Un transformateur électrique (parfois abrégé en « transfo ») est une machine électrique permettant de modifier les valeurs de tension et d'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un système de tension et de courant de valeurs différentes, mais de même fréquence et de même forme. Il effectue cette transformation avec un excellent rendement. Il est analogue à un engrenage en mécanique (le couple sur chacune des roues dentées étant l'analogue du courant et la vitesse de rotation étant l'analogue de la tension).

On distingue les transformateurs statiques et les commutatrices. Dans un transformateur statique, l'énergie est transférée du primaire au secondaire par l'intermédiaire du circuit magnétique que constitue la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alors magnétiquement couplés. Ceci permet de réaliser un isolement galvanique entre les deux circuits. Dans une commutatrice, l'énergie est transmise de manière mécanique entre une génératrice et un moteur électrique.

Vue en coupe d'un transformateur triphasé.

Montage d'un transformateur (Allemagne, 1981).

Découverte

L'expérience de Faraday avec l'induction entre des bobines.

Transformateur de Faraday.

Le principe de l'induction électromagnétique est découvert indépendamment par Michael Faraday et Joseph Henry en 1831. Mais Faraday ayant publié le premier ses résultats expérimentaux, le crédit de la découverte lui revient.

La relation entre la force électromotrice, qui est homogène à une tension, et le flux magnétique est formalisée dans la loi de Faraday, soit :

Dans laquelle :

| E | {\displaystyle |{\mathcal {E}}|} est l'amplitude de la force électromagnétique en volts ;

Φ B {\displaystyle \Phi _{B}} est le flux magnétique dans le circuit exprimé en webers.

Faraday avec ses bobines enroulées autour d'un anneau de fer, crée en fait le premier transformateur toroïdal, mais n'en prévoit pas les applications pratiques.

Bobines d'induction

Le travail sur les bobines d'induction est poursuivi par le révérend Nicholas Callan du Maynooth College en Irlande en 1836. Il est l'un des premiers à comprendre que le nombre de tours de la bobine secondaire et du primaire influait sur la force électromotrice produite. Les bobines évoluent grâce aux efforts des différents scientifiques et inventeurs qui cherchent à augmenter la tension provenant de batteries connectées au primaire. Ces batteries fournissant du courant continu, il faut ouvrir régulièrement le circuit afin d'obtenir la variation de tension et donc la variation de flux nécessaire à l'induction. Ceci est réalisé à l'aide de « contacts vibrants ». Entre les années 1830 et 1870, les progrès dans le domaine, surtout réalisés par tâtonnement, fournissent les bases de la compréhension des futurs transformateurs.

Dans les années 1870, des générateurs électriques en courant alternatif apparaissent. On se rend compte qu'en l'utilisant dans une bobine d'induction le système d'ouverture du circuit devient inutile. En 1876, l'ingénieur russe Paul Jablochkoff invente un système d'éclairage basé sur un lot de bobines d'induction, dans lesquelles la bobine primaire est connectée à une source de courant alternatif et la bobine secondaire branchée à plusieurs « lampes à arc » qu'il a conçues lui-même. Son montage avec deux bobines d'induction est fondamentalement un transformateur.

En 1878, la société hongroise Ganz commence la fabrication d'équipements électriques destinés à l'éclairage. En 1883, elle a déjà installé plus de 50 systèmes électriques en Autriche-Hongrie. Ses systèmes utilisent exclusivement le courant alternatif. Ils sont constitués de lampes à arc et de lampes incandescentes alimentées par des générateurs électriques.

Le premier système à circuit magnétique en fer est exposé par Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs à Londres en 1882, qui le dénomment générateur secondaire. Après l'exposition, Gaulard et Gibbs vendent leur idée à la société américaine Westinghouse. Ils présentent une nouvelle fois leur invention à Turin en 1884, où elle sera utilisée pour le système d'éclairage. Toutefois le rendement de leur appareil reste bas.

Les bobines d'induction avec un circuit magnétique ouvert sont peu efficaces pour le transfert de puissance électrique. Jusque dans les années 1880, pour transférer de la puissance en courant alternatif depuis une source en haute-tension à des charges en basse tension on les connecte toutes en série. Des transformateurs à circuit ouvert avec un rapport proche de 1:1 ont alors leurs primaires branchés en série avec la source de tension et leurs secondaires branchés aux lampes. Le problème est que quand une lampe est allumée ou éteinte cela influe sur la tension aux bornes de toutes les autres dans le circuit. Des transformateurs variables sont introduits pour régler ce problème, certains utilisent une modification de leur circuit magnétique voire détournent une partie du flux magnétique pour faire varier leur rapport de conversion.

C'est dans les années 1880 qu'apparaissent les premiers transformateurs possédant un bon rendement et pouvant trouver une vraie application. Leur usage permet la victoire du courant alternatif sur le courant continu dans les réseaux électriques.

Transformateur à circuit fermé

Transformateur cuirassé, conçu par Uppenborn suivant les brevets de 1885 des ingénieurs Ganz.

Transformateur à colonne de 1885. Plus vieil exemplaire du transformateur moderne de l'usine Ganz.

Transformateur de Stanley de 1886 avec un entrefer ajustable.

En automne 1884, Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy et Miksa Déri, trois ingénieurs associés à la société Ganz, sont venus à la conclusion que les circuits magnétiques ouverts ne sont pas la solution pour les usages pratiques et pour réguler la tension. Dans leur brevet de 1885, ils décrivent deux nouveaux types de transformateurs à circuit magnétique fermé. Dans le premier cas les bobines de cuivre sont autour du circuit magnétique, on parle de transformateur à colonnes, dans le second c'est le circuit magnétique qui est autour des bobines, transformateur cuirassé. Ces designs sont toujours en application de nos jours pour la construction des transformateurs.

