Les notions importantes sur le transformateur

Dans la pratique, il est très rare, voire impossible, de connaître le nombre de tours de chacun des enroulements d'un transformateur.
Cependant, on retrouve souvent sur la plaque signalétique des transformateurs l'indication de la tension nominale du primaire, celle du secondaire, la puissance admissible et, même, le rapport de transformation.
La tension nominale d'un transformateur est une valeur optimale de tension appliquée à un enroulement et nécessaire à son bon fonctionnement.
En général, la tension appliquée à un transformateur peut être plus ou moins grande que sa tension nominale.Cependant, elle ne doit pas excéder 110 % de la tension nominale, puisque le transformateur devient alors en saturation.
Par ailleurs, le courant qui circule dans l'enroulement dégage de la chaleur, qui doit être limitée pour ne pas endommager l'enroulement ainsi que la structure du transformateur.
C'est pourquoi on attribue à chaque transformateur une valeur de puissance admissible. Cette attribution a pour but de limiter à la fois la tension appliquée et le courant débité pour chacun des enroulements d'un transformateur.
La puissance admissible d'un transformateur est exprimée en voltampères (VA) et déterminée par le produit de la tension nominale et du courant nominal d'un enroulement, comme le montre la formule suivante :

ou .

Où :
S : puissance admissible en voltampères (VA)
U₁ : tension nominale de l'enroulement primaire en volts (V)
I₁ : courant nominal de l'enroulement primaire en ampères (A)
U₂ : tension nominale de l'enroulement secondaire en volts (V)
I₂ : courant nominal de l'enroulement secondaire en ampères (A)

Dans les conditions normales d'opération, il faut respecter toutes les valeurs nominales d'un transformateur, c'est-à-dire ne pas dépasser la puissance admissible, la tension nominale et le courant nominal.

Exemple de l'application de ces notions :
La plaque signalétique d'un transformateur abaisseur indique les données suivantes :

S = 50 kVA et m = 120/600 V.

1. Calculez, en ampères (A), le courant nominal du primaire et du secondaire.
2. Calculez, en voltampères (VA), la puissance d'opération de ce transformateur, si une charge résistive de 2 Ω est raccordée au secondaire.
3. Est-ce qu'il est possible de tirer une puissance de 50 kVA, si la tension appliquée au primaire est de 308 V ?

Solutions :

1.
- Calcul du courant nominal du primaire :

Formule pour calculer le courant :

Si :  alors : ;

Où : S = 50 kVA ou 50 000 VA et U₁ = 600 V
Ainsi :

- Calcul du courant nominal du secondaire :

Formule pour calculer le courant :

Si :  alors : .

Où : S = 50 kVA ou 50 000 VA et U₂ =120 V.

Ainsi : .

Le courant nominal pour chacun des enroulements est donc : I₁ = 83,33 A et I₂ = 416,67 A

2. Calcul de la puissance d'opération

1^e étape
Calcul du courant : formule pour calculer le courant :

Où : U₂ =120 V et R = 2 Ohms.

Donc :

2^e étape

Calcul de la puissance d'opération : formule pour calculer la puissance d'opération : .

Où : U₂ = 120 V et I₂ = 60 A.
Donc :
La puissance d'opération du transformateur pour une charge résistive de 2 Ω est égale à 7 200 VA ou 7,2 kVA.

3. D'une part, il est possible d'appliquer une tension de 308 V au primaire, puisqu'elle est plus basse que la tension nominale du transformateur, qui est de 600 V.

D'autre part, pour savoir s'il est possible de tirer une puissance de 50 kVA avec une tension appliquée de 308 V au primaire, il est nécessaire de calculer l'intensité du courant circulant dans l'enroulement primaire :

Où : S = 50 000 VA et V₁ = 308 V

Donc :

L'intensité de ce courant excède donc la valeur nominale de courant, soit 83,33 A calculée au point a. Étant donné que l'intensité du courant excède la valeur nominale, il n'est pas possible de tirer une puissance de 50 kVA avec une tension appliquée de 308 V sans risquer de surchauffer le transformateur.

Idéalement, il ne doit pas y avoir de perte de puissance dans un transformateur.

Cela veut dire que la puissance débitée du secondaire pour fournir à la charge est égale à la puissance qui alimente le primaire du transformateur. Dans la pratique, il y a des pertes de puissance.

