Les transformateurs.

1.   Préambule :

Ils sont tous conçus d’après le principe édité par la loi de Lenz, qui dit :

Tout matériau conducteur, subissant une variation de flux magnétique dans le temps va induire une force électromotrice, dont les effets s’ils peuvent se manifester vont avoir tendance à s’opposer à la cause qui leur a donné naissance.

 La formule de la force électromotrice sera :            (en Volts)  

N sera le nombre de spires de fils constaté, si le matériau conducteur est composé d’une bobine.

 Dans le cas d’une masse conductrice exposée, N sera remplacé par un coefficient qui dépendra du volume, de la température et de la disposition de cette masse par rapport au flux magnétique perçu. Dans ce cas, on parle plus volontiers de « courant de Foucault »  (Générateur de pertes)

La force électromotrice (f.e.m) sera indépendante du matériau utilisé, qui pourra être conducteur ou isolant.

2.   Fonction d’usage des transformateurs.

Un transformateur permet d’adapter un niveau de tension alternative monophasée ou triphasée, en absorbant de l’énergie électrique et en la restituant, pratiquement en intégralité, tout en assurant une isolation galvanique.

Il est donc possible, à partir d’une source de tension alternative, avec une tension efficace donnée, d’obtenir une autre source de tension alternative, indépendante matériellement, de la première.

 Les transformateurs sont réversibles.  

En fonction de la tension obtenue par rapport à la tension imposée, on qualifie le transformateur.

-        Si U obtenue < U imposée, le transformateur  est « abaisseur »

-        Si U obtenue > U imposée, le transformateur  est « élévateur »

-        Si U obtenue = U imposée, le transformateur  est qualifié d’isolement, car il isole l’utilisation de la terre et il n’y plus de risque de fuite vers le sol.

 Remarque :

Il a été dit que pratiquement toute l’énergie absorbée était restituée, ceci n’est pas totalement vrai, il existe un rendement.  

Dans l’industrie si h devient inférieur à 95 % le transformateur est changé.  

3.   Symboles électriques et termes utilisés.

-        Les tensions et intensités sont alternatives.

-        On se sert des valeurs efficaces de ces grandeurs.

-        Les déphasages seront, en valeurs absolues, identiques au primaire et au secondaire.

         Remarques :

-        Il peut y avoir plusieurs primaires reliés en série ou non, pour pouvoir s’adapter aux niveau de tensions à adapter.  

-        Il peut y avoir plusieurs secondaires, indépendant ou non pour pouvoir bénéficier de plusieurs niveaux de tensions.

a)      Puissance et intensité nominales.

 Un transformateur sera choisi, en fonction de la puissance apparente totale, nominale, qu’il pourra fournir, ainsi que des tensions primaires et secondaires nominales

 S = S U₁ . I₁  » S U₂ . I₂

 Exemple : Un transformateur 230v / 24 V, 100VA

-        Il absorbera sensiblement 100 VA donc :

  = 0,434 A

-        Il sera capable de fournir 24 V, si on lui demande une intensité I₂ telle que :

= 4,16 A

Ceci, indépendamment du déphasage imposé par le récepteur branché au secondaire.

Constats :  

-        La tension sera décroissante, si l’on demande un intensité supérieure à I nominale, donc, si P demandée = U₂ . I₂ est supérieure à P nominale.

-        Si le transformateur ne débite rien, (à vide) la tension au(x) secondaire(s) sera légèrement supérieure à la valeur nominale indiquée sur la plaque signalétique.

b)      Rapport de transformation.  

Il s’agit du rapport entre tension secondaire et tension primaire, ce rapport est pratiquement constant.

Comme la puissance est sensiblement la même au primaire et secondaire

(U₁ . I₁ » U₂ . I₂), ce rapport peut être donné avec les intensités.