Toujours en automne 1884, la société Ganz réalise le premier transformateur à haut rendement et le livre le 16 septembre 1884. Il possède les caractéristiques suivantes : 1 400 watts, 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, soit un rapport 1,67:1, monophasé et cuirassé. Dans les deux designs proposés, le flux magnétique circule du primaire au secondaire quasiment intégralement dans le circuit magnétique. Seule une très petite partie passe par l'air, c'est ce qu'on appelle le flux de fuite. Les nouveaux transformateurs sont 3,4 fois plus efficaces que celui à circuits magnétiques ouverts de Gaulard et Gibbs. Leur brevet contient deux autres innovations majeures : l'une concerne la connexion en parallèle des charges, en lieu et place des connexions série, l'autre imagine la possibilité de construire des transformateurs avec de nombreux tours de bobines permettant d'avoir une tension de transport de l'électricité différente de celle d'utilisation. Typiquement une valeur de 1 400 à 2 000 V est prévue pour le transport et 100 V pour l'usage.

L'usage en parallèle de ces nouveaux transformateurs dans le réseau de distribution rend possible la fourniture d'électricité sur un plan technique et économique. Bláthy suggère l'usage d'un circuit magnétique fermé, Zipernowsky l'usage de connexions en parallèle, Déri fait les expériences. Ils popularisent également l'usage du mot « transformateur », même si le terme est déjà en usage en 1882.

En 1886, la société Ganz fournit l'équipement du premier poste électrique en courant alternatif connecté en parallèle, la fourniture d'électricité est assurée par un générateur électrique à vapeur de Rome-Cerchi.

Même si George Westinghouse a acquis les brevets de Gaulard et Gibbs en 1885, c'est la société Edison Electric Light Company qui obtient la licence pour la construction des transformateurs « Ganz » aux États-Unis. Westinghouse se trouve donc obligé d'utiliser une conception différente pour fabriquer ses transformateurs. Il confie la conception de ces nouveaux modèles à William Stanley.

Le premier brevet sur les transformateurs déposé par Stanley présente une construction avec un circuit magnétique en fer doux avec un entrefer ajustable permettant de réguler la tension au secondaire. Ce design est tout d'abord vendu aux États-Unis en 1886. Westinghouse veut améliorer le concept afin de le rendre plus simple à produire et donc moins cher. Cela amène à l'émergence d'un nouveau modèle dans lequel le noyau magnétique est constitué de fines tôles séparées entre elles par des feuilles de papier ou d'autres matériaux isolants. Les bobines sont ensuite glissées autour des colonnes avant de refermer le circuit avec les tôles horizontales. Ce nouveau modèle est déposé au bureau des brevets en décembre 1886 par Stanley et définitivement breveté en juillet 1887.

Transformateur de distribution sec

Le transformateur isolé et refroidi à l'huile est inventé au environ de 1912. Cela permet de construire des transformateurs de puissances plus élevées. Son principal défaut est son inflammabilité. L'usage des PCB permet de contourner cet inconvénient, leur toxicité a toutefois conduit à leur interdiction en 1987. Les transformateurs de type sec utilisant une isolation à base de résine sont inventés en 1965.

Autres précurseurs

En 1889, le russe Mikhaïl Dolivo-Dobrovolski construit le premier transformateur triphasé chez AEG, une société allemande.

En 1891, Nikola Tesla crée la bobine qui porte désormais son nom. Il s'agit d'une bobine sans noyau magnétique qui fonctionne en résonance à haute fréquence et produit de très hautes tensions.

Fonctionnement du transformateur monophasé

Transformateur parfait ou idéal

Équations de base

Transformateur monophasé idéal.

C'est un transformateur virtuel sans aucune perte. Il est utilisé pour modéliser les transformateurs réels. Ces derniers sont considérés comme une association d'un transformateur parfait et de diverses impédances.

Dans le cas où toutes les pertes et les fuites de flux sont négligées, le rapport du nombre de spires secondaires N 2 {\displaystyle {N_{2}}} sur le nombre de spires primaires N 1 {\displaystyle {N_{1}}} détermine totalement le rapport de transformation du transformateur, noté m {\displaystyle {m}} .

Exemple : un transformateur dont le primaire comporte 230 spires alimenté par une tension sinusoïdale de 230 V de tension efficace, le secondaire qui comporte 12 spires présentera à ses bornes une tension sinusoïdale dont la valeur efficace sera égale à 12 V (attention, en général une spire n'est pas « égale » à 1 V, ceci est un cas particulier.)

Comme on néglige les pertes, la puissance est transmise intégralement, c'est pourquoi l'intensité du courant dans le secondaire sera dans le rapport inverse soit près de 19 fois plus importante que celle circulant dans le primaire.

De l'égalité des puissances apparentes : S 1 = S 2 {\displaystyle S_{1}=S_{2}\,} , soit : U 1 I 1 = U 2 I 2 {\displaystyle U_{1}I_{1}=U_{2}I_{2}\,} on en déduit : U 2 U 1 = I 1 I 2 {\displaystyle {\frac {U_{2}}{U_{1}}}={\frac {I_{1}}{I_{2}}}}

La puissance apparente maximale d'un transformateur est exprimée en VA.

