Voir la source de Transformateur électrique

Un '''transformateur électrique''' (parfois abrégé en « transfo ») est une [[machine électrique]]<ref>Mikhail Kostenko et Ludvik Piotrovski, ''Machines électriques'', {{t.|{{I}}}}, ''Machines à courant continu, transformateurs'', Éditions de Moscou (MIR), 1969, {{3e|édition}}, 1979, 766{{nb p.}}, « Deuxième partie – Transformateurs », {{Chap.|{{XII}} à {{XXII}}}}, {{p.|370-577}}.</ref>{{,}}<ref>Charles Harel, ''Machines électriques et essais de Machines'', Société française des électriciens – [[École supérieure d'électricité]], Paris, 1960, {{Chap.|« Transformateurs »}}, {{p.|118-180}}.</ref> permettant de modifier la [[tension électrique|tension]] [[Valeur efficace|efficace]] délivrée par une source d'énergie électrique [[Courant alternatif|alternative]], une transformation qu'il effectue avec un excellent rendement.

On distingue les transformateurs statiques et les [[commutatrice]]s. Dans un '''transformateur statique''', l'énergie est transférée du primaire au secondaire par l'intermédiaire du [[circuit magnétique]] que constitue la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alors [[circuits magnétiquement couplés|magnétiquement couplés]]. Ceci permet de réaliser une [[isolation galvanique]] entre les deux circuits. Dans une '''commutatrice''', l'énergie est transmise de manière mécanique entre une [[générateur électrique|génératrice]] et un [[Machine électrique|moteur électrique]].
[[Fichier:Drehstromtransformater im Schnitt Hochspannung.jpg|thumb|Vue en coupe d'un transformateur triphasé.]]
[[Fichier:Fotothek df n-31 0000094 Elektromonteur.jpg|thumb|Montage d'un transformateur (Allemagne, 1981).]]

== Découverte ==
[[Fichier:Induction experiment.png|thumb|upright|L'expérience de Faraday avec l'induction entre des bobines<ref>{{Ouvrage|langue=en|prénom1=Arthur William|nom1=Poyser|titre=Magnetism and Electricity : A Manual for Students in Advanced Classes|lieu=London and New York|éditeur=Longmans, Green, & Co.|année=1892|passage=285|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=JzBAAAAAYAAJ&pg=PA285|consulté le=4 avril 2012}}.</ref>.]][[Fichier:Faradays transformer.png|thumb|upright|Transformateur de Faraday.]]
Le principe de l'[[induction électromagnétique]] est découvert indépendamment par [[Michael Faraday]] et [[Joseph Henry]] en 1831. Mais Faraday ayant publié le premier ses résultats expérimentaux, le crédit de la découverte lui revient<ref name="HenryNAS">{{Lien web|lang=en |url=http://www.nas.edu/history/members/henry.html |auteur1=[[Joseph Henry]]|consulté le=4 avril 2012 |titre=Distinguished Members Gallery, National Academy of Sciences|site=nas.edu}}.</ref>.

La relation entre la [[force électromotrice]], qui est homogène à une [[Tension électrique|tension]], et le [[flux magnétique]] est formalisée dans la [[Loi de Lenz-Faraday|loi de Faraday]], soit :
: <math> |\mathcal{E}| = \left|{{d\Phi_B} \over dt}\right|</math>
Dans laquelle :
* <math>|\mathcal{E}|</math> est l'amplitude de la force électromagnétique en volts ;
* <math>\Phi_B</math> est le flux magnétique dans le circuit exprimé en [[Weber (unité)|webers]]<ref name="Chow171">{{Ouvrage|langue=en|prénom1=Tai L.|nom1=Chow|titre=Introduction to Electromagnetic Theory|sous-titre=A Modern Perspective|lieu=Sudbury, Mass.|éditeur=Jones and Bartlett Publishers|année=2006|pages totales=523|passage=171|isbn=0-7637-3827-1|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=dpnpMhw1zo8C&pg=PA171}}.</ref>.

Faraday, avec ses bobines enroulées autour d'un anneau de fer, crée en fait le premier transformateur toroïdal<ref>{{Article|lang=en|nom1=Faraday|prénom1=Michael|année=1834|titre=Experimental Researches on Electricity, 7th Series|lien auteur1=Michael Faraday|journal=Philosophical Transactions of the Royal Society of London|volume=124|passage=77–122|doi=10.1098/rstl.1834.0008}}.</ref>, mais n'en envisage pas les applications pratiques<ref name="s103">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=103}}.</ref>{{,}}<ref name="ka15">{{harvsp|Karsai, Kerényi, Kiss|1987|id=ka|p=15}}.</ref>.

=== Bobines d'induction ===
{{Article détaillé|Bobine de Ruhmkorff}}
Entre les années 1830 et 1870, les progrès dans le domaine, surtout réalisés par tâtonnement, fournissent les bases de la compréhension des futurs transformateurs.

