TRANSFORMATEURS D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

Les transformateurs sont des machines électriques statiques dont la fonction est d'élever ou d'abaisser la tension d'un circuit électrique parcouru par un courant alternatif sans en modifier la fréquence. Ils jouent un rôle essentiel dans le transport de l'énergie électrique à distance. En effet, les tensions de fonctionnement des machines génératrices n'excèdent pas une vingtaine de kilovolts en courant alternatif. Or le transport de grandes puissances sur des distances notables ne peut être réalisé de façon économique que s'il est effectué à très haute tension, soit plusieurs centaines de kilovolts. Il est donc nécessaire d'installer, à proximité immédiate des groupes générateurs, des transformateurs « élévateurs » de tension. On devra trouver des appareils « abaisseurs » aux points de fourniture de l'énergie électrique, les tensions normales d'utilisation étant comprises entre quelques centaines et quelques milliers de volts.

Il existe d'autres types de transformateurs employés principalement pour des mesures de grandeurs électriques. Leur principe de fonctionnement est tout à fait identique à celui des transformateurs de puissance, mais leurs caractéristiques peuvent avoir des ordres de grandeur tout à fait différents.

L'ancêtre du transformateur est le « générateur secondaire » imaginé par l'Anglais J. D.  Gibbs et le Français L.  Gaulard et construit à Londres en 1883. La première transmission électrique en courant alternatif utilisant des machines de ce type est réalisée par Gaulard en 1884 entre l'exposition de Turin et la gare de Lanzo distante de trente-sept kilomètres. Trois ingénieurs hongrois, M. Deri, O. Blathy et K. Zipernowsky, qui assistent à cette exposition, remarquent les graves imperfections du générateur secondaire, notamment son circuit magnétique ouvert. Ils conçoivent en 1885 le transformateur sous une forme qu'il a pratiquement conservée de nos jours.

Principe de la bobine à noyau de fer

Soit une carcasse magnétique en forme de tore supportant un enroulement de n spires alimenté par une source de tension sinusoïdale de valeur instantanée v et de période T. Soit en valeurs instantanées : i le courant traversant l'enroulement de résistance R ; h et b l'excitation et l'induction magnétique ; S, a et V la section droite, la longueur de la ligne moyenne et le volume du tore.

Le matériau de perméabilité magnétique μ est caractérisé par un cycle d'hystérésis b(h) de surface A. On suppose, dans un premier temps, μ infini. Les lignes de forces du champ magnétique sont en conséquence canalisées par le tore (hypothèse de l'absence de fuites magnétiques).

La tension instantanée aux bornes de l'enroulement s'exprime par :

On peut déduire des relations (1) et (2) l'équation (3) qui traduit le bilan énergétique durant une période T :

Il apparaît que l'énergie fournie par la source se divise en un terme correspondant à l'effet Joule au niveau de l'enroulement, et en un terme vA résultant du phénomène d'hystérésis. Ce dernier se traduit par une libération d'énergie thermique dans le matériau magnétique.

Par ailleurs, à partir des graphes b(h) et v(t ), où t désigne le temps, en tenant compte de la relation (2) et en négligeant R, on peut déterminer le graphe i(t ). Le courant i est périodique mais non sinusoïdal. Cela rend impossible l'utilisation des méthodes habituelles de l'électrotechnique (représentation complexe, diagramme vectoriel...). Aussi substitue-t-on au courant réel un courant « sinusoïdal équivalent » provoquant les mêmes effets énergétiques que le précédent, c'est-à-dire les mêmes pertes par effet Joule et les mêmes dissipations par hystérésis. Ces conditions, qui se traduisent par des pertes[...]