Qu'est-ce qu'un transformateur électrique et à quoi sert-il ?

Qu'est-ce qu'un transformateur électrique ?

transformateurs électriquesCe sont les piliers silencieux de notre monde moderne. Ils œuvrent dans les sous-stations, sur les poteaux électriques et au sein d'innombrables appareils, transportant l'énergie d'un endroit à un autre sans que personne ne s'en aperçoive.

Un transformateur est un appareil statique qui transfère l'énergie électrique entre deux circuits par induction électromagnétique. Sa fonction principale est de modifier les niveaux de tension. Il peut augmenter la tension pour le transport d'électricité sur de longues distances ou l'abaisser à des niveaux sûrs pour les habitations et les entreprises.

Ce guide vous expliquera le fonctionnement des transformateurs, leurs composants, les différents types existants, comment en choisir un et comment assurer son bon fonctionnement.

Comment fonctionne un transformateur électrique ?

Chaque transformateur fonctionne selon une loi physique fondamentale : la loi de Faraday sur l’induction électromagnétique. Cette loi stipule qu’un champ magnétique variable induit une tension dans un fil conducteur proche. Les transformateurs exploitent ce principe pour transférer l’énergie d’un circuit à un autre avec un minimum de pertes.

Le processus débute lorsqu'une tension alternative est appliquée à l'enroulement primaire, constitué d'une bobine de fil enroulée autour d'un noyau magnétique. Ce courant alternatif crée un champ magnétique en constante variation, appelé flux magnétique, à l'intérieur du noyau. Ce dernier est généralement composé de fines feuilles de fer empilées et guide le flux magnétique avec de très faibles pertes. Ce flux traverse ensuite le noyau pour atteindre l'enroulement secondaire, qui est une autre bobine de fil.

Lorsque le flux magnétique variable traverse l'enroulement secondaire, il y crée une tension alternative. Il n'existe aucune connexion électrique directe entre les deux enroulements.

Pour plus de détails, vous pouvez explorer les principes fondamentaux de l'induction électromagnétique.

Le rapport entre la tension d'entrée et la tension de sortie dépend du rapport de transformation. Ce dernier correspond simplement au nombre de spires de l'enroulement primaire divisé par le nombre de spires de l'enroulement secondaire.

La formule est :V₁/V₂ = N₁/N₂.

• Si l'enroulement secondaire comporte plus de spires que l'enroulement primaire, la tension de sortie est plus élevée, ce qui en fait untransformateur élévateur.
• Si le secondaire comporte moins de spires, la tension de sortie est plus faible, ce qui en fait untransformateur abaisseur.

Un schéma de base montrerait trois parties principales : l’enroulement primaire où arrive la tension d’entrée, le noyau de fer feuilleté qui guide le flux magnétique et l’enroulement secondaire où est produite la tension de sortie.

Quels sont les composants internes d'un transformateur électrique ?

Comprendre la composition d'un transformateur permet de saisir son fonctionnement et sa durée de vie. Chaque pièce a un rôle précis dans la gestion de l'énergie électrique, des champs magnétiques et de la chaleur. Voici une description des principaux composants.

• Cœur:Voici le cœur du transformateur. Il offre un chemin au flux magnétique et est constitué de fines feuilles d'acier au silicium de haute qualité, superposées les unes aux autres. Cette conception multicouche réduit les pertes d'énergie dues aux courants de Foucault.

• Enroulements (bobines) :Ce sont les conducteurs qui transportent le courant. Les transformateurs possèdent au moins deux enroulements : un primaire et un secondaire. Ils sont généralement en cuivre ou en aluminium et sont isolés l’un de l’autre et du noyau.

• Matériau isolant :L'isolation empêche les courts-circuits et protège le transformateur.
  1. In transformateurs remplis d'huileL'huile minérale raffinée agit à la fois comme isolant et comme fluide de refroidissement.
  2. Transformateurs de type secUtilisez plutôt de la résine coulée solide ou d'autres matériaux résistants à la chaleur.

• Réservoir:Il s'agit de l'enveloppe extérieure qui renferme le noyau, les enroulements et le fluide isolant. Elle protège les composants internes des agressions extérieures et des chocs. Son étanchéité est impérative pour empêcher l'humidité de pénétrer dans l'huile isolante.

• Douilles :Ce sont des bornes isolées qui relient les enroulements internes aux lignes d'alimentation externes. Elles sont généralement en porcelaine ou en polymère afin de permettre le transport sécurisé de l'électricité à travers la paroi de la cuve mise à la terre.

• Circuit de refroidissement:Tous les transformateurs produisent de la chaleur, car aucun transfert d'énergie n'est parfaitement efficace. Un système de refroidissement évacue cette chaleur et prévient les dommages.
  1. Les modèles simples utilisent des ailettes ou des radiateurs sur le réservoir, appelésONAN (Huile Naturelle Air Naturelle).
  2. Dans des situations plus exigeantes, on utilise des ventilateurs ou des pompes, appelés…ONAF (Pétrole naturel à air forcé) orOFAF (Fusion par l'huile et par l'air).

Quels sont les différents types de transformateurs électriques ?

Le terme « transformateur » désigne une vaste gamme d'appareils, chacun étant conçu pour une application spécifique. Les classer par catégories facilite la compréhension du rôle de chaque type et de sa place dans le réseau électrique.

Classification par applications

• Transformateurs de puissance :Ce sont des unités de grande taille et à haute tension utilisées dans les réseaux de transport d'électricité. Elles fonctionnent à des tensions supérieures à 33 kV et acheminent d'importantes quantités d'énergie entre les centrales électriques et les principaux postes de transformation. Leur principal objectif est d'obtenir un rendement élevé à pleine charge ou presque.