Celles-ci sont principalement occasionnées par :

- des enroulements primaires et secondaires formés par des fils conducteurs, produisant une perte de puissance sous forme de chaleur provenant des résistances de ces fils ;

- certaines lignes de champs du flux magnétique qui sortent du noyau plutôt que de circuler normalement dans ce dernier. Ces lignes se propagent dans l'air, causant un phénomène appelé fuite magnétique, d'où la perte de puissance.

Ces principales pertes et d'autres encore font en sorte que la puissance fournie à la charge par l'enroulement secondaire est toujours inférieure à celle qui alimente le primaire. Par conséquent, le rendement du transformateur est déterminé par le rapport de ces puissances représenté par la formule suivante :

On utilise la lettre grec  (êta) pour désigner le rendement.

On appelle couramment la puissance utile (P_u), celle fournie à la charge par le secondaire, et puissance absorbée (P_a), celle qui alimente le primaire du transformateur.
Par conséquent, le rendement d'un transformateur peut être simplement exprimé par la formule suivante :

Le rendement peut aussi s'exprimer de la façon suivante : .

La valeur obtenue n'est plus un pourcentage mais un nombre compris entre 0 et 1 (la valeur 1 correspond à un rendement de 100 %).

Exemple de l'application de cette formule :
Sachant qu'un transformateur est alimenté par une puissance de 1500 VA et fournit seulement une puissance de 1 485 VA à la charge, calculez son rendement.

Solutions :
Formule pour le calcul du rendement :

Où : P_u = 1 485 VA et P_a = 1 500 VA.

Donc :

Le rendement de ce transformateur est égal à 99 %.

Ou encore :

Le rendement de ce transformateur est de 0,99.

Dans un transformateur, les tensions primaires et secondaires changent périodiquement de polarité en fonction de la tension alternative appliquée au transformateur.
C'est pourquoi l'identification des bornes possédant la même polarité est nécessaire, et c'est là le rôle joué par les marques de polarité.
Effectivement, les marques de polarité sont des marques d'identifications apparaissant sur les bornes d'un transformateur.
Dans le cas des transformateurs de puissance et de distribution:

• les bornes de l'enroulement à haute tension sont marquées par "H1" et "H2";
• les bornes de l'enroulement à basse tension sont indiquées par "X1" et "X2".

Ainsi, pendant que la borne "H1" est à un potentiel positif par rapport à la borne "H2", la borne "X1" est elle aussi positive par rapport à la borne "X2".

Parfois, seules les bornes "H1" et "X1" sont identifiées à l'aide d'un point "•" du côté haute tension et du côté basse tension.

En pratique, il arrive parfois qu'un seul transformateur ne suffise pas pour satisfaire la demande de puissance de la charge.

On doit alors raccorder deux ou plusieurs transformateurs en parallèle.

Illustration animée : Raccordement en parallèle de deux transformateurs.

 Parfois, seules les bornes "H1" et "X1" sont identifiées à l'aide d'un point "•" du côté haute tension et du côté basse tension.

Un symptôme anormal ou une lecture de tension inquiétante d'un circuit peut vouloir dire que le transformateur est défectueux.
Son état de fonctionnement peut alors être vérifié à l'aide d'un ohmmètre.
Étant donné qu'un transformateur est constitué de deux bobines enroulées séparément autour d'un noyau magnétique, il est nécessaire de vérifier chacune d'entre elles en branchant à son extrémité l'ohmmètre.

• si le mauvais fonctionnement est causé par une discontinuité de la bobine, l'ohmmètre indiquera R = infini ;
• si la bobine est en bon état, R sera égale à une valeur de quelques ohms.
• si les deux bobines sont en bon état, cela signifie que le transformateur fonctionne normalement.

Le diagnostic du mauvais fonctionnement d'un circuit est difficile à poser.
En effet, tout comme le bon état des bobines, la présence d'un court-circuit donne une lecture de la résistance avec une valeur très basse Il est difficile à ce moment de confirmer la présence ou l'absence d'un court-circuit.

Pour s'assurer que c'est bien le transformateur qui est responsable du mauvais fonctionnement du circuit, il est parfois nécessaire de le substituer par un transformateur dont le bon fonctionnement est certain.

Ainsi, une fois ce transformateur mis en place, la vérification devrait montrer un fonctionnement normal. Si tel n'est pas le cas, cela signifie que le transformateur n'est pas la cause du mauvais fonctionnement du circuit.