Un transformateur de puissance est un dispositif électrique qui transmet de la puissance électrique en modifiant la tension électrique d’un courant électrique alternatif sans en changer la fréquence. Les transformateurs de puissance font l’objet de nombreuses applications, entre réseau de transmission ou de distribution électrique, usines ou même trains. Découvrez ici tout ce qu’il y a à savoir sur ces composants électriques haute-tension qui jouent un rôle crucial dans l’utilisation sûre de l’électricité au quotidien.
Quel est le rôle d’un transformateur de puissance ?
L’utilité principale d’un transformateur de puissance est de réduire les pertes d’énergie à l’intérieur des réseaux électriques, mais aussi d’acheminer le courant en toute sécurité. Le transformateur transforme l’énergie en courant à moyenne ou basse tension pour la distribution.
Cela permet d’éviter les risques inhérents au courant électrique. Les appareils électriques recevant la bonne tension, il n’y a pas de risque de surcharge ou d’explosion. Une maison n’a pas besoin de la même tension qu’une usine et c’est grâce au transformateur de puissance que chaque type d’usager reçoit la tension qu’il lui faut.
Un transformateur de puissance ne supprime pas totalement les pertes d’énergie, même s’il n’en subit que relativement peu. Il perd ainsi de l’énergie par effet Joule et présente également des pertes magnétiques.
Principe de fonctionnement du transformateur de puissance
Le transformateur de puissance fonctionne grâce à l’induction magnétique. Le courant électrique génère un champ magnétique autour de lui lors de son passage dans un fil. Ce champ magnétique génère à son tour un courant électrique dans un fil s’il s’en trouve un autour de lui.
Un transformateur de puissance est composé d’un noyau et d’au moins deux bobines de fils de cuivre possédant des nombres d’enroulements différents. Dans le transformateur, le courant pénètre dans une première bobine, puis par induction magnétique dans une bobine secondaire.
La tension à l’entrée de la bobine primaire est différente de celle à la sortie de la bobine secondaire. L’augmentation ou la diminution de la tension électrique est déterminée par le nombre d’enroulements de la bobine. La tension de sortie sera ainsi plus grande que la tension d’entrée si le nombre d’enroulements de la bobine primaire est inférieur à celui de la bobine secondaire.
Quels sont les différents types de transformateurs ?
Les transformateurs se distinguent notamment par leurs tailles et leurs formes, mais aussi par leurs fluides de refroidissement : certains utilisent l’air sous pression et d’autres, l’huile.
On distingue également les transformateurs de puissance par leurs nombres de noyaux et de bobines. Les transformateurs monophasés ont ainsi 1 noyau et 2 bobines, tandis que les transformateurs triphasés ont 3 noyaux et 6 bobines.
Le transformateur monophasé se destine à la transformation du courant pour un usage domestique. Adapté aux grandes charges, le transformateur triphasé se destine quant à lui aux entreprises industrielles et commerciales. Un transformateur triphasé est plus léger que trois transformateurs monophasés, en plus de coûter moins cher et d’être plus efficace. Cependant, on peut lui préférer l’utilisation de trois transformateurs monophasés dans certains cas, comme lorsque les puissances sont élevées, et qu’il faut donc un transformateur relativement volumineux et donc difficile à transporter.
Puissance d’un transformateur
La puissance d’un transformateur s’exprime en voltampères (VA) pour les transformateurs de petite taille et en kilovoltampères (kVA) et méga voltampères (MVA) pour les transformateurs d’une puissance plus considérable.
Comment calculer la puissance d’un transformateur de puissance ?
La puissance s’obtient en multipliant simplement la tension par le courant : Puissance = Tension x Courant.
Un transformateur possède en réalité deux types de puissance : la puissance active et la puissance réactive. Toutes deux forment la puissance apparente. La puissance apparente est donnée par la racine carrée de la somme des carrés des puissances active et réactive. La puissance active, mesurée en kW, est une puissance utile, qui sert à générer un travail réel ; tandis que la puissance réactive est une forme de puissance qui n’est pas directement transformée en chaleur, mouvement ou lumière.
Les transformateurs sont classés en 3 catégories en fonction de leur puissance apparente :
- Les transformateurs de distribution : jusqu’à 2 500 kVA en triphasé
- Les transformateurs de moyenne puissance : jusqu’à 100 MVA en triphasé ;
- Les transformateurs de grande puissance : au-delà de 100 MVA en triphasé.
Comment sont conçus les transformateurs de puissance ?
Les transformateurs de puissance sont conçus avec l’objectif d’optimiser leur poids, leur taille, et leur coût tout en respectant des contraintes liées aux pertes et aux échauffements notamment.
La température est un élément important à prendre en considération au moment de concevoir un transformateur. La durée de vie d’un transformateur est notamment fonction de la qualité de son isolation. Or, le vieillissement de l’isolation est accéléré lorsque la température est trop élevée dans le transformateur.
Contraintes mécaniques et bruit
Les contraintes mécaniques sur les enroulements sont également à prendre en compte. Ces forces compressent ou écartent les enroulements et peuvent être jusqu’à 100 fois plus fortes qu’en temps normal. Il est important d’en tenir compte lors du dimensionnement du transformateur. Une bonne symétrie du transformateur en ce qui concerne les enroulements permet de maîtriser l’augmentation des contraintes mécaniques.
Il est possible de concevoir le transformateur en s’assurant qu’il ne fera pas trop de bruit. Cela se réalise grâce à une diminution de l’induction. Cependant, lorsque l’on réduit l’induction, cela se répercute sur les dimensions du transformateur : ce dernier doit être plus grand, et revient donc plus cher. On peut aussi tenter de maîtriser le bruit en utilisant une tôle à grains orientés. Pour un transformateur utilisant un refroidissement à air forcé, il faut tenir compte du bruit des ventilateurs et en utiliser donc qui n’émettent qu’un faible bruit.
Le transport du transformateur
Le poids d’un transformateur est d’autant plus élevé que sa puissance apparente est grande. Un transformateur de puissance de kVA pèse ainsi 650 kg. La conception d’un transformateur doit prendre en compte les limites imposées par son transport (hauteur des tunnels à traverser par exemple). Ce dernier demeure un obstacle de taille, qu’il soit effectué par rails, voie fluviale ou convois exceptionnels.