CHAPITRE XII TBANSFOBMATEUBS

76. Principe des transformateurs statiques à courant alternatif. — A propos de Tinduction mutuelle, dans le chapitre m, on a vu que rétablissement et la disparition d un flux magnétique dans un noyau de fer donnait naissance à une force électromotrice d'induction dans une spire disposée de manière à être traversée complètement ou partiellement par le flux. La valeur de cette force électromotrice est directement proportionnelle à la valeur maximum du flux et inversement proportionnelle au temps que le flux met pour passer d'une valeur maximum à une valeur nulle ou vice versa.

Si, au lieu d'une spire, on en met deux, trois ou un plus grand nombre, chacune d'elles, en admettant qu'elles soient toutes traversées par le même flux, devient le siège d'une force électromotrice de même valeur. En reliant les spires en tension, c'est-à-dire en enroulant sur le noyau un fil conducteur isolé, de manière à constituer une bobine, la valeur de la force électromotrice totale est la somme des forces électromotrices développées dans chacune des spires.

Lorsque le flux de force, au lieu d'être produit par un courant interrompu, est dû à un courant alternatif (et dans ce cas le noyau doit être feuilleté pour éviter autant que possible la production de courants de Foucault), ce flux est aussi alternatif et ses variations successives peuvent être représentées par la courbe sinusoïdale habituelle.

On comprend facilement (§ 22) pourquoi, dans ces conditions, une spire soumise à Tinduction mutuelle devient le siège d'une force électromotrice alternative décalée de 1/4 de période par rapport au flux. Si les spires sur lesquelles se produisent les effets d'induction mutuelle sont très nombreuses, la force électromotrice totale est la somme des forces électromoirices développées dans chacune des spires.

Lorsque ce second circuit est fermé sur une résistance quelconque, il s'y produit un courant alternatif qui dure pendant tout le temps que le noyau donne naissance à un flux alternatif. On a donc ainsi la possibilité de développer dans un circuit un courant alternatif par suite des effets d'induction mutuelle dus k un autre circuit dans lequel passe un courant alternatif, l-es deux circuits ainsi constitués sont complètement indépendants l'un de l'autre au point de vue électrique, mais sont dépendants au point de vue magnétique; les deux parties de cet appareil sont fixes.

L'ensemble constitué par deux bobines, dont l'une, dite bobine primaire^ est parcourue par un courant alternatif de fréquence déterminée, et dont lautre, dite bobine secondaire^ est soumise à l'induction de la première, constitue un transformateur. Les effets d'induction sont augmentés par la présence d\in noyau de fer qui augmente le flux de force. La bobine secondaire, lorsque son circuit est fermé sur une résistance, produit un courant alternatif. On ajoute quelquefois au nom de transformateur le qualificatif de statique pour indiquer que tous les organes de l'appareil sont fixes, afin de le distinguer d'appareils destinés à un but analogue dans lesquels il y a des organes mobiles.

On peut se demander quel est 'l'intérêt que présente, au point de vue industriel, un appareil de ce genre, puisqu'on obtient un courant alternatif en lalimentant également avec du courant alternatif et que les deux ont la même fréquence. Pourquoi ne pas utiliser directement le courant alternatif qui circule dans le primaire du transformateur pour alimenter les récepteurs? A cela on peut répondre qu'effectivement le cou-

rant du circuit secondaire a la même fréquence que celui qui alimente le primaire, mais on a la faculté de modifier à volonté, et dans de grandes limites, les facteurs de Ténergie (tension et intensité); c'est précisément cette propriété du transformateur qui donne une importance considérable à cet appareil dû, au moins en ce qui concerne son principe, à Tinvention de Gaulard et de Gibbs.

Il convient d'étudier maintenant les phénomènes qui se produisent dans un transformateur.

