromagnétique, les forces électromotrices induites e₁et e₂sont générés respectivement dans les enroulements primaire et secondaire. Sous l'influence de la force électromotrice induite e₂, l'enroulement secondaire peut fournir de l'énergie à la charge, réalisant ainsi un transfert d'énergie.

Le rapport des forces électromotrices induites dans les enroulements primaire et secondaire est égal au rapport du nombre de tours dans les enroulements primaire et secondaire. L'ampleur de la force électromotrice induite e₁du côté primaire est proche de la tension appliquée u₁du côté primaire, tandis que l'ampleur de la force électromotrice induite e₂du côté secondaire est proche de la tension de sortie u₂du côté secondaire.

Par conséquent, en modifiant simplement une ou deux fois le nombre de tours dans l'enroulement primaire ou secondaire, la tension de sortie u₂peut être ajusté. Il s'agit du principe de fonctionnement de base d'un transformateur, qui utilise le principe de l'induction électromagnétique pour convertir une source d'alimentation CA d'un niveau de tension en une source d'alimentation CA de la même fréquence mais d'un niveau de tension différent.

2.Fonctions de base d'un transformateur

Les fonctions de base d'un transformateur comprennent la conversion de tension, la conversion de courant, la conversion d'impédance, l'isolation et la régulation de tension.

Transformation de tension : les transformateurs peuvent augmenter ou diminuer la tension du courant alternatif pour répondre à différents besoins en électricité. Par exemple, un transformateur élévateur-est utilisé pour augmenter la tension d'une centrale électrique afin de réduire les pertes d'énergie pendant le transport, tandis qu'un transformateur abaisseur-est utilisé pour abaisser la haute tension à une tension d'utilisation sûre.

Transformation du courant : en modifiant la tension, un transformateur modifie également le courant en conséquence. Selon la loi de conservation de la puissance, lorsque la tension augmente, le courant diminue et vice versa. Cette caractéristique rend les transformateurs très importants dans le transport de puissance, car ils peuvent gérer efficacement les charges de courant.

Transformation d'impédance : les transformateurs peuvent modifier l'impédance d'un circuit, le rendant ainsi plus adapté à différentes conditions de charge. Ceci est particulièrement important dans les équipements audio et autres appareils électroniques, car cela peut améliorer l’efficacité de la transmission du signal.

Isolation : les transformateurs peuvent fournir une isolation électrique, protégeant ainsi la sécurité des équipements et des utilisateurs. Cette isolation peut empêcher la haute tension d'endommager les équipements basse tension-, garantissant ainsi le fonctionnement sûr de l'équipement.

Régulation de tension : certains types de transformateurs (tels que les réacteurs saturables) peuvent être utilisés pour la régulation de tension, contribuant ainsi à maintenir la stabilité de la tension et à assurer la fiabilité et la stabilité du système électrique.

4.Classification des transformateurs

4.1Classé par capacité

• Petit transformateur : tension inférieure à 10KV, capacité comprise entre 1 et 500KVA.

• Transformateurs de petite et moyenne taille- : tension de 35 kV et moins, capacité de 630 à 6 300 kVA.

• Gros transformateurs : tension de 110 kV et moins, capacité comprise entre 8 000 et 63 000 kVA.

4.2Classé par utilisation

• Transformateur de puissance : utilisé pour augmenter, réduire, distribuer et interconnecter les systèmes de transport et de distribution d'énergie, ou spécifiquement utilisé comme transformateurs pour les centrales électriques et les sous-stations.

• Transformateurs d'instrument : tels que les transformateurs de tension et les transformateurs de courant, utilisés pour les instruments de mesure et les dispositifs de protection des relais.

• Transformateur de puissance : utilisé pour le contrôle de l'alimentation, de l'éclairage et des indicateurs des équipements mécaniques généraux.

• Transformateur électronique : utilisé dans les circuits électroniques tels que les alimentations à découpage-, l'audio, l'impulsion et l'adaptation d'impédance.

• Transformateur de test : capable de générer de la haute tension pour effectuer des tests à haute tension-sur des équipements électriques.

• Transformateurs spéciaux : tels que transformateurs de four électrique, transformateurs redresseurs, transformateurs de régulation de tension, etc.

4.3Classé selon le nombre de phases des enroulements du transformateur

• Transformateur monophasé- : utilisé pour les charges monophasées-et les bancs de transformateurs triphasés-.

• Transformateur triphasé- : utilisé pour augmenter ou diminuer la tension dans les systèmes triphasés-.

