Introduction

Les transformateurs sont des éléments essentiels dans le fonctionnement des principaux circuits dans les réseaux électriques. Il existe plusieurs types de transformateurs selon le type d'alimentation ou l'application utilisée. Nous étudions dans ce chapitre les principaux types de transformateurs.

 

1. Transformateur monophasé idéal

1.1 Principe de fonctionnement

Un transformateur monophasé idéal est constitué de deux bobinages présents sur le même circuit magnétique.

 

 

Nous pouvons écrire :

(5.1)

 

d'où la relation :

(5.2)

m : rapport de transformation.

 

Lorsqu'on alimente un enroulement, il crée un flux magnétique variable lequel va balayer l'autre enroulement. Une tension est alors induite aux bornes de cet enroulement. De ce fait, le transformateur est réversible ce qui signifie qu'il peut être utilisé en élévateur ou en abaisseur.

 

1.2 Symboles et conventions

On présente deux manières de symboliser les transformateurs monophasés avec deux sens de tension de sortie.

 

Dans les deux cas, on a :

(5.3)

 

et en charge, on a :

(5.4)

 

1.3 Puissance

La puissance apparente complexe à l'entrée du transformateur vaut :

et à la sortie du transformateur vaut :

Donc, on peut démontrer que :

(5.5)

 

 Par conséquent, on déduit que :

(5.6)

 

1.4 Bilan des puissances

Le transformateur idéal est absolument passif et sans pertes. Quand il élève la tension il abaisse le courant (et vice versa) et ne modifie pas la puissance qu'il transite.

 

2. Transformateur monophasé réel

2.1 Déplacement des impédances

A la différence du transformateur monophasé idéal, le transformateur monophasé réel tient compte des pertes.

Considérons l'impédance Z au secondaire d'un transformateur idéal dont le rapport de transformation est m.

 

 

On peut écrire :

(5.7)

 

avec :

(5.8)

La tension V₂ devient alors :

(5.9)

 

Donc, une impédance Z au secondaire d'un transformateur idéal est équivalente à une impédance Z/m² au primaire de ce transformateur.

  

2.2 Bilan des puissances

Un transformateur monophasé est dit "réel" lorsqu'il présente des pertes et des fuites. Ces pertes sont résumées comme suit :

- Pertes cuivre : dans les résistances du primaire et du secondaire. Elle sont exprimées par (en W) :

(5.10)

 

- Pertes fer : qui dépendent de la fréquence et du flux maximal. Ces pertes appelées p_F comportent les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault.

 

- Fuites de flux du circuit magnétique : Elles sont dues à la saturation du circuit magnétique.

 

Par conséquent, la tension secondaire en charge U₂ est inférieure à la tension secondaire à vide U₂₀. Donc, on peut écrire :

(5.11)

 

2.3 Rendement

Considérons P₁ : la puissance absorbée par le primaire et P₂ la puissance utile délivrée par le secondaire à la charge. Le rendement du transformateur est donné par :

(5.12)

 

3. Transformateur triphasé

Le transport de l'énergie se fait en triphasé grâce à des transformateurs triphasés et pour des raisons de coût. Le transformateur triphasé peut être assimilé à l'association de trois transformateurs monophasés.

3.1 Constitution

Un transformateur triphasé est constitué de trois colonnes sur lesquelles sont disposés les enroulements primaire et secondaire. Ce type de transformateur est appelé "à flux forcé". Dans le cas où on ajoute une ou deux colonnes, le transformateur devient "à flux libre".

  

3.2 Couplage

Les enroulements primaires peuvent être couplés en étoile ou en triangle. Pour les enroulements secondaires ils peuvent être couplés en étoile, en triangle ou en zigzag.

Pour le couplage en zigzag, il est utilisé lorsque les charges sont fortement déséquilibrées. Il faut noter que :

-  Les types de couplages sont désignés par des lettres (Y : étoile, D : triangle, Z : zigzag).

-  Les lettres capitales désignent l'enroulement haute tension (exemple : Yy).

-  L'enroulement primaire n'est jamais couplé en zigzag.

-  Le rapport de transformation dépend du nombre de spires et du type de couplage.

 

Les principaux couplages utilisés dans les transformateurs triphasés sont résumés dans le tableau suivant associés à leur rapport de transformation correspondant.

 

Tabl. 5.1 : Rapport de transformation des principaux couplages

 

3.3 Indice horaire

La notion de l'indice horaire est introduite lorsque plusieurs bobinages secondaires doivent être interconnectés. En effet, pour effectuer l'interconnexion entre les secondaires de transformateurs triphasés la principale condition est que le déphasage entre eux soit nul. Il est donc nécessaire de connaître le déphasage entre le primaire et le secondaire de chaque transformateur.

L'indice horaire est ainsi donné à partir d'une montre où les bobinages primaire et secondaire sont représentés par les aiguilles de cette montre. L'indice horaire est mentionné alors avec le type de couplage (exemple: Dy5, Yy0, Yz5, ...etc.).

 

Prenons un exemple d'un couplage Dy5, l'indice horaire dans ce couplage est donné par 5. La schématisation de cet indice horaire revient à pointer la tension primaire sur 0 ou 12 (représentée par la grande aiguille) et la tension secondaire sur la position 5 (représentée par la petite aiguille).

L'angle de déphasage entre la tension primaire et la tension secondaire est alors calculé par : 30°x5 = 150° (puisque chaque heure sur le cadran représente 30°). Le déphasage correspondant est alors égal à 150°. Ceci est donné sur la figure 5.6.

 

Le couplage Dy5 donné en exemple signifie que le primaire est couplé en triangle, le secondaire en étoile et le déphasage entre les deux bobinages est 150°. Ceci est donné par la figure 5.7.

 

 

 

3.4 Plaque signalétique d'un transformateur

La plaque signalétique sur un transformateur indique la puissance apparente nominale S, la fréquence de fonctionnement f et les tensions composées ou entre phases U.

 

4. Autotransformateur

Un autotransformateur est un transformateur comportant un enroulement unique monté sur un circuit magnétique. Par exemple, pour le cas d'un autotransformateur abaisseur, la haute tension est appliquée à l'enroulement complet alors que la basse tension est appliquée entre une des extrémités de l'enroulement et une prise intermédiaire variable.

 

Dans la mesure où le transformateur est considéré comme un convertisseur statique, son étude est essentielle dans la présentation des machines électriques. En effet, ces dernières assurent la conversion de l'énergie (électrique en mécanique et inversement) et sont par conséquent, construites sur la base des circuits magnétiques existants dans les transformateurs. Aussi, les lois régissant le fonctionnement des transformateurs sont les mêmes pour les machines électriques.