Ceci entraîne que, là où les tensions sont faibles, il y a beaucoup de courant et les conducteurs sont de section importante. (et vise versa)

4.   Précautions d’usage.  

-        Il est déconseillé de demander plus, que le(s) secondaire(s), peut théoriquement fournir. Sinon l’échauffement provoqué par l’effet Joules risque de diminuer les performances magnétiques du transformateur et de ce fait diminuer le rendement. Dans un excès trop prolongé, la chaleur risque de faire fondre les isolants.

-        Il est dangereux d’imposer une tension supérieure à celle préconisée (et calculée) au primaire. Le faire expose une violente sur intensité destructrice dans les enroulements. Il convient donc de ne pas se tromper d’enroulement.

5.   Principes de fonctionnement et de construction communs à tous les transformateurs.

Les transformateurs utilisent la loi de Lenz, à savoir :

   (en Volts)

(F = Produit de l’induction magnétique par la surface du noyau magnétique = B . S )

Dans la mesure où les bobines se trouve sur un même circuit magnétique qui va conduire le flux.

 Il y aura égalité :

E . sin (w . t ) =

(Produit du nombre de spires, par la dérivée du flux magnétique par rapport au temps.)  

De cette égalité, il est possible de sortir une des règles fondamentales du calcul de transformateur :

Avec :

-        N, ce sera le nombre de spires au primaire ou au secondaire.

-        B maximum sera l’induction maximum que pourra transporter le circuit magnétique. Cette donnée dépend du matériau et est donnée par les fabricants.

-        S en m² est la surface interne du support isolant des conducteurs. La surface dépendra de la puissance que devra fournir le transformateur. Cette donnée dépend aussi du matériau et est donnée par les fabricants.

-        La fréquence f, en Hertz, est celle du réseau (50 Hertz)

6.   Pour construire un transformateur.

En fonction des matériaux achetés, les constructeurs peuvent fournir des abaques de calculs. (En donnant la fréquence)

Connaissant la puissance désirée, il sera possible de savoir :

-        Le type de support des isolants.

-        Le nombre de spires par volts, à placer au(x) primaire(s) et au(x) secondaire(s).

-        La densité de courant conseillée pour chaque enroulement, en fonction de la température d’usage. (d = I / section du fil)

 

Si l’on ne possède pas d’abaque. Il est par contre possible d’obtenir chez les constructeurs deux données essentielles : Le modèle de circuit magnétique et l’induction maximum supportable par ce circuit.  

-        Connaissant le modèle de circuit magnétique, il sera possible de savoir le type de support isolant des conducteurs et de mesurer la surface.

-        Connaissant l’induction maximum B maxi, la fréquence et les tensions désirées, il sera possible de calculer le nombre de spires nécessaires au primaire, puis au(x) secondaire(s) en appliquant et en retournant la formule :

7.   Types de transformateurs rencontrés.

a)      Monophasés.  

Ils sont répartis en quatre espèces :    

-        Les abaisseurs de tension. (Réversibles)

-        Les élévateurs de tension. (Réversibles)  

-        Les transformateurs d’isolement, utilisés dans les domaines de sécurité,

(avec m =1) 

-        Les transformateurs d’impulsions, de très petites tailles, ils servent en électroniques pour transmettre des informations et ne transportent que très peu d’énergie.  

b)     Triphasés.  

• Si l’installation utilisatrice, au niveau du secondaire est équilibrée.  

Ils comportent trois enroulements primaires et trois secondaires, Dans ce cas, on calcule un enroulement primaire et un secondaire. Les autres sont identiques. En principe les enroulements chaque phase est sur un support bien délimité.

 Ils sont répartis en deux espèces :

 

-        Les abaisseurs de tension. (Réversibles)  

-        Les élévateurs de tension. (Réversibles)  

La grosse différence se fera en fonction de la manière dont seront couplés les enroulements au primaire et au secondaire :  

-        Etoile au primaire et Etoile au secondaire.  

