Les transformateurs

Un transformateur est un équipement électronique qui sert à transformer ou à modifier efficacement une tension alternative en une autre plus forte ou plus faible. Il est aussi utilisé, dans certains cas, pour assurer l'isolation de deux parties différentes d'un circuit électrique. Il est souvent utilisé dans les réseaux des fournisseurs d'électricité pour redresser les lignes de transport hautes tensions en une alimentation électrique 380V, 220V, 110V, ou autre en fonction du besoin requis (photo ci-dessous par Mario Amé sur Unsplash)

Ce composant est un équipement statique dont le fonctionnement est basé sur l'induction électromagnétique. Il est généralement composé de deux bobines d'enroulements de cuivre ou plus qui permettent de transformer une entrée caractérisée par un courant électrique (non continu) et une différence de potentiel variable en une sortie ayant des valeurs de courant et de tension généralement différentes et de même forme.

D'où, un transformateur est constitué de deux inductances (appelées aussi bobines) entourées autour d'un noyau ferromagnétique fermé (certains modèles sont dépourvus de cette structure ou de ce matériau ferromagnétique). Le symbole de ce composant est donc modélisé par deux inductances totalement opposées : l'une pour la sous-partie « entrée », l'autre pour la sous-partie « sortie ».

Symbole et variables

Inventés au 19ème siècle, les transformateurs se composent de deux enroulements de fil (primaire et secondaire) autour d'un noyau magnétique, et leur fonctionnement repose sur le principe d'induction électromagnétique. En ajustant le nombre de spires dans chaque enroulement, il est possible de contrôler la tension de sortie en fonction des besoins spécifiques d'une application donnée. D'où un transformateur est donc représenté par l'un des deux symboles suivants : avec ou sans noyau ferromagnétique.

Sans ferromagnétique	Avec ferromagnétique

Caractéristiques d'un transformateur

• \(N_{1} \) et \(N_{2} \) : représente le nombre de spires dans le circuit d'entrée et le circuit de sortie
• le rapport K de transformation: ce rapport présente le rapport de transformation du quadripôle tel que:

\( k= \frac{N_{2}}{N_{1}} = \frac{U_{2}}{U_{1}}\)  et aussi  \( \frac{1}{k} = \frac{i_{2}}{i_{1}} \)

Ce rapport K est un nombre sans aucune unité et indique le type du transformateur. Il peut prendre 3 intervalles différents tels que :

• K ≤ 1 : le transformateur est dit abaisseur. La tension à la sortie de ce quadripôle est strictementt inférieur à la tension à son entrée. Nous relevons les caractéristiques suivantes :
  • \( U_{2} \leq U_{1} \)
  • \( i_{1} \leq i_{2} \)
  • le nombre de spires à l'enreoulement primaire (bobine d'éntrée) N₁ est supérieure aux nombre de spires à l'enreoulement secondaire (bobine de sortie) N₂
• K ≥ 1 : le transformateur est dit élevateur. La tension à la sortie de ce quadripôle est strictementt supérieure à la tension à son entrée. Nous relevons les caractéristiques suivantes :
  • \( U_{1} \leq U_{2} \)
  • \( i_{2} \leq i_{1} \)
  • le nombre de spires à l'enreoulement primaire (bobine d'éntrée) N₂ est supérieure aux nombre de spires à l'enreoulement secondaire (bobine de sortie) N₁

Les différents types

Il existe différents types de transformateurs existent selon le domaine d'application et son environnement d'utilisation ainsi que son mécanisme de fonctionnement tels que :

• Transformateurs électriques: ces transformateurs de puissance sont généralement installés dans les réseaux de transport d’énergie à haute tension. Leur rôle est de convertir la tension vers des tensions plus élevées, appelées transformateur élévateur, ou inversement, transformateur abaisseur, vers des tensions plus faibles, entre les réseaux de transport et les réseaux de distribution.
• Transformateurs de distribution: ces transformateurs permettent d'abaisser la tension du réseau électrique afin de la rendre compatible avec les besoins des installations domestiques et industrielles. Ils sont généralement installés à proximité des zones industrielles ou résidentielles pour fournir une tension adaptée au bon fonctionnement des appareils. En Europe, par exemple, la tension est de 220 V ou de 380 V en fonction de la nature du réseau monophasé ou triphasé.
• Transformateurs de mesure: ces transformateurs sont conçus pour réduire les niveaux de courant et/ou de tension à des valeurs mesurables et sécurisées. Ils permettent ainsi aux systèmes de surveillance et de protection de contrôler le réseau électrique sans risque.
• Transformateurs de séparation, également dits « d'isolement » : ils servent à isoler électriquement deux circuits tout en permettant le transfert d'énergie entre eux. Ces transformateurs sont souvent employés dans des environnements où la sécurité est primordiale, comme dans les systèmes médicaux ou informatiques.
• Transformateurs à haute fréquence: ces transformateurs de puissance sont particulièrement aptes à fonctionner à hautes fréquences. Ils sont généralement installés dans des circuits d'alimentation à découpage, compacts, de petite taille et légers.

Les domaines d'applications

Les transformateurs sont largement présents dans les systèmes électriques et trouvent de multiples applications dans divers secteurs. Parmi ces domaines d'application, nous pouvons citer :

• Les réseaux de distribution électrique: dans ces réseaux, les transformateurs jouent un rôle crucial en régulant les niveaux de tension à chaque point de la distribution, depuis les centrales jusqu'aux utilisateurs finaux. Ils permettent de transporter l’électricité sur de longues distances en augmentant la tension tout en réduisant les pertes d'énergie électrique. Ils servent également à abaisser la tension à un niveau requis pour les réseaux de distribution destinés aux foyers, aux zones commerciales et industrielles.
• L'industrie et les usines de fabrication: les transformateurs servent à ajuster la tension pour alimenter les machines et les équipements lourds dans les industries et les usines de fabrication. Certains appareils nécessitent des tensions spécifiques pour un fonctionnement optimal, d'autres des puissances élevées pour certaines activités particulières comme les process électro-intensifs, l'alimentation de fours, etc.
• L'électronique et les télécommunications: dans la plupart des circuits électroniques d'aujourd'hui, que ce soit dans les appareils électroniques, les ordinateurs, les téléphones portables, les appareils électroménagers, etc., les transformateurs de petite taille sont partout et servent généralement à ajuster les tensions ou les courants, à abaisser certaines tensions, à isoler, etc. Ils jouent également un rôle crucial dans l'isolation galvanique des réseaux de télécommunications.
• Les réseaux de transport ferroviaire: pour alimenter les lignes électriques ferroviaires, des transformateurs de grande puissance sont utilisés pour ajuster la tension de l'alimentation électrique des trains. Ces transformateurs permettent d'optimiser l'efficacité énergétique et de garantir la sécurité.