Explication grâce au flux magnétique Soit une bobine comportant N spires, à laquelle on applique une tension sinusoïdale de valeur u ( t ) = u m a x ⋅ s i n ( ω t ) = 2 U ⋅ s i n ( ω t ) {\displaystyle u(t)=u_{max}\cdot sin(\omega t)={\sqrt {2}}U\cdot sin(\omega t)} avec ω = 2 π f {\displaystyle \omega =2\pi f} , avec f la fréquence f à ses bornes et U la tension efficace. Notons de plus le flux alternatif induit par cette bobine ϕ {\displaystyle \phi } . On note u q {\displaystyle u_{q}} la tension induite. L'équation de Maxwell-Faraday donne : u q = N d ϕ d t {\displaystyle u_{q}=N{\frac {d\phi }{dt}}} En remplaçant u q {\displaystyle u_{q}} par la valeur de la tension sinusoïdale et en intégrant on obtient : ϕ = 2 U ω N c o s ( ω t ) {\displaystyle \phi ={\frac {{\sqrt {2}}U}{\omega N}}cos(\omega t)} Et donc : U = 2 ∗ f ∗ N ∗ π ∗ ϕ m a x ≈ 4 , 44 ∗ f ∗ N ∗ ϕ m a x {\displaystyle U={\sqrt {2}}*f*N*\pi *\phi _{max}\approx 4,44*f*N*\phi _{max}} . Maintenant considérons le cas d'un transformateur idéal, par définition il n'a aucune perte et son noyau est infiniment perméable. Autrement dit, le flux magnétique est le même dans les deux bobines. On a donc : ϕ m a x = U 1 2 ∗ f ∗ N 1 ∗ π = U 2 2 ∗ f ∗ N 2 ∗ π {\displaystyle \phi _{max}={U_{1} \over {\sqrt {2}}*f*N_{1}*\pi }={U_{2} \over {\sqrt {2}}*f*N_{2}*\pi }} Soit en simplifiant : U 1 N 1 = U 2 N 2 {\displaystyle {U_{1} \over N_{1}}={U_{2} \over N_{2}}}

Adaptation d'impédance

Les rapports des tensions et des courants étant modifiés entre le primaire et le secondaire, une impédance placée au primaire ne sera pas perçue avec sa valeur initiale au secondaire.

On a l'équation :

où :

Z 1 {\displaystyle Z_{1}} : impédance vue du primaire ;

Z 2 {\displaystyle Z_{2}} : impédance du secondaire ;

N 1 {\displaystyle N_{1}} : nombre de spires du primaire ;

N 2 {\displaystyle N_{2}} : nombre de spires du secondaire.

Symbole

Symbole d'un transformateur.

Le symbole du transformateur à noyau de fer correspond à 2 bobines séparées par 2 lignes verticales qui symbolisent le circuit magnétique. Il représente assez simplement sa construction physique ainsi que son rôle de couplage.

Les pertes de puissance d'un transformateur

Schéma équivalent d'un transformateur réel

Pour modéliser un transformateur réel en régime stationnaire il existe divers modèles qui répondent à divers cahiers des charges. Le plus souvent, ces modèles tentent de rendre compte des pertes et des chutes de tension en charge. On ajoute alors au transformateur idéal des dipôles linéaires permettant de modéliser les pertes mais aussi les chutes de tension lors d'un fonctionnement en régime sinusoïdal à la fréquence d'utilisation.

Schéma électrique équivalent d'un transformateur électrique non-idéal.

Les notations du schéma ci-contre sont les suivantes :

U1 : tension au primaire, parfois aussi noté Up ;

U2 : tension au secondaire, parfois aussi noté Us ;

Lf1 : inductance de fuite au primaire, parfois aussi notée Uσ1 ou Uσp ;

Lf2 : inductance de fuite au secondaire, parfois aussi notée Uσ2 ou Uσs ;

R1 : résistance des bobinages au primaire, parfois aussi notée Rp ;

R2 : résistance des bobinages au secondaire, parfois aussi notée Rs ;

Lμ : inductance de magnétisation ou magnétisante.

RFe : résistance modélisant les pertes fer.

Ce modèle, s'il prend en compte les pertes, néglige les non-linéarités et les capacités parasites.

Mise en commun de l'impédance principale

Schéma d'un transformateur.

Un transformateur est constitué principalement de deux bobines, liées par un circuit magnétique. On peut le modéliser en notant deux inductances propres L₁ et L₂, ainsi qu'une inductance mutuelle, notée M, ou parfois L₁₂. Sur le schéma les tensions sont notées e₁ et e₂, par la suite on les notera U₁et U₂ comme dans la partie précédente. Les courants I₁ et I₂ sont rentrants. On note enfin ${\displaystyle \phi _{1}}$ le flux au primaire et ${\displaystyle \phi _{2}}$ celui au secondaire. Les résistances sont négligées ici afin de rendre plus lisible les calculs. Au départ on écrira que le flux au primaire vaut :

${\displaystyle \phi _{1}=L_{1}\cdot I_{1}+M\cdot I_{2}}$

Au secondaire :

${\displaystyle \phi _{2}=L_{2}\cdot I_{2}+M\cdot I_{1}}$

En dérivant on obtient le système suivant :

${\displaystyle {\begin{cases}U_{1}=L_{1}{dI_{1} \over dt}+M{dI_{2} \over dt}\\U_{2}=L_{2}{dI_{2} \over dt}+M{dI_{1} \over dt}\end{cases}}}$.

Schéma électrique équivalent d'un transformateur électrique non-idéal où les résistances sont négligées.

