Le transformateur

Le transformateur est un appareil utilisé en électricité pour modifier la tension et l'intensité d'un courant.

Pour qu'il puisse effectuer sa transformation, le transformateur a besoin de traiter des courants de formes et de fréquences identiques.

Histoire du transformateur

Les prémices de l'invention du transformateurs sont nés avec la découverte de l'induction magnétique par Michael Faraday dans les année 1830.

L'induction électromagnétique est un phénomène en physique qui s'explique par l'apparition d'une force électromotrice lorsqu'un conducteur électrique est soumis à un flux de champs magnétique variable. Ce phénomène est utilisé dans de nombreuses applications telles que les bobines, les générateurs, les transformateurs électriques ou encore les plaques à induction. Elle est étroitement liée aux courants de Foucault

Faraday énonce alors la loi de Faraday, qui s'énonce comme suit :

    \[|\epsilon| = |\frac {d \Phi _{B} } {dt}|\]

Où :

  • |ε| : amplitude de la force électromagnétique exprimé en volts de symbole (V) ;
  • ΦB : flux magnétique dans le circuit exprimé en webers de symbole (Wb).

Il réalise également une bobine enroulée autour d'un anneau en fer qui sera le tout premier transformateur de l'histoire.

Comment a été inventé le transformateur ? Voici à quoi ressemblait le transformateur mis au point par Faraday. A l'époque, il a juste servi d'exemple et on y voyait aucune application.

Par la suite, on réussit à développer les bobines vers la fin du XIXe siècle. Notamment avec les travaux de Nicholas Callan qui réussit à introduire l'importance des tours de la bobine.

C'est en 1884 que la société Ganz, société hongroise spécialisée dans les transports, présente le premier transformateur avec un rendement élevé. Son but était de fournir l'énergie nécessaire pour de l'éclairage.

Les courants de Foucault

Les courants de Foucault sont des courants électriques qui se trouvent au centre d'une masse conductrice. Ces courants sont provoqués par la variation de champ magnétique extérieur qui traversent la masse ou par le déplacement de cette dernière au sein du champ.

Lorsqu'une masse conductrice est introduite dans un champ magnétique, une force électromotrice apparaît. C'est elle qui est à l'origine des courants dans la masse. Il se produit alors deux effets : la création d'un champ magnétique en opposition à la cause de variation du champ extérieur, ce qui est décrit par la loi de Lenz, et un échauffement, causé par l'effet Joule de la masse conductrice. Cet échauffement augmente plus la vitesse entre l'inducteur et la pièce conductrice est élevée. Ces deux effets causent alors de forces de Laplace qui s'opposent au déplacement de l'énergie.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les courants de Foucault, rendez-vous sur notre article en question.

Différents transformateurs

Les transformateurs statiques

Un transformateur statique est un appareil qui met en oeuvre deux transformateurs, un primaire et un secondaire. L'énergie transite entre les deux par le biais d'un circuit magnétique, matérialisé par l'enveloppe du transformateur.

Les commutatrices

Une commutatrice est un appareil électrique tournant utilisé pour transformer du courant électrique continu en courant alternatif. Le mode de transfert de courant est ici transféré de manière mécanique entre une génératrice et un moteur électrique. Les commutatrices sont moins utilisées car la tension du courant de sortie dépend étroitement de celle du courant d'entrée.

Les transformateurs de mesure

Ce genre d'appareils est utilisé afin de faire des mesures et ainsi d'alimenter des appareils de mesures tels que des compteurs.

Comment mesurer un courant à haute tension ? Pour mesurer la puissance des lignes à haute tension, il peut être nécessaire d'avoir recours à des transformateurs car les appareils de mesure ne peuvent supporter une telle charge. En connaissant le coefficient qui sera appliqué à la tension par le transformateur, on peut en déduire quelle était la tension d'origine.

On les utilise notamment lorsque le courant à mesurer est trop puissant pour être mesuré directement.

Les transformateurs de puissance

Il s'agit des transformateurs que l'on retrouve a proximité des postes électriques. Ces derniers ont pour fonction de transformer le courant de la distribution. On les appelle transformateurs de puissance car ils traitent du courant qui dépasse souvent les 1000 V. Ils sont considérés comme les transformateurs les plus fiables et les plus durables.

Quels sont les différents types de transformateurs ? Vous pourrez rencontrer ce type de transformateur à proximité des centres de production d'électricité ou des postes électriques.

Les transformateurs déphaseurs

Les transformateurs déphaseurs ont pour but de créer une différence de phase entre les tensions d'entrée et de sortie.

On s'en sert par exemple pour soulager le réseau électrique de distribution. En effet, en renvoyant le courant sur d'autres lignes que celles les plus empruntées (car celles opposant le moins de résistance) il permet de soulager les lignes saturées.

