Transformateur monophasé : Construction, principe de fonctionnement et diagrammes de phaseurs

Conversion statique tension CA par induction mutuelle

Un transformateur monophasé est un dipôle statique transférant l'énergie entre circuits à même fréquence, changeant niveaux tension/courant via flux magnétique partagé. Pas de pièces mobiles. Rendement élevé (95–99,7 %).

Détails construction

1. Circuit magnétique

• Matériau : Tôle acier au silicium à grains orientés laminés à froid (CRGO / M4–M6). Haute perméabilité, faibles pertes hystérésis.
• Tôles : 0,23–0,35 mm épaisses, isolées (oxyde / vernis / revêtement C5). Réduit courants de Foucault (∝ épaisseur²).
• Types de circuits :
  • Type noyau (Core-Type) : Enroulements entourent colonnes (concentrique BT intérieur, HT extérieur). Meilleur refroidissement, réparation plus facile. Standard distribution.
  • Type enveloppe (Shell-Type) : Noyau entoure enroulements (sandwich : BT-HT-BT). Meilleure tenue mécanique (court-circuit), réactance fuite plus faible. Grosse puissance, four, traction.
• Étages noyau : Cruciforme / multi-étages approxime cercle → réduit longueur spire moyenne → moins pertes Cu.

2. Enroulements

• Conducteur : Cuivre (standard) ou Aluminium (coût/poids). Rond (petit), Rectangulaire (gros), CTC (Câble transposition continue - très gros).
• Isolation : Émail (fil magnétique), Papier (Kraft, Nomex), Espaceurs carton pressé, canaux.
• Disposition : Concentrique (BT intérieur, HT extérieur) minimise épaisseur isolation & dégagements. Entrelacés pour faible fuite (transformateurs mesure).
• Prises : Hors charge (DETC) ±2×2,5 % ou ±5 %. Sous charge (OLTC) pour régulation tension (gros unités).

3. Système d'isolation

• Isolation principale : HT-BT, HT-Terre, BT-Terre. Huile + Carton pressé + Barrières fuite.
• Isolation secondaire : Tour-à-tour (émail), Couche-à-couche (papier), Bobine-à-bobine.
• Traversées : Porcelaine / Époxy / RIP (Papier imprégné résine). Condensateur gradué (couches capacitives) pour HT. TP souvent intégrées traversée HT.

4. Cuve et accessoires (Immergé huile)

• Cuve : Acier, soudée. Étanche (hermétique) ou type conservateur.
• Fluide refroidissement : Huile minérale (NAPTA), Esters naturels (FR3 - biodégradable, point éclair haut), Silicone.
• Conservateur : Réservoir expansion. Vessie (N₂) ou Libre-respiration + Déshydrateur gel silice.
• Radiateurs / Refroidissement : ONAN (Naturel), ONAF (Air forcé), OFAF (Huile/Air forcé), OFWF (Huile/Eau forcé). Classe K pour Esters.
• Dispositifs protection : Relais Buchholz (gaz/flux), Soupape dépression (PRV), Indicateurs température huile/enroulements (OTI/WTI), Jauge niveau huile magnétique (MOG).

Principe de fonctionnement : La loi de Faraday en action

1. Excitation : V₁ appliqué au Primaire (N₁ spires). Courant magnétisant I₀ circule → crée flux Φ_m dans noyau.
2. FEM propre (Primaire) : E₁ = -N₁ dΦ/dt ≈ 4,44 f N₁ Φ_m (RMS). V₁ ≈ E₁ (faible chute I₀R₁).
3. Induction mutuelle (Secondaire) : Même Φ_m enlace Secondaire (N₂ spires). E₂ = -N₂ dΦ/dt = 4,44 f N₂ Φ_m.
4. Rapport tensions : V₂/V₁ ≈ E₂/E₁ = N₂/N₁ = a (Rapport de tours).
5. Courant charge : I₂ circule dans Secondaire → FMM N₂I₂ s'oppose à Φ_m (Lenz).
6. Réponse Primaire : Primaire tire I₂' = I₂/a supplémentaire pour annuler N₂I₂. FMM net ≈ N₁I₀ (maintient Φ_m).
7. Rapport courants : I₁/I₂ ≈ N₂/N₁ = 1/a.
8. Bilan puissance : V₁I₁cosφ₁ ≈ V₂I₂cosφ₂ (négligeant pertes).

Circuit équivalent (Rapporté au primaire)

 R1 Xl1 R2' Xl2' V1 ──[====]──[===]───┬───[====]──[===]───┐── V2' | │ | │ (Rc) (Xm) | | | │ | │ GND GND GND GND 

• R₁, X_l1 : Résistance & réactance fuite primaire.
• R_c, X_m : Pertes fer (hystérésis+Foucault) & Réactance magnétisante.
• R₂', X_l2' : Valeurs secondaires rapportées (× a²).

Pertes et rendement

• Pertes à vide (Fer) P₀ : Hystérésis + Foucault. Constant (dépend tension). ~0,1–0,5 % kVA assigné.
• Pertes en charge (Cuivre) P_k : I²R (Primaire + Secondaire). ∝ Charge². ~0,5–2 % kVA assigné.
• Pertes dispersées : Foucault cuve, serrages, connexions. Faibles.
• Rendement η = P_sortie / (P_sortie + P₀ + P_k). Max η quand P₀ = P_k (typiquement 50–70 % charge).
• Rendement journalier : Énergie sortie / Énergie entrée sur 24h. Critique transformateurs distribution (charge moyenne faible).

Régulation de tension

%Reg = (V_vide - V_charge) / V_charge × 100 %. Dépend FP charge. FP retard → reg plus haute. FP avance → reg négative (hausse tension).

Essais (CEI 60076 / IEEE C57.12)

• Rapport & Polarité (Pont rapport tours).
• Résistance enroulements (Pont Kelvin).
• Pertes & Courant à vide (Essai circuit ouvert).
• Pertes en charge & Tension d'impédance (Essai court-circuit).
• Résistance isolement (Mégaohmmètre), PI, DAR.
• Tenue diélectrique (Tension appliquée, Tension induite).
• DGA (Analyse gaz dissous) - Surveillance état.

Résumé : Le transformateur monophasé est un chef-d'œuvre de conception magnétique — échangeant cuivre, acier, et isolation pour un changement de tension efficace et isolé. Sa simplicité cache la précision de sa gestion des pertes et sa tenue mécanique.