Comment un transformateur élève-t-il ou abaisse-t-il la tension ?

Les transformateurs augmentent ou réduisent la tension alternative grâce à induction électromagnétique . Leur tension de sortie dépend principalement du rapport entre le nombre de spires de l’enroulement primaire et le nombre de spires de l’enroulement secondaire.

Si le secondaire comporte plus de spires que le primaire, le transformateur élève la tension. Si le secondaire comporte moins de spires, il abaisse la tension.

Bien que le principe soit simple, un transformateur pratique doit également être conçu pour le courant requis, la puissance nominale, la fréquence, l’isolation, l’élévation de température, le rendement et les normes de sécurité applicables.

What is a Transformateur ?

Un transformateur est un dispositif électrique passif qui transfère de l’énergie entre deux enroulements ou plus par l’intermédiaire d’un champ magnétique variable.

Un transformateur d’isolement conventionnel comporte trois parties principales :

• Enroulement primaire : relié à la source d’alimentation d’entrée
• Enroulement secondaire : fournit une tension à la charge
• Noyau magnétique : offre un chemin à faible réluctance pour le flux magnétique alternatif

Les enroulements primaire et secondaire sont généralement isolés électriquement, mais couplés magnétiquement via le noyau. Cet isolement peut améliorer la sécurité électrique et empêcher une connexion conductrice directe entre l’entrée et la sortie.

Toutefois, tous les transformateurs ne fournissent pas d’isolement. Un autotransformateur transformateur autotransformateur, par exemple, utilise un enroulement partagé et ne garantit donc pas la même séparation galvanique.

Comment fonctionne un transformateur ?

Le fonctionnement d’un transformateur repose sur La loi de l’induction électromagnétique de Faraday un flux magnétique variable traversant une bobine y induit une force électromotrice.

Ce processus peut être compris en trois étapes.

1. L’enroulement primaire produit un flux magnétique

Lorsqu’une tension alternative est appliquée à l’enroulement primaire, elle génère un courant alternatif. Ce courant établit un flux magnétique variable dans le noyau du transformateur.

2. Le noyau assure le couplage du flux magnétique

Le noyau magnétique dirige la majeure partie du flux magnétique variable à travers les deux enroulements. Les matériaux et les méthodes de construction du noyau sont choisis afin d’assurer un couplage magnétique efficace tout en limitant les pertes par courants de Foucault et par hystérésis.

3. L’enroulement secondaire développe une tension

Comme le flux magnétique variable du noyau traverse l’enroulement secondaire, il y induit une tension. Cette tension induite augmente avec le nombre de spires de l’enroulement secondaire.

Cette relation découle directement de la loi de Faraday et constitue la base des transformateurs élévateurs et abaisseurs. OpenStax University Physics fournit une dérivation détaillée des équations du transformateur.

La Transformateur Formule du rapport de transformation

Pour un transformateur idéal :

Vs / Vp = Ns / Np

Où :

• Vp = tension d’entrée primaire
• Vs = tension de sortie secondaire
• Np = nombre de spires de l’enroulement primaire
• Ns = nombre de spires de l’enroulement secondaire

Le rapport de tension est donc égal au rapport de spires des enroulements.

Transformateur à démarrage

Un transformateur élève la tension lorsque :

Ns > Np

Par conséquent :

Vs > Vp

L’enroulement secondaire comporte plus de spires que l’enroulement primaire, donc la tension secondaire est supérieure à la tension primaire.

Transformateur de déclenchement

Un transformateur abaisse la tension lorsque :

Ns < Np

Par conséquent :

Vs < Vp

L’enroulement secondaire comporte moins de spires que l’enroulement primaire, donc la tension secondaire est inférieure à la tension primaire.

Transformateur d’isolement 1:1

Lorsque les enroulements primaire et secondaire comportent approximativement le même nombre de spires :

Ns = Np

Par conséquent :

Vs ≈ Vp

La tension de sortie est approximativement égale à la tension d’entrée.

Exemple pratique de transformateur abaisseur

Supposons qu’un transformateur doive convertir du courant alternatif de 230 V en courant alternatif de 24 V.

