Le transformateur élémentaire
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Le transformateur est un dispositif qui permet de transformer (modifier) la valeur d'une tension ou d'un courant alternatif donné à un niveau:
- plus élevé
- ou plus bas.
Les transformateurs sont largement utilisés dans :
- le réseau de distribution électrique;
- de nombreux circuits électriques et électroniques.
Au cours de cette étude, vous vous familiariserez d'abord avec la construction et l'induction mutuelle d'un transformateur élémentaire.
Vous apprendrez par la suite des notions sur :
- le rapport de transformation,
- la polarité,
- la puissance d'un transformateur,
- le rendement d'un transformateur.
Les transformateurs ont la même vocation:
Ils transforment le niveau d'une
tension ou d'un courant
alternatif.
C'est le type de transformation
réalisé par chacun des transformateurs qui
permet de les distinguer entre
eux.
Cette
transformation est mesurée par le "rapport de
transformation", lequel dépend de la construction
du transformateur.
Le transformateur élémentaire est le plus simple qui soit.
Sa construction nécessite deux bobines enroulées séparément autour d'un noyau magnétique en fer:
- Une bobine appelée primaire;
- Une bobine appelée secondaire.
Illustration animée : Construction d'un transformateur élémentaire.
- Le primaire, appelé parfois enroulement primaire, est la bobine alimentée par la source d'alimentation à courant alternatif.
- Le secondaire, ou enroulement secondaire, est la bobine raccordée à la charge.
Représentation graphique d'un transformateur :
Le fonctionnement d'un transformateur est basé sur un phénomène appelé induction mutuelle.
Ce phénomène s'explique comme suit :
- lorsqu'une tension alternative est appliquée à l'enroulement primaire d'un transformateur, un courant circule.
- Cela crée un flux magnétique à l'intérieur de cet enroulement.
- Ce flux magnétique sera acheminé vers l'enroulement secondaire grâce au noyau magnétique en fer du transformateur.
- Comme le courant qui circule dans l'enroulement primaire varie continuellement en fonction de la tension alternative appliquée, le flux magnétique créé par ce courant variera également.
L'enroulement secondaire se trouve alors dans un champ magnétique variable, et, de cette façon, une tension est induite dans l'enroulement secondaire.
Illustration
animée : Induction mutuelle
dans un transformateur.
La tension induite dans l'enroulement secondaire d'un
transformateur et celle induite dans l'enroulement d'un
alternateur reposent toutes les deux sur le principe de
l'induction.
Cependant, la tension de l'enroulement secondaire du
transformateur est induite par la variation du flux
magnétique, tandis que la tension induite d'un alternateur
résulte du mouvement de son enroulement.
Un transformateur ne peut pas fonctionner avec une tension
c.c., car il requiert un changement de tension et de courant.
Il est donc nécessaire d'avoir une variation du courant et
de la tension dans la bobine primaire afin qu'une tension soit
produite dans l'enroulement secondaire.
Il existe principalement trois types de transformateurs :
- abaisseurs,
- élévateurs,
- de séparation.
L'appellation choisie dépend du rapport de transformation de chacun des transformateurs.
Le rapport de
transformation d'un transformateur,
symbolisé par m, se définit comme le
nombre de spires (tours) de l'enroulement secondaire divisé
par le nombre de spires de l'enroulement primaire, comme le
représente la formule suivante :
.
Où :
m :
rapport de transformation
N1 : nombre de
spires du primaire
N2 : nombre de
spires du secondaire
Exemple :
Tension primaire : U1
Tension secondaire : U2
Ce rapport de transformation détermine ainsi le rapport entre la tension appliquée au primaire du transformateur et celle induite dans le secondaire.
Où :
m : rapport de
transformation
U1 : tension
appliquée au primaire
U2 : tension
induite dans le secondaire
La relation entre les tensions et les spires dans un transformateur peut être exprimée par la formule suivante :
Exemple de l'application de
ces formules.
Un transformateur est
constitué de 600 spires pour son enroulement primaire
et de 50 spires pour son enroulement
secondaire.
a) Calculez le rapport de transformation.
b) Calculez, en volts (V), la tension du secondaire si une tension de 240 volts est appliquée au primaire.
Solution :
a) Calcul du rapport de transformation :
Formule pour le calcul :
Où : N1 = 600 tours et N2 = 50 tours.
Donc : 
.
Le rapport de transformation de ce transformateur est égal à 0,083.
b) Calcul de la tension du secondaire :
Formule pour calculer la tension :
Si : 
Alors : U2 peut être déterminée par : U2 = mU1
Où : U1 = 240 volts et m = 0,083
Donc : 
La tension du secondaire est égale à 20 volts.
Cet exemple montre qu'il s'agit d'un transformateur abaisseur, car la tension induite dans le secondaire est plus basse que celle appliquée au primaire.
- Dans un tel cas, le rapport de transformation est toujours inférieur à 1.
- Dans le cas contraire, c'est-à-dire où le rapport de transformation est supérieur à 1, la tension induite dans le secondaire sera toujours plus grande que celle appliquée au primaire. Il s'agit alors d'un transformateur élévateur.
- Il existe aussi des transformateurs dont le rapport de transformation est de 1. Dans ce cas, la tension induite dans le secondaire est égale à celle appliquée au primaire. Ce type de transformateur est souvent utilisé pour isoler certaines sections dans un circuit électrique (isolation galvanique).
En courant alternatif, le produit des valeurs efficaces de la tension U et de l'intensité du courant I est appelé puissance apparente.
On la représente par la lettre S et l'unité est le
voltampère (VA) :
S = UI
Avec : U en volts (V), I en ampère (A) et S en voltampères (VA).
Dans des conditions idéales, c'est-à-dire sans perte d'énergie, le transformateur respecte bien la règle de conservation de l'énergie.
Cela se traduit par une égalité de la puissance appliquée au primaire (P1) avec celle fournie à la charge par le secondaire (P2) :
Étant donné que la puissance
apparente peut être définie par le produit de la
tension et du courant, ce que démontrent les
formules suivantes : 
et 
.
Où :
S1 : puissance du primaire en voltampères (VA)
S2 : puissance du secondaire en voltampères (VA)
U1 : tension du primaire en volts (V)
I1 : courant du primaire en ampères (A)
U2 : tension du secondaire en volts (V)
I2 : courant du secondaire en ampères (A)
Il est alors permis de dire
que : 
Par une transformation mathématique,
cette équation devient :
Vous pouvez facilement constater que le
rapport 
est en fait le rapport de
transformation d'un transformateur, et qu'il est égal à
.
Ainsi, de façon générale, le rapport de transformation d'un transformateur peut être déterminé :
- soit par le rapport de spires,
- soit par le rapport de tension,
- soit par le rapport de courant.
La formule suivante exprime ces différentes possibilités de déterminer le rapport de transformation :
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