-        Etoile au primaire et Triangle au secondaire.  

-        Triangle au primaire et Triangle au secondaire.  

-        Triangle au primaire et Etoile au secondaire.

• Si l’installation utilisatrice, au niveau du secondaire est déséquilibrée.

Ils comporteront des enroulements spéciaux, nommés « Zig-Zag » Ce type de couplage permet un meilleur équilibrage des champs magnétiques.

Ils seront constitués de neuf enroulements pour le primaire et / ou le secondaire. (Trois par phase)

Chaque support de conducteurs qui dans le cas précèdent, ne comportait qu’une phase, en comportera ici trois, constituée par un tiers des enroulements nécessaires.

Par la suite, les différences apparaîtront, en fonction de la manière dont seront couplés les enroulements au primaire et au secondaire :  

-        Etoile au primaire et Etoile au secondaire.  

-        Etoile au primaire et Triangle au secondaire.  

-        Triangle au primaire et Triangle au secondaire.  

-        Triangle au primaire et Etoile au second.

Remarque : du fait des déphasages de chaque phase, une baisse de niveau de tension peut apparaître pour chaque phase. Pour compenser, chacune des bobines verra sont nombre de spires augmentées.

Compléments sur les circuits magnétiques.

1)   Les matériaux utilisés doivent présenter le moins d’hystérésis possible.

 Le fait qu’il y ait une conservation de magnétisme (rémanence) entraîne à chaque alternance du courant, une dépense d’énergie pour éliminer ce magnétisme (création d’un champ coercitif), donc des pertes calorifiques dans le fer.

 Cela entraîne une surconsommation inutile équivalent à celle qui serait occasionnée par une résistance placée en parallèle sur le primaire.  

Un bon indice de qualité des matériaux sera celui qui présente le moins de pertes de ce type.

2)   Tout matériau présente ce qui s’appelle, une saturation magnétique.

 L’induction maximale doit se trouver en dessous de la saturation.

Comme tension aux bornes d’un enroulement et magnétisme produit ; sont intimement liés, le fait de sur alimenter en tension, un enroulement, risque d’amener à cette saturation.  

Ceci entraîne rapidement une violente sur intensité.

3)   Le matériaux magnétiques sont généralement conducteurs, ils produisent des courants dits « de Foucault »

Comme les transformateurs ne fonctionnent qu’avec des courants alternatifs, on constate la génération de courants à l’intérieur des circuits magnétiques.

(cf. loi de Lenz )

 Ces courants se rebouclent sur eux-mêmes en court-circuit et provoquent des pertes en chaleur.  

Les courants se déplacent perpendiculairement au flux magnétique.  

Pour lutter et diminuer ces pertes, il existe deux grandes familles de circuits magnétiques.

a)      Les circuits feuilletés.  

Ils sont constitués par un empilage de plaques métalliques fines, recouvertes d’un vernis isolant. Plus les plaques sont fines meilleur est le résultat.

b)      Les circuits à cristaux orientés (magnétiquement orientés)  

Le principe de base, est analogue aux tôles feuilletées, cependant la construction de ces circuits est entièrement différente.  

Ce type de circuit est parmi les plus performant.  

Il se présente sous forme demi torique  à assembler, ou directement torique.

Il s’agit d’un agglomérat de très fine limaille métallique noyé lors de la construction dans une résine liquide, isolante électriquement.  

L’ensemble est placé dans des moules et est soumis à un fort champs magnétique continu.

Les grains de limaille se joigne en files et se positionnent sur les lignes de champ magnétique. Chaque ligne est noyée dans la résine isolante.  

(L’espace entre les lignes est inférieur ou égale au micron.)

Par la suite, grâce à un procédé de polymérisation, la résine est durcie, mais reste isolante.

Placé dans un transformateur, les minuscules et innombrables lignes sont traversées par le magnétisme, mais les courants ne peuvent pratiquement pas passer en travers.

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