On introduit alors le schéma équivalent ci-contre, qui permet de différencier les paramètres liées au flux de fuite et ceux liés à l'inductance mutuelle. Les équations associées à ce schéma sont :

${\displaystyle {\begin{cases}U_{1}=L_{f1}\cdot {\frac {dI_{1}}{dt}}+L_{\mu }\cdot ({\frac {dI_{1}}{dt}}+m{\frac {dI_{2}}{dt}})=(L_{f1}+L_{\mu }){\frac {dI_{1}}{dt}}+m\cdot L_{\mu }{\frac {dI_{2}}{dt}}\\U_{2}=m\cdot U_{\mu }=m\cdot L_{\mu }({\frac {dI_{1}}{dt}}+m{\frac {dI_{2}}{dt}})=m\cdot L_{\mu }{\frac {dI_{1}}{dt}}+m^{2}\cdot L_{\mu }{\frac {dI_{2}}{dt}}\end{cases}}}$.

En identifiant les paramètres du second schéma avec ceux du premier on trouve :

${\displaystyle m={\frac {L_{2}}{M}}}$

${\displaystyle L_{\mu }={\frac {M^{2}}{L_{2}}}={\frac {M}{m}}}$

${\displaystyle L_{f1}=L_{1}\frac {M^{2}}{L_{2}}}=L_{1L_{\mu }}$

 

Les pertes « fer »

Le feuilletage permet de réduire les pertes par courants de Foucault.

Les pertes dans le circuit magnétique, également appelées « pertes fer », dépendent de la fréquence et de la tension d'alimentation. À fréquence constante, on peut les considérer comme proportionnelles au carré de la tension d'alimentation. Ces pertes ont deux origines physiques :

les pertes par courants de Foucault. L'induction crée des courants au sein du noyau de fer, qui échauffe ce dernier par effet joule. Elles sont minimisées par l'utilisation de tôles magnétiques vernies, donc isolées électriquement les unes des autres pour constituer le circuit magnétique, ce en opposition à un circuit massif. Elles sont proportionnelles à la fréquence au carré ;

les pertes par hystérésis, le changement de direction permanent du flux oblige le fer à se réorienter lui aussi en permanence, cela ne se fait pas sans frottement ce qui crée ces pertes. Elles sont minimisées par l'utilisation d'un matériau ferromagnétique doux. En effet, elles sont proportionnelles à l'aire du cycle d'hystérésis, celui-ci doit donc être le plus étroit possible, d'où les matériaux doux. Ces pertes sont de plus proportionnelles à la fréquence.

Les courbes des fabricants de tôles magnétiques donnent, pour des fréquences déterminées, les pertes globales pour différentes valeurs de l'induction.

Les pertes « cuivre »

Les pertes par effet Joule dans les enroulements sont appelées également « pertes cuivre », elles dépendent de la résistance de ces enroulements et de l'intensité du courant qui les traverse : elles sont proportionnelles au carré de l'intensité.

Des pertes par courant de Foucault existent également dans les bobines. Elles sont dues au champ de fuite. Toutefois, elles sont en général faibles et ne sont prises en compte que dans des modèles très détaillés.

Fuite de flux

Le circuit magnétique est considéré dans le modèle du transformateur idéal comme sans perte, ce qui serait le cas si la résistance magnétique du fer était nulle. Or ce n'est pas le cas, le flux circule donc partiellement à l'extérieur du noyau, ce flux appelé « de fuite », par opposition au flux « principal », est modélisable par une inductance en série avec la résistance de chaque enroulement. En notant ${\displaystyle R_{m}}$ la résistance magnétique du noyau de fer et N le nombre de spires on obtient la formule suivante:

Afin de limiter le nombre de composants dans la modélisation. On ramène ensuite en général les bobines de fuites d'un même côté du transformateur (primaire ou secondaire) en utilisant la formule de l'adaptation d'impédance.

Mesure des pertes

Essais en court-circuit

Pour mesurer les pertes par effet Joule, il faut que le courant soit élevé et les pertes magnétiques très faibles, donc que les enroulements soient soumis à une faible tension. La mise en court-circuit du transformateur avec une alimentation en tension réduite permet de réaliser ces deux conditions. Les pertes du transformateur sont alors quasiment égales aux pertes par effet Joule. Dans la pratique, une fois le transformateur court-circuité, il ne serait pas possible de mesurer le courant en imposant la tension nominale entre les bornes du primaire : le courant serait beaucoup trop élevé entraînant de fortes contraintes mécaniques et de hautes températures. Pour éviter cela, on mesure les pertes cuivres en réglant le courant au courant nominal, la tension résultante appelée « tension de court-circuit » est alors plus faible que la tension nominale. On l'exprime en pourcentage de la tension nominale. Une tension de court-circuit faible a pour conséquence une faible chute de tension, mais un fort courant de court-circuit, un compromis doit donc être trouvé entre ces deux paramètres.

Détermination des paramètres lors de la mesure On note « cc » les valeurs en court-circuit. R la résistance des enroulements. Z leur impédance, X l'inductance, P la puissance active, U la tension et I le courant. P c c = I c c 2 ⋅ R {\displaystyle P_{cc}=I_{cc}^{2}\cdot R} Z = U c c I c c {\displaystyle Z={\frac {U_{cc}}{I_{cc}}}} X = ( U c c I c c ) 2 − R 2 {\displaystyle X={\sqrt {\left({\frac {U_{cc}}{I_{cc}}}\right)^{2R^{2}}}}

Essais à vide

Pour mesurer les pertes fers et les fuites magnétiques, il faut un état pour lequel les pertes par effet joule soient faibles, c'est-à-dire un faible courant, et où les pertes magnétiques soient élevées, c'est-à-dire une tension élevée. Le fonctionnement à vide, sans récepteur relié au secondaire, correspond à ce cas. La puissance consommée au primaire du transformateur est alors quasiment égale aux pertes magnétiques.