Le circuit secondaire d*UQ transformateur se compose d'une bobine enroulée sur un noyau de fer et de récepteurs qui utilisent une certaine quantité d'énergie électrique fournie par le circuit primaire. La loi de la conservation de l'énergie indique que, abstraction faite des pertes inévitables, les

quantités d'énergie fig. i4i,'

fournies au circuit primaire et dépensées dans le circuit secondaire sont équivalentes. C'est le flux de force magnétique développé dans le noyau de fer qui, par suite des effets d'induction mutuelle, transporte l'énergie d'un' circuit à l'autre.

Ce point fondamental établi, il convient d'examiner les phénomènes qui se produisent lorsque deux transformateurs ont un circuit primaire identique, un noyau de fèr semblable et un circuit secondaire différent [fig, 141). Le circuit secondaire du premier transformateur comporte, par exemple, 50 spires, tandis que celui du second n'en a que 30. La tension du circuit d'alimentation aux bornes des deux circuits primaires est la même, les deux transformateurs étant montés en dérivation sur les deux conducteurs d'une canalisation alimentée par un seul alternateur. On intercale des résistances dans chacun des circuits secondaires, que l'on règle de manière à obtenir

202 LA TECHNIQUE DES œURANTS ALTERNATIFS

dans les ampèremètres Aj et Ao des déviations identiques, c'est-à-dire indiquant la même intensité de courant. On peut déduire des indications des ampèremètres que la quantité d'énergie électrique fournie aux deux circuits primaires est la môme. En négligeant les pertes, on peut aussi conclure de ce fait que la quantité d'énergie dépensée dans chacun des deux circuits secondaires est la même, mais qu'elle n'est pas utilisée dans les mêmes conditioiîs.

Le tlux a évidemment la môme valeur dans chacun des deux noyaux de fer et la force électromolrice induite dans une spire est également la môme pour toutes. Soit, par exemple, une force électromotrice de 1 volt développée dans chaque spire du circuit secondaire; dans ces conditions, la force électromotrice disponible aux bornes du circuit secondaire du premier transformateur est de 50 volts, puisqu'il comporte 50 spires, et elle n'est que de 30- volts dans le circuit secondaire du second transformateur. Mais, puisque la quantité d'énergie est la môme dans les deux, il s'ensuit que l'intensité du courant est différente. Si la quantité d'énergie mise en jeu dans chacun des transformateurs est de 1 kilowatt, l'intensité du courant dans le premier est égale à :

— r- =± 20 ampères,

tandis que, dans le second, elle est d^ :

: 33,3 ampères.

L'expérience confirme entièrement ces déductions et Ton voit comment, avec un flux magnétique alternatif de valeur déterminée, il est possible de transmettre une certaine quantité d'énergie électrique du circuit primaire au circuit d'utilisalion dans lequel on peut faire varier à son gré la tension sous laquelle l'énergie électrique est utilisée.

Le circuit primaire étant, au point de vue électrique, tout à fait indépendant du circuit secondaire, on peut, en le cal-

culant en conséquence, l'alimenter sous une tension déterminée faible, grande ou très grande; Ton comprend pourquoi le transformateur statique est un système dans lequel une certaine quantité d'énergie électrique fournie au circuit primaire sous forme de courant alternatif à une tension déterminée peut être transmise au circuit secondaire dans lequel la même quantité d'énergie est utilisée sous la tension qui convient le mieux.

Le nom de transformateur a été donné à cet appareil parce qu'il transforine les facteurs de fénergie. Donc, une quantité donnée d'énergie peut être fournie à cet appareil à haute tension et avec une faible intensité et il peut ensuite la distribuer à basse tension et avec une grande intensité. La réciproque se produit également et est souvent utilisée dans l'industrie. Enfin, dans certains cas particuliers, on utilise des transformateurs dans lesquels les facteurs de l'énergie sont les mêmes dans les deux circuits.