Le rapport de spires requis est le suivant :

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Si l’enroulement primaire comporte 1 000 spires :

Ns = 1 000 × 0,104

Ns ≈ 104 spires

Par conséquent, l’enroulement secondaire idéal comporterait environ 104 spires.

Dans un transformateur réel, le fabricant peut ajouter des spires à l’enroulement secondaire afin de compenser la résistance des enroulements et la chute de tension sous charge.

Exemple pratique de transformateur élévateur

Supposons qu’un transformateur doive élever la tension de 120 V CA à 240 V CA.

Le rapport de spires requis est le suivant :

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Si l’enroulement primaire comporte 500 spires :

Ns = 500 × 2

Ns = 1 000 spires

L’enroulement secondaire nécessite donc environ deux fois plus de spires que l’enroulement primaire.

Que se passe-t-il avec le courant ?

Un transformateur modifie le courant dans la direction opposée à celle de la tension.

Pour un transformateur idéal, la puissance d’entrée est égale à la puissance de sortie :

Vp × Ip = Vs × Is

Où :

• Vp = Tension primaire
• Ip = Courant primaire
• Vs = Tension secondaire
• Is = Courant secondaire

Le rapport de courant est :

Is / Ip = Np / Ns

Par conséquent :

• Transformateur élévateur : la tension augmente et le courant disponible diminue.
• Transformateur abaisseur : la tension diminue et le courant disponible augmente.

Un transformateur ne crée pas d’énergie supplémentaire. Dans un transformateur réel, la puissance de sortie est légèrement inférieure à la puissance d’entrée en raison des pertes cuivre, des pertes fer et d’autres pertes.

Pourquoi l’enroulement basse tension utilise-t-il un fil plus épais ?

L’enroulement secondaire d’un transformateur abaisseur transporte généralement plus de courant que son enroulement primaire. Il nécessite donc habituellement un fil plus épais.

La taille du conducteur doit être choisie en fonction de :

• Courant RMS
• La densité de courant admissible
• Température de l'enroulement
• Température ambiante
• Cycle de service
• Conditions de refroidissement
• Épaisseur de l'isolation
• L’espace disponible pour les enroulements

L’utilisation d’un fil trop fin augmente la résistance, la chute de tension, les pertes cuivre et la température des enroulements. Une température excessive peut réduire la durée de vie de l’isolation et constituer un risque pour la sécurité.

Dans un transformateur élévateur, l’enroulement à haute tension utilise généralement plus de tours de fil plus fin, car il transporte un courant moindre. La dimension exacte du conducteur nécessite toutefois un calcul d’ingénierie.

Pourquoi utilise-t-on des transformateurs pour la transmission d’énergie ?

Pour une puissance transmise donnée, l’augmentation de la tension réduit le courant :

I = P / V

Où :

• I = Courant
• P = Puissance
• V = Tension

Lorsque la tension augmente, le courant nécessaire pour transmettre la même puissance diminue.

Comme le courant est élevé au carré dans cette équation, sa réduction permet de diminuer fortement le chauffage des conducteurs et les pertes de transmission.

Les réseaux électriques utilisent donc des transformateurs élévateurs pour augmenter la tension générée afin de la transporter sur de longues distances. À proximité du point d’utilisation, des transformateurs abaisseurs réduisent la tension à des niveaux adaptés à la distribution et à l’utilisation finale. Le département américain de l’Énergie explique de même que la transmission à haute tension réduit le courant requis et diminue les pertes en ligne. U.S. Department of Energy

Un transformateur peut-il fonctionner en courant continu ?

Un transformateur conventionnel nécessite un flux magnétique variable et ne peut donc pas transformer continuellement une tension continue stable.

Si une tension continue stable est appliquée directement à l’enroulement d’un transformateur standard :

• Il n’y a aucune action transformateur continue après le régime transitoire initial.
• Le courant dans l’enroulement peut devenir dangereusement élevé.
• Le noyau peut saturer.
• L’enroulement peut surchauffer ou tomber en panne.

