Appareil modifiant la tension dans un circuit parcouru par un courant alternatif.

Introduction

Le transport de l’énergie électrique ne peut s’effectuer sans pertes. Ces pertes sont dues à l’échauffement de la ligne de transport. Pour une ligne donnée, on peut montrer que les pertes sont d’autant plus faibles que la tension est élevée. Le transformateur est l’appareil qui, en courant alternatif, permet d’élever la tension fournie par les alternateurs afin de réaliser un transport en haute tension (jusqu’à plusieurs centaines de milliers de volts). Il permet ensuite de ramener cette tension à une valeur plus faible, facile à distribuer sur les lieux mêmes d’utilisation.

Un transformateur est constitué d’un circuit magnétique fermé, formé de tôles ferromagnétiques empilées. Sur les colonnes de ce circuit sont disposés deux enroulements séparés. L’un, B₁, est appelé primaire. Il fonctionne comme un récepteur. Le courant I₁ qu’il reçoit engendre dans le circuit magnétique une induction alternative dont le flux à travers une section du circuit magnétique est Φ. L’autre, B₂, appelé secondaire, est traversé par Φ. Il est donc le siège d’une f.é.m. capable de fournir à un récepteur placé à ses bornes une puissance électrique alternative. Si le circuit magnétique est soigneusement réalisé, le flux traversant une spire est sensiblement le même au primaire et au secondaire. Ainsi, aux bornes d’une spire, il existe la même f.é.m. e au primaire et au secondaire. Soit n₁ le nombre de spires du primaire et n₂ le nombre de spires du secondaire. La f.é.m. totale est e₁ = n₁ · e au primaire et e₂ = n₂ · e au secondaire. Or, e₁ est très peu différent de u₁, tension appliquée au primaire. De même, e₂ est sensiblement égal à u₂, tension secondaire. Si U₁ et U₂ sont les valeurs efficaces de u₁ et de u₂, on obtient
Si l’on néglige les pertes (dont la valeur relative peut être très faible), on peut aussi écrire
U₁ · I₁ = U₂ · I₂,
soit encore

m étant appelé rapport de transformation du transformateur. Si m > 1, le transformateur est élévateur de tension ; si m < 1, il est abaisseur de tension. Remarquons que l’intensité est abaissée dans le rapport où est élevée la tension et vice versa.

Chute de tension, rendement

Pratiquement, pour une valeur donnée de U₁, la tension U₂ a une valeur un peu plus petite que ne le laisse prévoir la relation (1). On appelle chute de tension l’écart entre la valeur U₂ donnée par la relation (1) et la valeur U₂ réellement obtenue. Cet écart est dû à deux imperfections du transformateur. Tout d’abord, les résistances R₁ et R₂ des enroulements font que la tension U₁ est plus grande que E₁ (valeur efficace de e₁) et que U₂ est plus petite que E₂.

De plus, il existe des « fuites magnétiques », et le flux créé par chaque spire du primaire ne traverse pas intégralement les spires du secondaire. La f.é.m. à travers une spire du secondaire est donc plus petite qu’à travers une spire du primaire. La chute de tension observée est pratiquement nulle à vide (I₂ = 0) et croît avec le courant secondaire, mais elle dépend également beaucoup du déphasage entre le courant et la tension secondaire (déphasage imposé par le circuit d’utilisation). De même, par suite de l’effet Joule et des pertes par hystérésis et courants de Foucault, la puissance P₂ fournie par le secondaire est intérieure à la puissance P₁ consommée au primaire. Le quotient est le rendement du transformateur. Il est très bon (0,95 pour les petits transformateurs et jusqu’à 0,99 pour les grosses unités).

Construction

Le circuit magnétique est toujours constitué de tôles minces (de 0,3 à 0,5 mm) isolées les unes des autres par du vernis ou du papier afin de réduire les pertes par courants de Foucault. Les enroulements sont fractionnés et répartis sur les colonnes, où ils sont superposés afin de réduire les fuites magnétiques. Les transformateurs de grande puissance sont, en général, immergés dans un bain d’huile afin d’améliorer le refroidissement. L’huile de refroidissement peut même être conduite à des radiateurs extérieurs, eux-mêmes refroidis par air pulsé.

Utilisation des transformateurs

Les tensions fournies par les alternateurs actuels sont de l’ordre de grandeur de 10 kV. À la sortie de la centrait- de production, la tension est portée à environ 100 kV par un premier transformateur de très grande puissance (plusieurs centaines de mégawatts). À l’arrivée près des zones à forte consommation, elle est abaissée à quelques dizaines de kilovolts dans des « postes de répartition », puis réduite de nouveau par des « postes de transformation » à la valeur nécessaire à chaque utilisateur (distribution urbaine, industrielle, réseaux de traction). Ces diverses fonctions sont réalisées par des transformateurs de puissances variées (depuis quelques centaines de kilowatts jusqu’à quelques kilowatts au niveau de l’usager).

Transformateurs spéciaux

Les réseaux de distribution à grande puissance sont en général des réseaux triphasés. Bien qu’il soit possible de modifier les tensions de tels réseaux par des ensembles de trois transformateurs monophasés, on préfère construire des transformateurs triphasés transformant simultanément les tensions des trois phases. Un transformateur triphasé comporte trois colonnes réunies par deux culasses. Sur chacune des colonnes sont enroulés le primaire et le secondaire d’une même phase. Le circuit se comporte comme l’ensemble de trois circuits montés en étoile. Les flux se superposent donc dans les culasses. Il en résulte une certaine dissymétrie, que l’on peut compenser en augmentant la section de fer des culasses.