Autotransformateur

La particularité de ces transformateurs est qu'ils n'ont pas d'isolation entre les bobines primaires et secondaires. On utilise ces transformateurs afin de raccorder des réseaux électriques très puissants entre eux.

Les transformateurs haute fréquence

Les circuits magnétiques des transformateurs haute fréquence (HF) sont constitués de matériaux ferromagnétiques isolants.

Un élément est dit ferromagnétique quand il possède des propriétés de ferromagnétisme.
Le ferromagnétisme est le mécanisme par lequel des matériaux forment des aimants permanents ou sont attirés par d’autres aimants. Le cobalt, le nickel ou encore le fer sont des éléments ferromagnétiques

Le transformateur d'impulsions

Les transformateurs d'impulsion sont utilisés afin de commander les transistors. Ils permettent une utilisation sur du courant à haute fréquence et haute tension.

Le transformateur variable

Les transformateurs variables sont des appareils semblables aux autotransformateurs, mis à part qu'un fusible est présent entre les deux bobines afin d'empêcher l’inflammation des spires de la bobine.

Le fonctionnement des transformateurs

Afin de modéliser de façon simple les transformateurs et leur fonctionnement, on utilise pour cela la notion de transformateur "parfait".

Le transformateur parfait

Il s'agit d'un transformateur virtuel que l'on utilise afin de comprendre le fonctionnement des vrais transformateurs.

Pour se faire, on considère que les pertes sont inexistantes.

On obtient donc la relation suivante :

    \[ m = \frac {U_ {2} } {U_ {1} } = \frac {N_ {2} } {N_ {1} } \]

Où :

  • U1 : Tension d'entrée en volts (V) ;
  • U2 : Tension de sortie en volts (V) ;
  • N1 : Nombre de spires primaires ;
  • N2 : Nombre de spires secondaires ;
  • m : Rapport de transformation du transformateur.

Constitution et matériaux utilisés

Le transformateur s'organise en deux parties : le circuit magnétique et les enroulements.

Le circuit magnétique est évolutif. En ce qui concerne les transformateurs connectés au courant domestique, le champ magnétique aura une fréquence d'environ 50 Hz. Afin de réduire les pertes liées aux courants de Foucault, les champ magnétique est protégé par un feuilletage composé de feuilles de fer au silicium isolées par une fine couche de vernis.

Au niveau des enroulements, on choisit habituellement du cuivre qui est l'un des meilleurs matériaux conducteurs. Ce cuivre est isolé afin que le courant prenne vraiment le chemin complet de la bobine. L'isolant utilisé est du vernis cuit afin de créer un émail.

Les applications des transformateurs

Les transformateurs sont utilisés pour de nombreuses application.

Que ce soit pour faciliter le transport de l'électricité dans le réseau de distribution ou encore pour transformer des courants, les transformateurs jouent un rôle important dans l'électricité.

On retrouve aussi l'utilisation de certains transformateurs afin de transformer du courant triphasé en diphasé.

Où trouver des transformateurs ? Les chargeurs de téléphone sont constitués d'un adaptateur qui cache un transformateur. Ce dernier transforme le courant alternatif de la prise de courant en un courant continu moins puissant afin de pouvoir recharger la batterie de votre appareil.

Les différents courants électriques

Le courant continu, noté CC en Français ou DC en Anglais, correspond a un courant électrique dont l'intensité reste indépendant du temps, on dit donc de celle-ci qu'elle est constante. C'est notamment le type de courant qui est délivré par les piles ou encore les accumulateurs (batteries). On peut donc appeler courant continu tout courant périodique dont l'intensité reste toujours relativement proche de sa valeur moyenne ou encore un courant périodique dont la composante continue, c'est-à-dire sa valeur moyenne est d'importance primordiale. Il est également possible de nommer courant continu tout courant électrique qui circule de façon continue ou très majoritairement dans le même sens. On dit alors de ce courant qui est unidirectionnel.

L'électricité est un phénomène naturel qui a commencé a être étudié dès le 16 ème siècle. L'arrivée du courant alternatif date de 1882 en France par l'invention de l'ingénieur Lucien Gaulard : le transformateur d'électricité alternative en continue. Cela créa une véritable révolution dans l'industrie de distribution d'électricité. Comme le courant alternatif présentait plus d'avantages, il a rapidement remplacé le courant continu.

On dit d'un courant électrique alternatif qu'il est périodique et sinusoïdal. Périodique car sa tension change de sens de manière périodique en s'inversant constamment et sinusoïdal car la tension varie au cours du temps en décrivant une courbe sinusoïdale.

Le courant alternatif correspond à un courant qui est produit toujours de la même façon et ce sont les mêmes mécanismes qui entrent cause. Afin de créer du courant alternatif, on utilise une turbine et un alternateur. C'est également ainsi qu'il est produit dans les centrales électriques.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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