• Transformateurs de distribution :Ces unités fonctionnent à des tensions plus basses, généralement inférieures à 33 kV, et sont installées à proximité des habitations et des entreprises. Elles abaissent la tension pour une utilisation dans les quartiers résidentiels, les bâtiments commerciaux et les usines. Elles sont conçues pour maintenir leur efficacité même en cas de variations de charge au cours de la journée.

• Transformateurs d'instruments :Ce groupe n'est pas utilisé pour le transport de fortes puissances. Les transformateurs de courant (TC) et les transformateurs de tension (TT) abaissent le courant et la tension à des niveaux sûrs et standard pour les compteurs et les relais de protection.

Classification par phase

• Transformateurs monophasés :Ces groupes électrogènes possèdent un enroulement primaire et un enroulement secondaire. Ils sont couramment utilisés pour alimenter les habitations et les petits commerces, comme ceux que l'on trouve sur les poteaux électriques.

• Transformateurs triphasés :Ces transformateurs gèrent l'énergie triphasée et constituent la norme pour les usines, les centres de données et le réseau électrique principal. Ils sont très efficaces pour la distribution de grandes quantités d'énergie.

Classification par construction de base

• Type de noyau :Les enroulements recouvrent une grande partie du noyau. Cette conception est généralement moins coûteuse et convient parfaitement aux transformateurs de petite taille et de basse tension.

• Type de coquille :Le noyau enveloppe une grande partie des enroulements. Ceci assure un meilleur maintien physique des enroulements face aux forces générées lors d'un court-circuit et est souvent utilisé pour les transformateurs de grande taille et de haute tension.

Ce tableau permet de comparer clairement ces différents types de transformateurs.

CNC ÉLECTRIQUE

Transformateur entièrement scellé à bain d'huile série S9-M

Doté d'un réservoir ondulé étanche rempli d'huile et s'adaptant naturellement à la dilatation de celle-ci, ce système est conçu pour un rendement élevé et des pertes minimales, permettant ainsi de réduire considérablement la consommation d'énergie et les coûts d'exploitation.

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Comment choisir le bon transformateur

Choisir le bon transformateur est une décision cruciale qui influe sur les performances, le coût et la sécurité du système. Cette liste de contrôle offre aux ingénieurs, aux acheteurs et aux gestionnaires d'installations un cadre clair à suivre.

1.Définissez vos besoins en puissance (puissance apparente en kVA)La puissance apparente (kVA) est la première donnée à déterminer. Elle indique la puissance totale que le transformateur peut fournir sans surchauffe. Dimensionnez-le pour supporter la charge maximale prévue et prévoyez une marge pour les évolutions futures.

2. Déterminer les niveaux de tension:Vous devez spécifier la tension primaire, qui doit correspondre à l'alimentation disponible, et la tension secondaire requise par votre équipement. Tenez également compte du type d'enroulement (triangle ou étoile, par exemple), car cela influe sur la mise à la terre et les relations de phase.

3. Considérez l'environnement de l'application :L'emplacement du transformateur influence de nombreux autres choix. Sera-t-il installé à l'intérieur ou à l'extérieur ? L'espace est-il limité ? Sera-t-il exposé à des températures extrêmes (chaleur ou froid), à une altitude élevée ou à des conditions corrosives ? ​​Ces facteurs déterminent le type d'enceinte et de système de refroidissement nécessaires.

4. Évaluer l'efficacité et les pertes :Un transformateur plus efficace coûte moins cher à exploiter sur toute sa durée de vie. Deux éléments clés à comparer sont les pertes à vide, qui se produisent en permanence dans le noyau, et les pertes à pleine charge, qui se produisent dans les enroulements lorsque le courant circule. Les transformateurs modernes doivent respecter des normes d'efficacité strictes afin de réduire le coût total de possession au fil du temps.

5.Choisissez la méthode de refroidissement appropriée :Le système de refroidissement doit être adapté à la charge prévue et au climat local. Un refroidissement ONAN simple convient parfaitement aux petites unités. Les transformateurs plus importants peuvent nécessiter des systèmes ONAF ou OFAF avec ventilateurs et pompes pour dissiper davantage de chaleur.

6.Évaluer les facteurs de sécurité et environnementaux : Transformateurs de type secLes transformateurs à bain d'huile sont souvent préférables pour les environnements intérieurs ou sensibles à l'environnement, car ils ne présentent aucun risque de fuite d'huile et sont plus sûrs en cas d'incendie. En revanche, les transformateurs à bain d'huile refroidissent généralement mieux et durent plus longtemps dans les sous-stations extérieures.

Une fois que vous avez parcouru cette liste de vérification, l'étape suivante consiste à faire correspondre vos besoins aux produits disponibles.Consultez notre catalogue complet de transformateurspour trouver les modèles qui correspondent à vos exigences en matière de tension, de kVA et d'application.

Conclusion : Le noyau indispensable

De l'idée de base de l'induction électromagnétique aux détails de sélection et de maintenance, le transformateur électrique est une véritable prouesse d'ingénierie. C'est le composant essentiel au fonctionnement de notre réseau électrique mondial.

Ce guide a présenté le fonctionnement des transformateurs, leurs composants, la classification des différents types et les étapes pratiques pour leur choix et leur entretien. Toute personne travaillant dans le secteur de l'énergie se doit de maîtriser ces notions. La capacité d'un transformateur à modifier les niveaux de tension de manière fiable est essentielle à la distribution moderne d'électricité, permettant ainsi à l'électricité de parcourir de longues distances et d'arriver en toute sécurité dans chaque foyer et entreprise.