Les alimentations électroniques peuvent convertir une tension continue en la commutant d’abord à une fréquence contrôlée. La forme d’onde alternative résultante peut ensuite piloter un transformateur haute fréquence ou un inducteur couplé. C’est ainsi que fonctionnent de nombreux convertisseurs flyback, forward, push-pull, half-bridge et full-bridge.

La distinction essentielle est qu’un transformateur conventionnel ne transforme pas directement une tension continue stable ; celle-ci doit d’abord être commutée électroniquement.

Équations idéales vs. performances réelles d’un transformateur

L’équation du rapport de transformation décrit un transformateur idéal. Les transformateurs réels présentent des pertes et des chutes de tension.

Pertes cuivre

La perte de puissance par effet résistif dans un conducteur est la suivante :

Perte de puissance = I² × R

Pour une compatibilité maximale avec WordPress, cela peut également s’écrire ainsi :

Perte de puissance = I × I × R

Où :

• I = Intensité du courant circulant dans le conducteur
• R = Résistance du conducteur

Comme l’intensité du courant est élevée au carré dans ce calcul, réduire le courant permet de diminuer considérablement les pertes sur la ligne de transmission.

Pertes dans le noyau

Un champ magnétique alternatif provoque des pertes par hystérésis et des courants de Foucault dans le noyau. Les pertes dans le noyau dépendent de :

• Matériau du noyau
• Fréquence de fonctionnement
• Tension appliquée
• Nombre de tours primaires
• Section transversale du noyau
• Densité de flux magnétique
• Épaisseur de stratification

Flux de fuite

Tout le flux magnétique ne relie pas nécessairement les deux enroulements. Le flux de fuite affecte la régulation de tension et peut générer des interférences électromagnétiques.

Courant à vide

Même sans charge secondaire, le primaire absorbe un courant pour magnétiser le noyau et couvrir les pertes dans le noyau.

Hausse de température

Les pertes cuivre et les pertes fer génèrent de la chaleur. Un transformateur doit rester dans les limites de température de son système d’isolation, dans les conditions de charge et d’ambiance spécifiées.

Régulation de la tension

La tension de sortie diminue normalement entre le fonctionnement à vide et le fonctionnement en charge nominale, en raison de l’impédance interne.

La régulation de tension peut s’exprimer par la formule suivante :

Régulation de tension (%) = [(Và vide − Ven charge nominale) / Ven charge nominale] × 100

Pour cette raison, les fabricants peuvent concevoir la tension secondaire à vide légèrement supérieure à la tension de sortie nominale.

La fréquence influence-t-elle la conception des transformateurs ?

Oui. La fréquence est un paramètre critique de conception.

Pour une onde sinusoïdale, la tension efficace approximative par enroulement est liée à la fréquence, au nombre de spires, à la section efficace du noyau et à la densité maximale d’induction magnétique selon la formule suivante :

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Où :

• V = tension efficace aux bornes de l’enroulement
• f = fréquence de fonctionnement en hertz
• N = nombre de spires de l’enroulement
• A = section efficace transversale du noyau
• Bmax = densité maximale d’induction magnétique

Un transformateur conçu pour 60 Hz ne doit pas être utilisé automatiquement à 50 Hz sous la même tension. Une fréquence plus basse peut accroître la densité d’induction magnétique, ce qui risque de provoquer la saturation du noyau, un courant excessif, des bruits anormaux et une surchauffe.

Le fabricant doit connaître la fréquence d’entrée réelle et la plage de tension avant de finaliser la conception.

Comment spécifier un transformateur élévateur ou abaisseur

Une fiche technique professionnelle de transformateur doit inclure plus que la tension d’entrée et de sortie.

