Le transformateur

Le transformateur est l'un des composants les plus discrets et pourtant les plus essentiels du génie électrique. Sans lui, le transport de l'énergie électrique sur des milliers de kilomètres serait impossible et la quasi-totalité de nos appareils domestiques ne pourraient pas être alimentés depuis le réseau. Il réalise une conversion électromagnétique statique de puissance : sans aucune pièce en mouvement, il transforme un système de tension et de courant sinusoïdaux $(u_1,i_1)$ en un autre système $(u_2,i_2)$ de même fréquence mais d'amplitudes différentes, en transférant idéalement la puissance sans pertes.

Ce chapitre prolonge le modèle du transformateur de tension vu en première année : on précise ici le rôle décisif du noyau ferromagnétique de forte perméabilité, qui canalise le flux et permet d'obtenir aussi un transformateur de courant. On s'appuie sur les résultats d'induction et de ferromagnétisme établis dans le cours d'électromagnétisme, et sur la notion de puissance moyenne en régime sinusoïdal forcé (RSF) étudiée au chapitre précédent.

2.1 Principe et constitution

2.1.1 Constitution physique

Un transformateur est constitué de deux bobinages (deux enroulements de fil conducteur) enlacés autour d'un même circuit magnétique fermé, le noyau, réalisé dans un matériau ferromagnétique doux (fer au silicium, ferrite). Le bobinage relié à la source, dit primaire, comporte $N_1$ spires ; le bobinage relié à la charge (l'utilisateur), dit secondaire, comporte $N_2$ spires. Les deux enroulements ne sont pas reliés électriquement : le seul couplage entre le primaire et le secondaire est magnétique.

2.1.2 Rôle du noyau ferromagnétique

Le noyau réalise deux fonctions essentielles.

• Il canalise le flux magnétique. Un matériau ferromagnétique doux possède une perméabilité relative ${\mu }_r$ très grande (de $10^3$ à $10^5$). Les lignes de champ, comme les lignes de courant dans un conducteur bien meilleur que l'air, se concentrent dans le fer. Ainsi le même flux $\varphi$ traverse chaque spire des deux bobinages : le couplage entre primaire et secondaire devient parfait, sans fuite vers l'extérieur.
• Il permet un fort flux avec un faible courant. La grande perméabilité fait qu'un courant magnétisant très faible suffit à imposer le flux : à la limite ${\mu }_r\to \infty$, ce courant tend vers zéro. C'est cette propriété qui, ajoutée au transformateur de tension, donne le transformateur de courant.

2.1.3 Bornes homologues et algébrisation

Le sens d'enroulement de chaque bobinage autour du noyau fixe le signe des tensions et courants. On repère par un point (borne homologue, ou « point conventionnel ») les deux bornes telles qu'un courant entrant par le point produit un flux de même sens dans le noyau. La convention est la suivante : si les deux courants sont fléchés entrant par les points, ou si les deux tensions sont fléchées pointe vers le point, alors les rapports de transformation sont positifs.