Détermination des paramètres lors de la mesure On note R F e {\displaystyle R_{Fe}} la résistance équivalente aux pertes fer, X μ {\displaystyle X_{\mu }} l'inductance principale, P 0 {\displaystyle P_{0}} la puissance active à vide, U 1 {\displaystyle U_{1}} la tension au primaire, I F e {\displaystyle I_{Fe}} la composante réelle du courant et I μ {\displaystyle I_{\mu }} sa composante imaginaire. I F e = P 0 U 1 {\displaystyle I_{Fe}={\frac {P_{0}}{U_{1}}}} R F e = U 1 I F e {\displaystyle R_{Fe}={\frac {U_{1}}{I_{Fe}}}} X μ = U 1 I μ {\displaystyle X_{\mu }={\frac {U_{1}}{I_{\mu }}}}

Constitution

Photographie des enroulements d'un transformateur triphasé.

Il est constitué de deux parties essentielles, le circuit magnétique et les enroulements.

Le circuit magnétique

Le circuit magnétique d'un transformateur est soumis à un champ magnétique variable au cours du temps. Pour les transformateurs reliés au secteur de distribution, cette fréquence est de 50 ou 60 hertz. Le circuit magnétique est toujours feuilleté pour réduire les pertes par courants de Foucault, qui dépendent de l'amplitude du signal et de sa fréquence. Pour les transformateurs les plus courants, les tôles empilées ont la forme de E et de I, permettant ainsi de placer le bobinage à l'intérieur des « fenêtres » du circuit magnétique ainsi constitué.

Toutes ces tôles en fer au silicium existent en épaisseur de 0,2 à 0,5 mm ; elles sont, soit non isolées (pour petite puissance), soit isolées par une très fine couche de vernis. Leur qualité est précisée par leur pertes en W/kg à une induction donnée de 1 tesla. Il existe des tôles de 0,6 W/kg jusqu'à 2,6 W/kg de façon courante.

Schémas des tôles d'un transformateur monophasé.

Schéma de la carcasse d'un transformateur monophasé bas de gamme

À noter que dans les culasses qui joignent les colonnes, le flux est perpendiculaire au sens de laminage. Le matériau magnétique n'est pas utilisé au mieux, l'orientation moléculaire étant défavorable au passage du flux. Il existe donc des circuits en anneau torique, constitués par l'enroulement d'une bande de tôle magnétique offrant toujours le même sens d'orientation au flux. Ces circuits magnétiques se nomment des tores. Le bobinage des tores de façon industrielle et économique nécessite l'utilisation de machines à bobiner adaptées.

Pour les fortes puissances, les circuits magnétiques sont constitués avec des tôles droites ou biseautées. Ces tôles sont empilées de façon à former un noyau de section carrée, rectangulaire ou en croix dite de saint André.

Pour les fréquences moyennes (400 à 5 000 Hz) la tôle au silicium à grains orientés en épaisseur de 10/100 mm est utilisée sous forme de circuits en « C ».

Pour les fréquences moyennes (≤ 5 kHz) l'emploi des ferrites s'impose (exemple de domaine d'application : alimentations à découpage).

Pour les hautes fréquences (≤ 1 MHz) les ferrites sont utilisés comme circuit magnétique ; dans les cas où l'utilisation d'un matériau magnétique devient impossible en raison des pertes liées à la fréquence, le couplage primaire/ secondaire est réalisé dans l'air. (exemple de domaine d'application : émetteurs/ récepteurs radio).

Les enroulements

Les enroulements sont en général concentriques pour minimiser les fuites de flux. Un isolant est inséré entre le circuit primaire et le secondaire.

Le conducteur électrique utilisé dépend des applications, mais le cuivre est le matériau de choix pour toutes les applications à fortes puissances. Les fils électriques de chaque tour doivent être isolés les uns des autres afin que le courant circule dans chaque tour. Pour des petites puissances, il suffit d'utiliser des conducteurs amagnétiques émaillés pour assurer cette isolation ; dans les applications à plus fortes puissances mais surtout à cause d'une tension d'utilisation élevée, on entoure les conducteurs de papier diélectrique imprégné d'huile minérale. Pour des fréquences moyennes et hautes, on utilise des conducteurs multibrins pour limiter l'effet de peau ainsi que les pertes par courants de Foucault ; tandis que pour les fortes puissances, on cherche à minimiser ces pertes induites dans les conducteurs par l'emploi de fils méplats de faible épaisseur voire de véritables bandes de cuivre ou d'aluminium.

Les enroulements du primaire ou du secondaire peuvent avoir des connexions externes, appelées prises, à des points intermédiaires de l'enroulement afin de permettre une sélection de rapport de tension. Les prises peuvent être connectées à un changeur automatique de prises en charge pour le contrôle de la tension du circuit de distribution.

Les transformateurs à fréquences audio, utilisés pour la distribution de l'audio à des haut-parleurs, ont des prises afin de permettre l'ajustement de l'impédance de chacun des haut-parleurs. Un transformateur à prise médiane est souvent utilisé dans les amplificateurs de puissance audio. Les transformateurs de modulation dans les transmetteurs à modulation d'amplitude sont très similaires.

L'isolation

Les enroulements étant soumis à des tensions électriques il faut les isoler pour assurer leur bon fonctionnement et la sécurité des utilisateurs.

Les fils ronds ou les méplats sont recouverts d'une couche de vernis cuit constituant un émail. Les méplats existent aussi isolés par un enrubannage d'isolant mince voire de ruban de fil de verre tressé le tout imprégné dans la résine pour le verre tressé.