77. Rapport de transformation. — On désigne sous le nom de rapport de transformation d'un transformateur le rapport entre la tension de la canalisation d'alimentation aux bornes du circuit primaire et la tension sous laquelle la canalisation d'utilisation est alimentée par le circuit secondaire. Ainsi, si le primaire d'un transformateur reçoit le courant sous une différence de potentiel de 2000 volts et que cette différence de potentiel soit seulement de 100 volts aux bornes du secondaire, le rapport de transformation est égal h 20.

On démontre, et l'expérience le confirme, que le rapport de transformation est pratiquement égal au rapport existant entre le nombre de spires des circuits primaire et secondaire. C'est pourquoi, si le nombre de spires est très différent sur chacun des deux enroulements, le poids de cuivre employé reste le même pour chacun d'eux: en effet, dans le circuit où la différence de potentiel est très grande, l'intensité est faible et un conducteur de faible section suffit; au contraire, dans le circuit où la différence de potentiel est faible, l'intensité du courant,

pour une même quantité d'énergie, est grande et il est nécessaire que la section du fil soit proportionnelle à cette intensité.

78. Analogie mécanique. — Le levier, qui est la plus simple des machines, et tous les appareils dérivant plus oa moins directement du levier sont, au point de vue mécanique, ce que le transformateur est au point de vue électrique. Le levier transforme les facteurs du travail mécanique comme le transformateur modifie ceux de Ténergie électrique et de Futilité du levier en mécanique on peut immédiatement en déduire celle du transformateur dans les nombreuses applications de Ténergie électrique.

Dans le cas du levier, on comprend, naturellement et sans explications, qu'il doit y avoir égalité entre le travail dépensé et le travail obtenu et qu'à un effort résistant de valeur déterminé doit correspondre un effort égal de même valeur ; il en est de môme pour le transformateur électrique.

Dans le transformateur, il y a un circuit primaire relié aux conducteurs d'alimentation ; il semble, à première vue, que la quantité d'énergie absorbée par le transformateur doit être constante ; maïs les choses ne se passent pas ainsi, car, comme on le verra plus loin, la quantité d'énergie absorbée par le transformateur varie avec celle que fournit le circuit secondaire au réseau d'utilisation et c'est ce phénomène qui constitue le mécanisme autorégulateur du transformateur électrique.

Si on voulait pousser encore plus loin l'analogie, on pourrait remarquer que, dans le levier, c'est la tige rigide qui transporte Ténergie d'une extrémité à l'autre, tandis que, dans le transformateur, c'est le llux magnétique qui effectue cette transmission. Le levier peut transmettre l'énergie mécanique de différentes manières; de même un flux de valeur donnée peut transmettre d'un circuit à un autre une quantité d'énergie petite ou grande.

Soit un levier en équilibre, ce qui correspond à un transformateur dont le circuit secondaire est ouvert. Dans un levier

de longueur donnée, c'est la position du point d'appui qui détermine le rapport entre la force agissante et la force résistante; dans le transformateur, le flux reste constant et ce sont les deux enroulements qui déterminent le rapport entre la tension du circuit d'alimentation et celle du circuit d'utilisation. Le rapport des bras du levier correspond au rapport du nombre de spires des deux circuits primaire et secondaire du transformateur.^

Le flux reste constant dans le noyau du transformateur et il n'augmente pas avec l'intensité du courant dans le circuit primaire; il varie légèrement pourtant suivant la charge et l'on en donnera plus loin les raisons.

79. Autorégulation du transformateur. — Â première vue, on ne voit pas pourquoi la quantité d'énergie absorbée par le circuit primaire d'un transformateur est automatiquement proportionnelle à celle que fournit le circuit secondaire. C'est là un fait qui demande quelques explications.

Il convient derappeler, à ce propos, le résultalconstatédans le paragraphe 23 à propos de l'action qu'un circuit, soumis à l'induction mutuelle, exerce sur le flux qui a donné naissance à cette induction. On comprend alors que, si un noyau de fer est muni de deux enroulements, le premier relié à un générateur et le second fermé sur une résistance, le courant qui prend naissance dans ce dernier, par exemple au moment de l'ouverture ou de la fermeture du circuit, réagit par son propre flux sur le flux principal et tend à diminuer la self-induction apparente du premier circuit.