Fournissez les informations suivantes lors de la demande d’une conception ou d’un devis :

• Tension d'entrée nominale
• Tension d’entrée minimale et maximale
• Fréquence d'entrée
• Tension de sortie requise ou tensions de sortie requises
• Courant de sortie continu
• Courant de crête et durée
• Type de charge
• Puissance apparente (VA) requise
• Cycle de service
• Dimensions maximales
• Méthode de montage
• Exigences relatives aux fils sortants ou aux bornes
• Température ambiante
• Conditions de refroidissement et d’enveloppe
• Élévation maximale autorisée de la température
• Classe d'isolation
• Exigences en matière de tenue diélectrique
• Blindage électrostatique ou magnétique requis
• Exigences relatives au fusible thermique ou au protecteur thermique
• Pays ou marché cible
• Exigences de sécurité et environnementales applicables
• Quantité de production estimée

Fournir des conditions de fonctionnement complètes permet d’éviter un dimensionnement incorrect et améliore la régulation de tension, la fiabilité et la durée de vie.

Questions fréquemment posées

Un transformateur élévateur augmente-t-il la puissance ?

Non. Un transformateur élévateur augmente la tension, mais réduit le courant disponible. Sa puissance de sortie est toujours légèrement inférieure à sa puissance d’entrée, car un transformateur réel présente des pertes cuivre, des pertes fer et d’autres pertes.

Un transformateur abaisseur fournit-il toujours plus de courant ?

Il peut fournir un courant secondaire nominal plus élevé pour un niveau de puissance approximativement identique, mais le courant réel est déterminé par la charge connectée et la capacité nominale du transformateur. Un transformateur ne force pas son courant maximal dans la charge.

Les enroulements primaire et secondaire sont-ils connectés ?

Dans un transformateur d’isolement, ils sont électriquement séparés et couplés via le noyau magnétique. Dans un autotransformateur, une partie de l’enroulement est partagée, donc il n’existe pas d’isolement galvanique équivalent.

Un transformateur peut-il fournir plusieurs tensions de sortie ?

Oui. Un transformateur peut utiliser plusieurs enroulements secondaires, des enroulements à prise centrale ou des prises sur les enroulements afin de fournir différentes tensions de sortie.

Comment calculer la puissance apparente (VA) d’un transformateur ?

Pour un transformateur alternatif simple à un seul enroulement secondaire :

VA = Vs × Is

Où :

• VA = puissance apparente nominale du transformateur
• Vs = tension secondaire nominale
• Is = Courant secondaire nominal

Exemple :

Tension secondaire = 24 V CA
Courant secondaire = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

Pour plusieurs secondaires, la puissance apparente totale requise est calculée à partir des charges combinées des enroulements, en tenant compte de manière appropriée du type de charge, du cycle de service, du rendement, de la régulation, de la redressement et de l’élévation de température.

Transformateurs sur mesure à élévation et abaissement de tension de Dingxin

Dingxin fabrique des transformateurs sur mesure, y compris des solutions transformateurs destinées aux clients et aux équipements destinés au marché européen.

Les transformateurs peuvent être développés conformément à des exigences électriques, mécaniques, thermiques et d’application spécifiées, notamment :

• Tensions d’entrée et de sortie sur mesure
• Conceptions à élévation et à abaissement de tension
• Plusieurs enroulements secondaires
• Constructions en EI et toroïdales
• applications à 50 Hz et à 60 Hz
• Puissances nominales (VA) personnalisées
• Fils sortants, bornes, supports et options de fixation
• Blindage électrostatique
• Fusibles thermiques et protecteurs thermiques
• Systèmes d’isolation spécifiques à l’application
• Conceptions fondées sur les exigences du marché cible du client

Les exigences finales en matière de conformité et de certification doivent être confirmées au cours du processus d’ingénierie, en fonction de la conception du transformateur, de l’équipement prévu et du marché de destination.

Demander une conception personnalisée de transformateur

Vous avez besoin d’un transformateur avec un rapport de tension spécifique, une puissance nominale, des dimensions, une limite de température ou une méthode d’installation particulières ?

Envoyez à Dingxin les informations suivantes :

1. Tension et fréquence d’entrée
2. Tension et courant de sortie requis
3. Conditions de charge continues et de pointe
4. Dimensions maximales
5. Exigences de montage et de connexion
6. Température de fonctionnement
7. Marché cible et exigences en matière de conformité
8. Quantité commandée estimée

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