La tension entre couche présentant un risque de claquage est contrée par la mise en place d'un isolant sous forme de ruban mince et ceci systématiquement entre enroulements. L'ensemble du bobinage, voire le transformateur tout entier, est immergé dans un vernis, par gravité ou sous vide et pression, pour être ensuite passé dans une étuve afin d'être recuit.

Pour toute isolation une température maximale à ne pas dépasser est définie. Au-delà la durée de vie du matériau diminue rapidement.

Les différents types de transformateurs

Ces distinctions sont souvent liées aux très nombreuses applications possibles des transformateurs.

Transformateur de puissance

Transformateur de puissance dans un poste électrique.

Les transformateurs de distribution dont la tension d'au moins une des phases dépasse 1 000 V sont considérés comme des transformateurs de puissance. Leur rôle est essentiel dans le réseau électrique pour permettre de transporter l'électricité sur de longues distances. De par leur haut niveau de tension, ils répondent à des contraintes spécifiques notamment au niveau de l'isolation. Leur fiabilité et leur durée de vie doivent être particulièrement élevées.

Autotransformateur

Symbole d'un autotransformateur.
1 : indique le primaire
2 : le secondaire.

Dans ce type de transformateur particulier, il n'y a pas d'isolation électrique entre le primaire et le secondaire car le secondaire est une partie de l'enroulement primaire. Le courant alimentant le transformateur parcourt le primaire en totalité et une dérivation à un point donné de celui-ci détermine la sortie du secondaire. La conséquence est qu'une partie du bobinage est traversée par le seul courant du primaire alors que l'autre partie est traversée par le courant du primaire moins celui du secondaire ; la section du bobinage doit être adaptée à ces courants atypiques pour un transformateur.

Le rapport entre la tension d'entrée et la tension de sortie est identique à celui d'un transformateur à enroulements primaire et secondaire isolés entre eux.

En France, un autotransformateur est systématiquement utilisé pour le raccordement entre les réseaux 225 kV et 400 kV.

Transformateur variable - « variac » - alternostat

Autotransformateur à rapport variable.

Un « variac », ou autotransformateur variable est constitué d'un noyau d'acier toroïdal, d'une bobine de cuivre en une seule couche et d'un balai carbone. En faisant varier la position du balai sur la bobine on fait varier de manière proportionnelle le rapport de l'autotransformateur. Il présente l'intérêt, par rapport à un rhéostat, de produire beaucoup moins de pertes joule et sa tension au secondaire dépend beaucoup moins de la charge. La présence d'un fusible entre le secondaire et la charge est indispensable pour éviter, dans le cas où la tension au secondaire et l'impédance de la charge sont faibles, de brûler les spires. On a en effet, dans ce cas, quasiment un court-circuit réparti sur très peu de spires.

Transformateur d'isolement

Un transformateur crée une isolation galvanique entre son primaire et son secondaire, cette propriété est utilisée tout spécialement dans les transformateurs d'isolement. Ils servent à assurer la sécurité d'une installation en protégeant des électrocutions par exemple. La séparation galvanique permet aussi d'éliminer une partie du bruit électrique, ce qui est utile pour certains appareils électroniques sensibles. Comme tout transformateur, un transformateur d'isolement ne laisse pas passer le courant continu.

Ces transformateurs ont presque le même nombre de spires au primaire et au secondaire :

celui du secondaire est souvent très légèrement supérieur au nombre de spires du primaire afin de compenser la faible chute de tension en fonctionnement ;

en théorie, les sections de fil au primaire et au secondaire sont identiques car l'intensité des courants est la même, mais en pratique l'enroulement intérieur, proche du noyau, a une section supérieure. Sa position diminue en effet sa capacité à évacuer la chaleur produite.

Ils sont, par exemple, largement utilisés dans les blocs opératoires : chaque salle du bloc est équipée de son propre transformateur d'isolement, pour éviter qu'un défaut dans un bloc n'affecte les autres.

Un autre intérêt est de pouvoir changer de régime de neutre (cas d'utilisation de matériel informatique et/ou d'équipements électroniques sensibles dans une installation IT).

Transformateur d'impédance

Le transformateur est toujours un transformateur d'impédance, mais les électroniciens donnent ce nom aux transformateurs qui ne sont pas utilisés dans des circuits d'alimentation.

Le transformateur d'impédance est principalement destiné à adapter l'impédance de sortie d'un amplificateur à sa charge.

Ce genre de transformateur était en particulier employé dans la restitution sonore, pour adapter la sortie d'un amplificateur audio à lampes (haute impédance), avec les haut-parleurs destinés à la restitution du son et caractérisés par une impédance basse.

En électronique audio professionnelle, on utilise toujours des transformateurs pour les entrées et sorties d'appareils haut de gamme, ou bien dans la fabrication de « Di-box » ou boîte de direct. Le transformateur est alors utilisé, non seulement pour adapter l'impédance et le niveau de sortie des appareils (synthétiseurs, basses électriques…) aux entrées micro de la console de mixage mais en outre pour symétriser la sortie des appareils connectés.

En technique des hautes fréquences, on utilise également des transformateurs dont le circuit magnétique est en ferrite ou sans circuit magnétique (aussi appelé transformateur sans noyau) pour adapter les impédances de sortie d'un amplificateur, d'une ligne de transmission et d'une antenne. En effet, pour un transfert optimal de puissance de l'amplificateur vers l'antenne, il faut que le taux d'ondes stationnaires (TOS) soit égal à 1.

