Les circuits magnetiques des transformateurs

Historique 

Le transformateur est un composant fondamental en électrotechnique, son étude constitue l’un des piliers de cette discipline. Les principes du transformateur ont été établis en 1831 par Michael Faraday, mais celui-ci ne s’en servit que pour démontrer le principe de l’induction électromagnétique et n’en prévit les applications pratiques. Le premier transformateur employé couramment était la bobine d’induction, inventé par l’ecclésiastique irlandais Nicholas Callan en 1836. Il était l’un des premiers pour comprendre le principe plus que de bobiner un enroulement de transformateur. Les bobines d’induction ont évolué des efforts de scientifiques d’obtenir des tensions plus élevées des batteries. Entre 1830 et 1870, les efforts de construire de meilleures bobines d’induction se poursuivaient, la plupart du temps par épreuve et erreur, a lentement indiqué les principes de base de l’opération de transformateur. Les conceptions efficaces n’apparaîtraient pas que jusqu’à 1880 mais dans moins qu’une décennie, le transformateur était instrumental pendant la « Guerre des courants » en voyant le courant alternatif qui triomphe les systèmes au-dessus de leur courant continu, une position en laquelle ils sont restés dominants. En 1876, l’ingénieur russe Pavel Yablochkov a inventé un système d’éclairage basé sur un ensemble de bobines d’induction, où des enroulements primaires ont été reliés à une source de courant alternatif et d’enroulements secondaires pourraientt être relié à plusieurs « bougies électriques ». Le brevet a réclamé, le système a pu « fournir l’approvisionnement séparé à plusieurs montages d’éclairage avec différentes intensités lumineuses d’une source simple d’énergie électrique ». Évidemment, la bobine d’induction dans ce système actionné est comme transformateur. Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs, qui a exhibé un dispositif avec un noyau de fer ouvert appelé « un générateur secondaire » à Londres en 1882 et puis a vendu la première fois l’idée à la compagnie américaine Westinghouse. En 1883, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs réussissent à transmettre pour la première fois, sur une distance de 40 km, du courant alternatif sous une tension de 2 000 volts à l’aide de transformateurs avec un noyau en forme de barres. Lucien Gaulard, le jeune électricien français, présente à la Société Française des électricités en 1884, un « générateur secondaire », dénommé depuis transformateur. En 1884, Lucien Gaulard met en service une liaison bouclée de démonstration (133 Hz) alimentée par du courant alternatif sous 2 000 volts et allant de Turin à Lanzo et retour (80 km). On finit alors par admettre l’intérêt du transformateur qui permet d’élever la tension délivrée par un alternateur et facilite ainsi le transport de l’énergie électrique par des lignes à haute tension. La reconnaissance de Gaulard interviendra trop tardivement.

Entre-temps, des brevets ont été pris aussi par d’autres. Le premier brevet de Gaulard en 1882 n’a même pas été délivré en son temps, sous prétexte que l’inventeur prétendait pouvoir faire « quelque chose de rien » ! Gaulard attaque, perd ses procès, est ruiné, et finit ses jours dans un asile d’aliénés. Le transformateur de Gaulard de 1886 n’a pas grand-chose à envier aux transformateurs actuels, son circuit magnétique fermé (le prototype de 1884 comportait un circuit magnétique ouvert, d’où un bien médiocre rendement) est constitué d’une multitude de fils de fer annonçant le circuit feuilleté à tôles isolées.

Ainsi, en 1885, les Hongrois Károly Zipernowsky, Miksa Déry et Otto Titus Bláthy mettaient au point un transformateur avec un noyau fermé, basé sur la conception par Gaulard et Gibbs, et commercialisé dans le monde entier par la firme Ganz à Budapest et aux ÉtatsUnis. Mikhail Dolivo-Dobrovolsky, un ingénieur russe a développé le premier transformateur triphasé en 1889. En 1891 Nikola Tesla a inventé l’enroulement portant son nom « enroulement de Tesla », un transformateur résonnant à air-creusé et duel-accordé pour produire des tensions très élevées à la fréquence. Son essor fut immédiat, les puissances réalisées augmentèrent très rapidement, quelques 100kVA en 1900 et quelques MVA en 1910. Actuellement, grâce à l’évolution de la technologie, on gagne sur le poids de fer utilisé et le niveau de pertes est moins important. En 2008, le Polytransformer d’ABB à Córdoba en Espagne peut atteindre une puissance exceptionnelle de 830 MVA.

