Un transformateur est un dispositif électromagnétique utilisé pour convertir un courant alternatif d'une tension et d'une fréquence en courant alternatif d'une tension différente (ou égale) et de la même fréquence.
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L'appareil et le fonctionnement du transformateur
Dans le cas le plus simple transformateur contient un enroulement primaire avec le nombre de tours W1 et un secondaire avec le nombre de spires W2. L'énergie est fournie à l'enroulement primaire, la charge est connectée au secondaire. Le transfert d'énergie se fait par induction électromagnétique. Pour améliorer le couplage électromagnétique, dans la plupart des cas, les enroulements sont placés sur un noyau fermé (circuit magnétique).
Si une tension alternative U est appliquée à l'enroulement primaire1, puis un courant alternatif I1, ce qui crée un flux magnétique Ф de même forme dans le noyau.Ce flux magnétique induit une FEM dans l'enroulement secondaire. Si une charge est connectée au circuit secondaire, un courant secondaire I2.
La tension dans l'enroulement secondaire est déterminée par le rapport des spires W1 et W2:
tu2=U1*(W1/W2)=U1/k, où k est rapport de transformation.
Si k<1, alors U2>U1, et un tel transformateur est appelé élévateur. Si k>1, alors U2<U1, tel le transformateur est appelé abaisseur. Étant donné que la puissance de sortie du transformateur est égale à la puissance d'entrée (moins les pertes dans le transformateur lui-même), on peut dire que Pout \u003d Pin, U1*JE1=U2*JE2 et moi2=je1*k=je1*(W1/W2). Ainsi, dans un transformateur sans perte, les tensions d'entrée et de sortie sont directement proportionnelles au rapport des tours d'enroulement. Et les courants sont inversement proportionnels à ce rapport.
Un transformateur peut avoir plusieurs enroulements secondaires avec des rapports différents. Ainsi, un transformateur pour alimenter un équipement de lampe domestique à partir d'un réseau de 220 volts peut avoir un enroulement secondaire, par exemple, 500 volts pour alimenter les circuits d'anode et 6 volts pour alimenter les circuits à incandescence. Dans le premier cas k<1, dans le second - k>1.
Le transformateur fonctionne uniquement avec une tension alternative - pour l'apparition d'EMF dans l'enroulement secondaire, le flux magnétique doit changer.
Types de noyaux pour transformateurs
En pratique, des noyaux non seulement de la forme indiquée sont utilisés. Selon le but de l'appareil, les circuits magnétiques peuvent être réalisés de différentes manières.
Noyaux de tige
Les circuits magnétiques des transformateurs basse fréquence sont en acier aux propriétés magnétiques prononcées.Pour réduire les courants de Foucault, le réseau central est assemblé à partir de plaques séparées électriquement isolées les unes des autres. Pour travailler à des fréquences élevées, d'autres matériaux sont utilisés, par exemple des ferrites.
Le noyau considéré ci-dessus est appelé un noyau et se compose de deux tiges. Pour les transformateurs monophasés, des circuits magnétiques à trois tiges sont également utilisés. Ils ont moins de flux de fuite magnétique et une plus grande efficacité. Dans ce cas, les enroulements primaire et secondaire sont situés sur la tige centrale du noyau.
Les transformateurs triphasés sont également fabriqués sur des noyaux à trois tiges. Ils ont les enroulements primaire et secondaire de chaque phase, chacun situé sur son propre noyau. Dans certains cas, des circuits magnétiques à cinq tiges sont utilisés. Leurs enroulements sont situés exactement de la même manière - chacun primaire et secondaire sur sa propre tige, et les deux tiges extrêmes de chaque côté ne sont destinées qu'à fermer les flux magnétiques dans certains modes.
blindé
Dans le noyau blindé, des transformateurs monophasés sont fabriqués - les deux bobines sont placées sur le noyau central du circuit magnétique. Le flux magnétique dans un tel noyau se ferme de la même manière qu'une construction à trois tiges - à travers les parois latérales. Le flux de fuite est très faible dans ce cas.
Les avantages de cette conception incluent un certain gain de taille et de poids en raison de la possibilité d'un remplissage plus dense de la fenêtre du noyau avec l'enroulement, il est donc avantageux d'utiliser des noyaux blindés pour la fabrication de transformateurs de faible puissance. Cela se traduit également par un circuit magnétique plus court, ce qui entraîne une réduction des pertes à vide.
L'inconvénient est un accès plus difficile aux enroulements pour la révision et la réparation, ainsi que la complexité accrue de la fabrication de l'isolation pour les hautes tensions.