De tels montages présentent en outre l'avantage de rendre les appareils connectés beaucoup plus résistants aux perturbations électromagnétiques par une augmentation significative du CMRR (Common Mode Rejection Ratio) ou taux de réjection du mode commun.

Transformateur de mesure

Transformateur de mesure de tension nominale 110 kV.

Selon la définition de la Commission électrotechnique internationale, un transformateur de mesure est un transformateur destiné à alimenter des appareils de mesure, des compteurs, des relais et autres appareils analogues. Ils sont utilisés pour permettre la mesure de la tension ou du courant quand ceux-ci sont trop élevés pour être mesurés directement. Ils doivent transformer la tension ou le courant de manière proportionnelle et sans déphasage.

Transformateur déphaseur

Schéma électrique d'un transformateur déphaseur.

Les transformateurs déphaseurs permettent de créer un déphasage entre leurs tensions d'entrée et de sortie. Cela a pour objectif de soulager un réseau surchargé. Le réseau de transport d’électricité est maillé ; l’électricité emprunte naturellement et préférentiellement les lignes de moindre résistance électrique. Cela explique que certaines lignes peuvent être saturées alors que d’autres lignes desservant la même zone peuvent être sous-utilisées.

En « forçant » le passage de l’électricité sur une ligne électrique plutôt que sur une autre, le transformateur déphaseur permet d’optimiser les lignes les moins empruntées et donc de soulager les lignes saturées. Grâce à cette meilleure répartition des transits sur les lignes, le réseau de transport d’électricité peut être exploité au maximum de ses capacités techniques.

Sur le plan technique, un transformateur déphaseur est constitué d'un transformateur connecté en triangle et en parallèle aux systèmes d'entrée et d'un transformateur connecté en série. Les deux ont des noyaux magnétiques séparés et des cuves séparées.

Un changeur de prises permet de régler le déphasage souhaité.

Transformateur d'essai

Les transformateurs d'essai ou de test sont des transformateurs pouvant atteindre de très hautes tensions pour des charges limitées. Ils sont utilisés pour tester du matériel électrique.

Transformateur haute fréquence

Circuit magnétique des transformateurs HF

Les pertes par courants de Foucault au sein du circuit magnétique sont directement proportionnelles au carré de la fréquence mais inversement proportionnelles à la résistivité du matériau qui le constitue. Afin de limiter ces pertes, le circuit magnétique des transformateurs HF est réalisé à l'aide de matériaux ferromagnétiques isolants :

les ferrites doux : oxydes mixtes de fer et de cuivre ou de zinc ;

les matériaux nanocristallins.

Transformateur d'impulsions

Ce type de transformateur est utilisé pour la commande des thyristors, triacs et des transistors. Il présente, par rapport à l’opto-coupleur, les avantages suivants : fonctionnement possible à fréquence élevée, simplification du montage, possibilité de fournir un courant important, bonne tenue en tension.

Transformateur triphasé

Dans les réseaux électriques triphasés, on pourrait parfaitement envisager d'utiliser 3 transformateurs, un par phase. Dans la pratique, l'utilisation de transformateurs triphasés (un seul appareil regroupe les 3 phases) est généralisée : cette solution permet la conception de transformateurs bien moins coûteux, avec en particulier des économies au niveau du circuit magnétique. Les transformateurs monophasés ne sont en fait guère utilisés, sauf pour de très grosses puissances apparentes (typiquement supérieures à 500 MVA), où le transport d'un gros transformateur triphasé est problématique et incite à l'utilisation de 3 unités physiquement indépendantes.

Transformateur diphasé-triphasé

Transformateurs de Scott

Diagramme des transformateurs de Scott.

Le montage de Scott permet de transformer des tensions triphasées en diphasées et vice versa. Le montage de Scott se réalise grâce à deux transformateurs monophasés de puissance moitié de celle de l'utilisation. Le premier transformateur a les bornes de son primaire connectées à deux phases du triphasé. Le second transformateur est connecté entre la prise centrale du premier transformateur et la phase restante du triphasé (voir schéma). Le rapport de bobinage du premier transformateur est égal à 1 alors que pour le second il est égal à 3 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {3}}{2}}} soit environ 0,866. Les tensions au secondaire sont égales en norme et déphasés de 90°.

Autrefois très utilisés, les systèmes biphasés ont progressivement laissés leur place aux systèmes triphasés. Le transformateur de Scott est toutefois toujours utilisé en électronique mais aussi en production, distribution et transmission d'électricité si le diphasé est encore présent.

Dans le cas de récepteurs monophasés de forte puissance (four électrique monophasé), le montage Scott permet de réaliser l'équilibrage sur le réseau triphasé.

Transformateurs de Leblanc

Tout comme le montage de Scott, le montage de Leblanc transforme un système triphasé en système diphasé. Les deux montages sont électriquement équivalents. Le montage de Leblanc utilise un circuit magnétique triphasé. Son primaire est connecté en triangle, ce qui a pour effet de supprimer la 3 harmonique.

Bien que connu depuis la fin du XIX siècle, le montage de Leblanc connut moins de succès que celui de Scott.

Dans un montage Leblanc, si les intensités diphasées sont équilibrées il en est de même des intensités triphasées.

Le théorème de Leblanc énonce qu'une bobine alimentée par une tension alternative et créant de ce fait un champ magnétique pulsant le long de son axe, crée deux champs magnétiques de même module, tournant en sens inverses. Ce théorème constitue la base théorique du fonctionnement des moteurs asynchrones monophasés.