Dans un transformateur, il se produit le même phénomène, parce que, comme dans l'exemple qui vient d'être cité, on se trouve en présence d'un courant qui circule dans le circuit primaire et qui agit par induction mutuelle sur un second circuit; ce courant étant régulièrement alternatif, c'est-à-dire croissant et décroissant, au lieu d'être un courant unique interrompu, cela ne change rien au caractère du phénomène et le résultat doit être le même. La présence du circuit secon-

" Tnji

daire dans lequel se produit un courant alternatif a pour effet de diminuer la self-induction apparente du circuit primaire, permettant ainsi à ce dernier d'être traversé par un courant plus intense et, par conséquent, de consommer une plus grande quantité de Ténergie électrique fournie par la canalisation.

L'autorégnlation d'un transformateur s'effectue de la manière suivante : soit, par exemple, le cas, qui se présente le plus souvent dans la pratique, d'un transformateur dont le circuit secondaire alimente des lampes à incandescence

{fig. 142). Si on suppose le circuit secondaire ouvert, c'est-àdire toutes les lampes hors circuit, le transformateur devient une simple bobine d'induction et le courant que reçoit le circuit primaire de la canalisation qui Talimente à tension constante ne dépasse pas 2 à 6 0/0 du courant qu'il absorberait s'il fonctionnait à pleine charge. Mais le courant qu'il absorbe à circuit secondaire ouvert est presque en totalité un courant magnétisant (Voir chapitre viii) qui n'entraîne aucune consommation d'énergie à la fin de chaque demi-période et il n'y a qu'une faible partie de ce courant qui soit réellement actif et dont l'énergie est dissipée par effet Joule, par hystérésis et par courants de Foucault. D'après ce qui a été dit paragraphe 48, l'intensité est fortement décalée par rapport à la force électromotrice agissante.

Si l'on vient à allumer une lampe, il se produit aussitôt, dans le circuit secondaire, sous l'action de la force électromotrice induite, un courant de 1 ampère efficace par exemple et ce courant réagit aussitôt sur le circuit primaire pour en diminuer la self-induction apparente. L'impédance du circuit primaire devient, par suite, plus faible, le courant actif augmente

FiG. 142.

et on peut démontrer qu'il augmente proportionnellement à la quantité d'énergie utilisée dans la lampe.

Lorsqu'on met en circuit une deuxième lampe, l'intensité du courant dans le circuit secondaire prend une valeur deux fois plus grande et Faction que le circuit secondaire exerce sur le circuit primaire est également deux fois plus considérable; par conséquent, la self-induction apparente du circuit primaire diminue dans la môme proportion et le courant actif croît en conséquence. Il en est de même lorsqu'une troisième, quatrième, etc., lampe est mise en service. Dans ces conditions, un transformateur alimenté h potentiel constant est un appareil autorégulateur, puisque, si on maintient constante la différence de potentiel aux bornes du circuit primaire, la force électromotrice agissante est également constante aux bornes du circuit secondaire. Cette force électromotrice peut être considérée comme constante, parce que le flux créé par le courant magnétisant peut également être considéré comme constant. En effet, c'est la seule composante active qui augmente, la composante magnétisant restant pratiquement constante.

En ne tenant pas compte des pertes, l'énergie fournie par la canalisation au circuit primaire du transformateur se retrouve, avec le rapport de transformation, dans le circuit d'utilisation relié aux bornes du secondaire.

La section des conducteurs constituant les enroulements du transformateur limite seule le nombre de lampes que l'on peut alimenter, a cause de réchauffement de ces enroulements par effet Joule.