Toroïdal
Dans les noyaux toroïdaux, le flux magnétique est complètement fermé à l'intérieur du noyau et il n'y a pratiquement pas de flux magnétique de fuite. Mais de tels transformateurs sont difficiles à enrouler, ils sont donc utilisés assez rarement, par exemple dans les autotransformateurs réglables de faible puissance ou dans les appareils à haute fréquence où l'immunité au bruit est importante.
Autotransformateur
Dans certains cas, il est conseillé d'utiliser de tels transformateurs, qui ont non seulement une connexion magnétique entre les enroulements, mais également une connexion électrique. Autrement dit, dans les dispositifs élévateurs, l'enroulement primaire fait partie du secondaire et dans les dispositifs abaisseurs, la partie secondaire du primaire. Un tel dispositif est appelé autotransformateur (AT).
Un autotransformateur abaisseur n'est pas un simple diviseur de tension - le couplage magnétique intervient également dans le transfert d'énergie vers le circuit secondaire.
Les avantages des autotransformateurs sont :
- petites pertes;
- la possibilité d'une régulation de tension en douceur;
- des indicateurs de poids et de taille plus petits (un autotransformateur est moins cher, il est plus facile de le transporter);
- coût inférieur en raison de la quantité de matériau requise plus faible.
Les inconvénients incluent la nécessité d'utiliser une isolation des deux enroulements, conçue pour une tension plus élevée, ainsi que le manque d'isolation galvanique entre l'entrée et la sortie, ce qui peut transférer les effets des phénomènes atmosphériques du circuit primaire au secondaire. Dans ce cas, les éléments du circuit secondaire ne peuvent pas être mis à la terre.En outre, l'inconvénient d'AT est considéré comme une augmentation des courants de court-circuit. Pour les autotransformateurs triphasés, les enroulements sont généralement connectés en étoile avec un neutre mis à la terre, d'autres schémas de connexion sont possibles, mais trop compliqués et encombrants. C'est aussi un inconvénient qui réduit la portée des autotransformateurs.
Application des transformateurs
La propriété des transformateurs d'augmenter ou de diminuer la tension est largement utilisée dans l'industrie et dans la vie quotidienne.
Transformation de tension
Différentes exigences sont imposées au niveau de tension industrielle à différents stades. Lors de la production d'électricité, il n'est pas rentable d'utiliser des générateurs haute tension pour diverses raisons. Par conséquent, par exemple, des générateurs pour 6 ... 35 kV sont utilisés dans les centrales hydroélectriques. Pour transporter l'électricité, au contraire, vous avez besoin d'une tension accrue - de 110 kV à 1150 kV, selon la distance. De plus, cette tension est à nouveau réduite au niveau de 6 ... 10 kV, distribuée aux sous-stations locales, d'où elle est réduite à 380 (220) volts et arrive au consommateur final. Dans les appareils ménagers et industriels, il doit également être abaissé, généralement à 3 ... 36 volts.
Toutes ces opérations sont réalisées avec à l'aide de transformateurs de puissance. Ils peuvent être secs ou à base d'huile. Dans le second cas, le noyau avec enroulements est placé dans un réservoir d'huile, qui est un milieu isolant et refroidissant.
Isolation galvanique
L'isolation galvanique augmente la sécurité des appareils électriques. Si l'appareil n'est pas alimenté directement à partir d'un réseau 220 volts, où l'un des conducteurs est connecté à la terre, mais via un transformateur 220/220 volts, la tension d'alimentation restera la même.Mais avec le contact simultané de la terre et des parties conductrices de courant secondaires du circuit pour la circulation du courant, il n'y aura pas de circulation de courant et le danger de choc électrique sera beaucoup plus faible.
Mesure de tension
Dans toutes les installations électriques, il est nécessaire de contrôler le niveau de tension. Si une classe de tension jusqu'à 1000 volts est utilisée, les voltmètres sont directement connectés aux pièces sous tension. Dans les installations électriques supérieures à 1000 volts, cela ne fonctionnera pas - les appareils pouvant supporter une telle tension s'avèrent trop encombrants et dangereux en cas de rupture d'isolation. Par conséquent, dans de tels systèmes, les voltmètres sont connectés à des conducteurs haute tension via des transformateurs avec un rapport de transformation pratique. Par exemple, pour les réseaux 10 kV, des transformateurs de mesure 1:100 sont utilisés, la sortie est une tension standard de 100 volts. Si la tension sur l'enroulement primaire change d'amplitude, elle change simultanément sur le secondaire. L'échelle du voltmètre est généralement graduée dans la plage de tension primaire.
Le transformateur est un élément assez complexe et coûteux pour la production et la maintenance. Cependant, dans de nombreux domaines, ces appareils sont indispensables et il n'y a pas d'alternative à eux.
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