Transformateur électrique

Les pylônes électriques sont un symbole emblématique du système électrique. Ils sont utilisés pour transporter l'électricité dans tout le pays. Cependant, si tu essaies de charger ton téléphone à partir des câbles qui passent sur les pylônes, il explosera ! Cela est dû au fait que l'électricité circule dans les câbles à des tensions extrêmement élevées. Pour utiliser l'électricité dans nos foyers, la tension doit être réduite à un niveau adapté aux appareils ménagers. Pour ce faire, on utilise des transformateurs.

Dans cet article, on verra plus particulièrement le cas du transformateur monophasé bien que les transformateurs triphasés sont également très courants.

Transformateur triphasé ou monophasé

Schéma du transformateur électrique

Les transformateurs se composent de trois parties principales :

• La bobine primaire - elle est connectée au premier circuit de courant alternatif (AC) et la tension à ses bornes est égale à la tension entrante du circuit. Cette tension primaire est notée \(U_1\).
• La bobine secondaire - elle est connectée au deuxième circuit alternatif et fournit la tension au deuxième circuit. Cette tension secondaire est notée \(U_2\).
• Le noyau de fer - il relie les deux bobines, qui sont enroulées sur des côtés opposés. Il n'y a pas de connexion électrique entre les deux bobines, elles sont uniquement reliées par le noyau de fer.

Fonctionnement d'un transformateur

Le circuit doit être traversé par un courant alternatif. On peut comprendre cela en considérant le fonctionnement d'un transformateur étape par étape :

- La bobine primaire est traversée par le courant alternatif du circuit d'origine. La bobine étant métallique, elle devient un électro-aimant et produit un champ magnétique alternatif. Un champ magnétique alternatif change constamment de direction.

- Le champ magnétique changeant est transporté autour du noyau de fer jusqu'à la bobine secondaire, comme nous pouvons le voir sur la figure ci-dessus.

- Lorsque le champ magnétique alternatif atteint la bobine secondaire, un courant y est induit, car la bobine agit comme un conducteur.

Les points ci-dessus montrent pourquoi le courant continu ne peut pas être utilisé dans le premier circuit. Un courant continu produirait un champ magnétique qui n'est pas alternatif. Comme le champ magnétique ne change pas, aucun courant et aucune tension ne serait induite dans la bobine secondaire.

Les lignes vertes en pointillé dans le schéma ci-dessus représentent les lignes du champ magnétique qui traversent le noyau de fer. L'énergie de la bobine primaire est transférée à la bobine secondaire par le champ magnétique - il n'y a aucune connexion électrique. Cela signifie que le champ magnétique doit pouvoir être transféré très efficacement à travers le noyau. Pour cela, il faut utiliser un matériau magnétiquement "doux", tel qu'un alliage de fer et de silicium. Cependant, une partie de l'énergie initiale est toujours perdue dans les situations réelles en raison de la résistance des fils et du noyau de fer qui résiste à la variation du champ magnétique.

L'énergie perdue est un gros problème lorsque l'on travaille avec des transformateurs. Dans les centrales électriques, on utilise des transformateurs extrêmement grands qui sont souvent contenus dans d'énormes réservoirs de sorte que le noyau et les bobines sont complètement enfermés. Une très petite quantité d'énergie est perdue sous forme de chaleur et un fluide de refroidissement est pompé en permanence autour des réservoirs afin d'évacuer la chaleur dissipée.

Transformateur : symbole et formule

La tension qui quitte la bobine secondaire vers le circuit externe dépend du rapport entre les nombres de tours ou d'enroulements des deux bobines du transformateur. En utilisant les symboles pour les tensions d'entrée et de sortie comme indiqué dans le schéma précédent, une formule simple relie les nombres de tours des deux bobines à la tension de sortie :

\[\frac{N_1}{N_2}=\frac{U_1}{U_2}\]

\(N_1\) représente le nombre de tours de la bobine primaire et \(N_2\) le nombre de tours de la bobine secondaire. L'équation est très simple et dit simplement que le rapport entre le nombre de tours de la bobine secondaire et le nombre de tours de la bobine primaire est égal au rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée.

Types de transformateurs électriques

Il existe deux types de transformateurs : les transformateurs élévateurs et les transformateurs abaisseurs. Leur nom te donne un indice sur leur fonction : les transformateurs élévateurs augmentent la tension entre un circuit alternatif et un autre, tandis que les transformateurs abaisseurs la diminuent.

Figure 2. Un transformateur élévateur trouvé à l'intérieur d'un micro-ondes, Wikimedia CC SA 4.0.

Pour qu'un transformateur augmente la tension du premier circuit au suivant, le nombre de tours de la bobine secondaire doit être supérieur à celui de la bobine primaire. Inversement, pour diminuer la tension d'un circuit à l'autre, le nombre de tours de la bobine secondaire doit être inférieur à celui de la bobine primaire.

Exemples de transformateurs

Les transformateurs ont de nombreuses applications utiles. Les transformateurs élévateurs et abaisseurs de tension sont utilisés dans différentes situations.

Le réseau national

L'énergie électrique est fournie à travers la France par des centrales électriques qui envoient l'électricité le long de câbles à haute tension. Le réseau national est le réseau de câbles qui relie tous les endroits en France qui ont besoin d'électricité. La raison pour laquelle les hautes tensions sont utilisées pour transmettre l'énergie électrique est qu'elles permettent de transmettre la même quantité d'énergie avec un flux de courant plus faible dans les câbles, ce qui signifie que l'énergie perdue sous forme de chaleur sera moindre. L'énergie est perdue parce que la résistance des câbles s'oppose au passage du courant. Ainsi, ils deviennent chauds, ce qui entraîne une dissipation d'énergie électrique en énergie thermique dans l'environnement.

Figure 3. Schéma montrant les transformateurs élévateurs et abaisseurs de tension utilisés dans le système de transmission de l'électricité en Amérique du Nord. Le système français est très similaire, fonctionnant à des tensions légèrement différentes. Wikimedia.

Les hautes tensions sont très dangereuses et c'est pourquoi les câbles qui transportent l'énergie électrique sont placés en hauteur sur des pylônes, comme le montre le schéma ci-dessus.

Les centrales électriques produisent généralement de l'électricité à une tension de \(25\, kV\). Celle-ci est augmentée par des transformateurs élévateurs jusqu'à une tension de \(400\,kV\) pour être transmise le long des pylônes, et cette tension est ensuite réduite à environ \(220\,V\) une fois que les câbles haute tension atteignent un poste électrique local.

Les ordinateurs et autres appareils électroniques sont alimentés par la tension du secteur. Cependant, leur tension de fonctionnement est normalement beaucoup plus faible que \(220 \,V\) ! Des transformateurs abaisseurs sont intégrés aux appareils pour réduire la tension à un niveau approprié. D'un autre côté, la tension de fonctionnement des fours à micro-ondes est plus élevée que la tension du secteur, ils ont donc un transformateur élévateur à l'intérieur pour augmenter la tension.

Références

1. Fig. 1: Transformer3d (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg) by BillC (https://en.wikipedia.org/wiki/User:BillC) is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).
2. Fig. 2: Caso SMG20 - MD Microwave Oven Manufacturing MD-801EMR-1-0190 (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Caso_SMG20_-_MD_Microwave_Oven_Manufacturing_MD-801EMR-1-0190.jpg) by Raimond Spekking (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Raymond) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)