Généralités

La distribution de l’énergie électrique qu’elle soit domestique ou industrielle, se fait généralement sous tension faible ou moyenne (220V, 380V ou 25kV) pour des raisons de commodité d’emploi (puissance utile…) et de sécurité. En revanche, le transport se fait sous tension élevée pour diminuer la valeur du courant de lignes et donc les pertes joules dans les conducteurs. Pour cela, il est nécessaire, à l’entrée d’une usine ou d’un bâtiment habitable, de disposer d’une machine permettant d’adapter le niveau de la tension de distribution aux dispositifs qui vont utiliser l’énergie. C’est le rôle des transformateurs de distribution. Ils sont conçus pour fonctionner à 50Hz et les matériaux utilisés doivent avoir des pertes fer convenables à cette fréquence. Il existe des transformateurs particuliers conçus pour des applications autres que la distribution. On peut citer l’autotransformateur qui permet d’obtenir en sortie un niveau de tensions réglables ou les transformateurs assurant une isolation galvanique dans les dispositifs d’électronique de puissance (transformateur d’alimentation à découpage) et dans le régime de neutre. Dans tous les cas, le transformateur est une machine statique à induction électromagnétique, constitué d’un noyau appelé circuit magnétique et aux moins deux enroulements, qui permet de modifier le niveau de tension du signal alternatif d’entrée sans modifier sa fréquence. Si la tension appliquée à l’entrée est plus basse que celle récupérée à la sortie, le transformateur fonctionne en élévateur, dans le cas inverse en abaisseur. Il faut noter que le transformateur est un dispositif inductif et que par conséquent, il filtre la composante continue du signal d’entrée. Dans la suite, nous ne nous intéresserons qu’au transformateur de distribution, conçu pour fonctionner à fréquence industrielle (50 ou 60Hz).

La conversion d’énergie électrique en énergie mécanique ou en énergie électrique de tension différente recourt à deux types de phénomènes :
– les phénomènes électriques associés au courant ;
– les phénomènes magnétiques associés au flux magnétique.
De ce fait, de nombreux dispositifs font alors appel à des matériaux magnétiques doux ferromagnétiques ou ferromagnétiques tels que les transformateurs, les machines électriques tournantes, etc.…

Classification des substances

Toutes les substances sur la terre ont des propriétés magnétiques, c’est-à-dire peuvent s’aimanter. Toutefois les propriétés magnétiques ne sont pas les mêmes pour toutes les substances. C’est pour cette raison qu’on peut les classer en trois catégories principales à savoir :

➤ les substances non ferromagnétiques : dans lesquelles l’aimantation M est proportionnelle à l’induction B et au champ H . Autrement dit ayant une susceptibilité magnétique χ (une perméabilité constante). Toutefois les propriétés magnétiques de ces substances sont tellement faibles (  < 10⁻³ )  , dans la technique, on les considère comme étant non magnétiques Les substances de cette catégorie se divisent en deux groupes :
• les paramagnétiques : ( χ > 0 )
• les diamagnétiques : ( χ < 0  ) .

➤ les substances ferromagnétiques : dans ces derniers l’aimantation M n’est plus liée fonctionnellement à H , elle dépend de toutes les valeurs antérieures prises par H donc χ est variable et d’autre part, peut prendre des valeurs positives trop grandes jusqu’à  10⁷ , ainsi les ferromagnétiques ont des propriétés magnétiques très marquées. Dans la pratique, on les considère comme étant les seules substances magnétiques.