4.4Classé par méthode de refroidissement du transformateur

• Transformateur de type sec- : refroidi par convection d'air, généralement utilisé pour les transformateurs de petite-capacité tels que l'éclairage local et les circuits électroniques.

• Transformateur immergé dans l'huile {{0} : transformateur qui utilise de l'huile de transformateur comme moyen isolant et de refroidissement, le noyau et les enroulements étant complètement immergés dans l'huile isolante.

4.5Classé par type de connexion d'enroulement de transformateur

• Transformateur à double-enroulement : utilisé pour connecter deux niveaux de tension dans le système électrique.

• Transformateur à trois -enroulements : généralement utilisé dans les sous-stations régionales du système électrique pour connecter trois niveaux de tension.

• Autotransformateur : Les enroulements primaire et secondaire sont combinés en un seul, utilisé pour connecter des systèmes électriques de tensions différentes. Il peut également être utilisé comme transformateur abaisseur ou abaisseur classique-.

4.6Classé par fréquence de fonctionnement du transformateur

• Transformateur de fréquence industrielle : sa fréquence de fonctionnement est de 50 Hz ou 60 Hz.
• Transformateur à fréquence intermédiaire : sa fréquence de fonctionnement est de 400 à 1 000 Hz.
• Transformateur de fréquence audio : sa fréquence de fonctionnement est de 20 Hz à 20 kHz.

• Transformateur de fréquence supersonique : Sa fréquence de fonctionnement est supérieure à 20 kHz, ne dépassant généralement pas 100 kHz.

• Transformateur haute fréquence- : transformateur avec une fréquence de fonctionnement allant de 20 Hz à plus de 100 kHz.

5. Scénarios d'application des transformateurs

5.1 Système d'alimentation

• Centrales électriques : les transformateurs sont utilisés pour augmenter la tension générée par les générateurs afin de la transmettre au réseau électrique, permettant ainsi le transport d'électricité sur de longues distances.

• Sous-stations : dans les sous-stations, les transformateurs convertissent l'électricité haute-tension en électricité basse-tension pour répondre aux besoins de divers équipements électriques. Dans le même temps, les transformateurs peuvent également remplir des fonctions telles que la compensation de puissance réactive et le réglage de la tension, garantissant ainsi le fonctionnement stable du système électrique.

• Lignes de transport : dans les lignes de transport, des transformateurs sont utilisés pour augmenter la tension afin de réduire les pertes d'énergie, permettant ainsi un transport efficace de l'électricité sur de longues distances.

5.2Secteur civil

• Électricité domestique : les transformateurs de puissance convertissent l'électricité haute-tension en électricité basse-tension adaptée à un usage domestique, garantissant ainsi une consommation électrique normale pour les résidents.

• Chargement des batteries : qu'il s'agisse d'un ordinateur portable, d'un téléphone ou d'un véhicule électrique, ces appareils nécessitent des batteries pour fonctionner, et le chargement des batteries nécessite un transformateur. La fonction principale d'un transformateur est de réguler la tension et d'empêcher les courants de fuite ou les surintensités de traverser les appareils.

5.3Champ de communication

Les transformateurs de communication sont utilisés dans les circuits de terminaux téléphoniques et les produits de lignes principales pour réguler la qualité et l'état des circuits de communication. De plus, les transformateurs de communication sont largement utilisés dans les modems câble, les cartes réseau, les hubs, les équipements de communication haut débit xDSL, les commutateurs, les émetteurs-récepteurs à fibre optique, les routeurs, les systèmes embarqués et les dispositifs de communication réseau VoIP.

5.4Autres applications spéciales

• Équipement audio : les transformateurs audio sont couramment utilisés pour assurer l'isolation des signaux circulant dans un circuit et aider à faire correspondre les valeurs d'impédance de la source et de la charge. Ils peuvent également éliminer les signaux indésirables ou bruyants et filtrer le signal d'entrée. Ces types de transformateurs sont spécifiquement conçus pour gérer les signaux dans la plage audible, c'est-à-dire les signaux dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz.

• Instruments de mesure : les courantomètres, les voltmètres et divers autres outils et appareils de mesure utilisent généralement des transformateurs pour un fonctionnement général. Par exemple, les transformateurs de courant de mesure assurent la sécurité nécessaire au circuit en isolant l'appareil de mesure du reste du circuit et en supprimant ou en abaissant les courants importants à des valeurs optimales avant de les transmettre à l'ampèremètre.

• Rectification : les transformateurs redresseurs peuvent convertir le CA en CC, avec des applications telles que le contrôle de moteurs, l'exploitation minière, les fours électriques, les laboratoires de R&D, la transmission CC haute tension-, et bien plus encore.