Pour vérifier le transport d'énergie du primaire au secondaire ou du circuit d'alimentation au circuit d'utilisation, il suffit d'avoir un wattmètre à sa disposition et de l'intercaler sur le circuit primaire. Lorsque le secondaire a son circuit ouvert, le wattmètre indique la puissance consommée dans le circuit primaire par l'hystérésis, les courants de Foucault et l'effet Joule, ce dernier étant négligeable à vide, vu la faible intensité du courant. En mettant ensuite des lampes en circuit, on constate que l'énergie absorbée par le circuit primaire

augmente proportionnellement avec le nombre de lampes en service.

11 est peut-être difficile de comprendre à première vue pourquoi le flux reste constant, mais il suffit d'observer que le flux alternatif qui reste pratiquement constant, en passant par ses valeurs successives, est le flux résultant qui se produit dans le noyau, c'est-à-dire le flux qui est la somme algébrique, à chaque instant, du flux produit par le courant primaire et de celui qui prend naissance dans le circuit secondaire. On a vu que, lorsque Tintensitédu courant augmente dans le circuit secondaire, elle augmente proportionnellement dans le circuit primaire ; le flux développé par le circuit secondaire réagit naturellement sur celui qui est dû au circuit primaire et un transformateur, où Ton peut considérer les pertes comme négligeables, se comporte de telle manière que le flux résultant reste, comme il a été dit, pratiquement constant. Naturellement, il n'est pas constant dans le sens absolu du mot, c'està-dire qu'il ne varie pas, puisqu'il s'agit toujours d'un courant alternatif; mais, bien entendu, il faut comprendre que sa valeur maximum, par exemple, reste toujours la mônie.

Dans ce qui précède, on a donné une explication du phénomène, mais il y a une autre manière de l'interpréter, déjà indiquée, qui consiste à décomposer le courant en ses composantes active et magnétisante. Lorsque le circuit secondaire ou d'utilisation ne comporte que des lampes à incandescence, le courant est complètement actif et ce n'est que dans le circuit primaire ou d'alimentation qu'il y a une composante magnétisante qui sert à produire le flux. Mais, lorsque la charge augmente, il n'y a que la composante active du courant qui prenne une valeur plus grande, comme on l'a vu ci-dessus, et la composante magnétisante reste constante; par suite, le flux reste également constant ainsi que la valeur efficace de la force électromotrice induite dans le circuit secondaire.

Tel est le mécanisme de Tautorégulation ; il reste maintenant à examiner quelle est la cause physique qui produit l'affaiblissement de la force électromotrice induite dans le circuit pri-

maire. A ce propos, il convient de rappeler que, s'il ne se produisait pas une certaine diminution des efTels de la selfinduction, aucune augmentation d'intensité du courant primaire ne serait possible. Le flux résultant no reste pas absolument constant, comme on la admis jusqu'il présent, mais s'affaiblit légèrement d'une quantité suffisante pour permettre l'augmentation de l'intensité du courant; c'est pourquoi on constate une faible chute de tension dans le circuit secondaire.

Le flux qui produit la force électromotrice utile dans le circuit secondaire donne également naissance à une force électromotrice dans le circuit primaire. Un exemple montrera d'une manière suffisante que cette force électromoirice, et par suite aussi le flux qui la produit, ne subissent que de faibles variations pour permettre à l'intensité du courant dans le circuit primaire de prendre des valeurs très grandes.

Soit un transformateur d'une puissance de 10 kilowatts alimenté sous unedifi'érencede potentiel de 1000 volts efficaces. Son circuit primaire a une résistance de 2 ohms. On a vu précédemment (chap. viii) qu'en marche à vide, il absorbe à peine 0,5 ampère.

La force contre-électromolrice résultante dans le circuit doit être, dans ces conditions:

0,5 . 2 = 1 volt.

C'est pourquoi la force électromotrice induite par le flux est de 999 volts

En réalité, cette force électromotrice, est légèrement supérieure, parce que, dans ces conditions, la force électromotrice induite n'est pas en opposition complète de phase avec la tension agissante.

A pleine charge, au contraire,.rinlensité du courant dans le circuit primaire est de 10 ampères et la valeur de la force contreélectromotrice résultante est :