外铁式变压器的同心结构有助减少漏磁。

一个理想的降压变压器，此图画出了变压器芯中的磁通量。

理想变压器的电路图。

真实变压器的电路图，主/副线圈均有电阻及电感， 电阻导致铜损，铁损则通常放在左边（主线圈）。 RC代表铁损 XM代表磁阻

变压器（英语：Transformer）是应用法拉第电磁感应定律而升高或降低电压的设备。变压器通常包含两组或以上的线圈。主要用途是升降交流电的电压、改变阻抗及分隔电路。电路符号常用T当作编号的开头。例：T01, T201等

历史

法拉第在1831年8月29日发明了一个「电感环」。这是第一个变压器，但法拉第只是用它来示范电磁感应原理，并没有考虑过它可以有实际的用途。

1881年，路森·戈拉尔（Lucien Gaulard）和约翰·狄克逊·吉布斯（John Dixon Gibbs）在伦敦展示一种称为「二次手发电机」的设备，然后把这项技术卖给了美国西屋公司，这可能是第一个实用的电力变压器，但并不是最早的变压器。

1884年，路森·戈拉尔和约翰·狄克逊·吉布斯在采用电力照明的意大利都灵市展示了他们的设备。早期变压器采用直线型铁心，后来被更有效的环形铁心取代。

西屋公司的工程师威廉·史坦雷从乔治·威斯汀豪斯、路森·戈拉尔与约翰·狄克逊·吉布斯买来变压器专利以后，在1885年制造了第一台实用的变压器。后来变压器的铁心由E型的铁片叠合而成，并于1886年开始商业运用。

基本原理

是输入方的电压（Primary Voltage）；

是输出方的电压（Secondary Voltage）；

是输入方的线圈圈数（Numbers of turns in the Primary Winding）；

则是输出方的线圈圈数（Numbers of turns in the Secondary Winding）。因此可以减小或者增加原线圈和副线圈的匝数比，从而升高或者降低电压，变压器的这个性质使它成为转换电压的重要设备。另外，撇除泄漏的因素，变压器某一方（线圈）的感应电势可以从以下算式求得：

是流经该线圈的电压的方根均值（root mean square）；

是电流的频率（单位为Hz）；

是线圈的圈数；

是线圈磁通量

是线圈内空间（铁芯）的切面面积（单位为m）；

是通过线圈内空间（铁芯）的磁力（单位为Wb/m）。

常数值4.44是根据法拉第电磁感应定律证明而得。过程如下：

根据能量守恒定律，变压器输出的功率不能超越输入它的功率。

根据欧姆定律，变压器的负载所消耗的功率等于流经它的电流与其抵受的电压的乘积。由于变压器遵守这两条定律，它不会是放大器。如果处在变压器两方的电压有所不同，那么流经变压器两方的电流也会不同，而两者的差距则成反比。如果变压器一方的电流比另一方小，那电流较小的一方会有较大的电压；反之亦然。然而，变压器两方所消耗的功率（即一方的电压和电流两值相乘）应是相等的。

铜损，线圈的电阻：电流通过导电体时产生热能（电流要较高，发出的热人体才感觉的到），造成能量损失。和其他种类的流失不同，这种流失并不是来自变压器的铁芯。

涡流损：磁力使铁芯产生环回电流，导致能量化成热并流失至外界。把铁芯切成不相通的薄片可以减少这种流失。

磁力流失：所有未被输出方线圈接收的磁场线均会造成能量流失。

磁滞损：铁芯的磁滞现象使每次磁场改变时造成能量流失。这种流失的大小取决于铁芯的原料。

力流失：交替的磁场使导线、铁芯与附近的金属之间的电磁力产生变化，结果形成振动和能量流失。

磁滞伸缩：交替的磁场使铁芯出现伸缩。如果铁芯的原料容易受伸缩影响，分子之间的摩擦会导致能量流失。

冷却设备：大型的变压器一般配备冷却用的电风扇、油泵或注水的散热器。这些设备所使用的能量一般亦算作变压器的能量流失。变压器运作时的噪音一般来自磁力流失或磁滞伸缩所造成的振动。

直接把直流电转成交流电，或直接把交流电转换为直流电。前者必须使用逆变器，后者必须使用整流器。

改变直流电的电压或电流。

变更交流电的频率，必须使用变频器。

把单相电流转为多相电流。

分类

内含电子电路的变压设备 AC-AC电子式变压器，例如日光灯用电子变压兼安定器 交换式电源供应器，例如AC-DC交换式电源供应器，或DC-DC电压转换器。

AC-AC电子式变压器，例如日光灯用电子变压兼安定器

交换式电源供应器，例如AC-DC交换式电源供应器，或DC-DC电压转换器。

电子设备中使用的变压器为电子用变压器。例如电源常用的降压变压器。

三相变压器

可以产生高压的特斯拉线圈，它可以供应比静电式的范德格拉夫起电机更多的电流。

用于CCFL逆变器之中。

用于超外差（superheterodyne）接收机的级间耦合，也就是这类收音机中所使用的中频变压器，它谐振在中频频率，以提供良好的频率选择性。

用于LLC架构交换式电源供应器主变压器之中。

构成

两组或以上的线圈：以输入交流电电流与输出感应电流。

一圈金属芯：它把互感的磁场与线圈耦合在一起。变压器一般运行在低频、导线围绕铁芯缠绕成绕组。虽然铁芯会造成一部分能量的损失，但这有助于将磁场限定在变压器内部，并提高效率。电力变压器按照铁芯和绕组的结构分为芯式结构和壳式结构，以及按照磁通的分支数目（三相变压器有3，4或5个分支）分类。它们的性能各不相同。

LCCN: sh85042014

GND: 4130713-6

NDL: 00563086