En 1836, le travail sur les bobines d'induction est poursuivi par le révérend [[Nicholas Callan]] du [[St Patrick's College de Maynooth|Maynooth College]] en [[Irlande (île)|Irlande]]. Il est l'un des premiers à comprendre que le nombre de tours de la bobine secondaire et du primaire influait sur la force électromotrice produite.

Les bobines évoluent grâce aux efforts des différents scientifiques et inventeurs qui cherchent à augmenter la tension provenant de batteries connectées au primaire. Ces batteries fournissant du [[courant continu]], il faut ouvrir régulièrement le circuit afin d'obtenir la variation de tension et donc la variation de flux nécessaire à l'induction. Ceci est réalisé à l'aide de {{citation|contacts vibrants}}<ref>{{Article|prénom1=Nicholas J.|nom1=Callan|titre=On a new Galvanic battery|périodique=Philosophical Magazine|série=3|volume=9|mois=décembre|année=1836|date=|url=https://books.google.com/books?id=c5IOAAAAIAAJ&pg=PA477&lpg=PA477#v=onepage&q&f=false page 477|consulté le=4 avril 2012|passage=472-478}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article|lang=en|prénom1=Nicholas J.|nom1=Callan|titre=A description of an electromagnetic repeater, or of a machine by which the connection between the voltaic battery and the helix of an electromagnet may be broken and renewed several thousand times in the space of one minute|périodique=?|mois=avril|année=1837|date=|url=https://books.google.com/books?id=SXgMAAAAYAAJ&pg=PA229&lpg=PA229#v=onepage&q&f=false}}, cité dans {{Ouvrage|lang=en|nom1=Sturgeon|titre=Annals of Electricity|volume=1|passage=229-230}}, voir aussi {{Lien web |titre=la figure 52 |url=https://books.google.com/books?id=SXgMAAAAYAAJ&pg=PA522&lpg=PA522#v=onepage&q&f=false |consulté le=4 avril 2010}}.</ref>{{,}}<ref>{{Ouvrage|lang=en|nom1=Stanley|prénom1=A. Czarnik|année=1992|mois=mars|titre=The classic induction coil|collection=Popular Electronics|url=http://www.sentex.net/~mec1995/circ/hv/classic/classic.html|consulté le=4 avril 2012}}.</ref>.

Dans les années 1870, des [[générateur électrique|générateurs électriques]] en [[courant alternatif]] apparaissent. On se rend compte qu'en les utilisant dans une bobine d'induction, le système d'ouverture du circuit devient inutile.

En 1876, l'ingénieur russe [[Paul Jablochkoff]] invente un système d'éclairage basé sur un lot de bobines d'induction, dans lesquelles la bobine primaire est connectée à une [[source de courant]] alternatif et la bobine secondaire branchée à plusieurs {{citation|[[bougie Jablochkoff|lampes à arc]]}} qu'il a conçues lui-même<ref name=maglab>{{Lien web|lang=en|url=http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/museum/stanleytransformer.html|titre=Transformateur de Stanley|éditeur=[[Los Alamos National Laboratory]], [[université de Floride]]|consulté le=4 avril 2012}}.</ref>{{,}}<ref name="fonveille">{{Article|lang=en|prénom1=Wilfrid|nom1=De Fonvielle|titre=Gas and Electricity in Paris|périodique=[[Nature (revue)|Nature]]|volume=21|numéro=534|date=22 janvier 1880|url=https://books.google.com/?id=ksa-S7C8dT8C&pg=RA2-PA283|consulté le=4 avril 2012|page=283}}.</ref>.
Son montage avec deux bobines d'induction est fondamentalement un transformateur<ref name="maglab"/>.

En 1878, la société hongroise [[Compagnies Ganz|Ganz]] commence la fabrication d'équipements électriques destinés à l'éclairage, et en 1883, elle a déjà installé plus de {{unité|50|systèmes électriques}} en [[Autriche-Hongrie]].

Ces systèmes utilisent exclusivement le courant alternatif et sont constitués de [[lampe à arc|lampes à arc]] et de [[Lampe à incandescence|lampes incandescentes]] alimentées par des générateurs électriques<ref name="Hughes (1993)">
{{Ouvrage|langue=en|prénom1=Thomas P.|nom1=Hughes|titre=Networks of power|sous-titre=electrification in Western society, 1880-1930|lieu=Baltimore|éditeur=The Johns Hopkins University Press|année=1993|pages totales=474|passage=95-96|isbn=0-8018-2873-2|présentation en ligne={{Google Livres|g07Q9M4agp4C|page=PA96}}|consulté le=4 avril 2012}}.</ref>.

Jusque dans les années 1880, pour transférer de la puissance en courant alternatif depuis une source en haute tension à des charges en [[basse tension]], on les connecte toutes en série. Des transformateurs à circuit ouvert avec un rapport proche de 1:1 ont alors leurs primaires branchés en série avec la [[source de tension]] et leurs secondaires branchés aux lampes. Le problème est que quand une lampe est allumée ou éteinte, cela influe sur la tension aux bornes de toutes les autres dans le circuit. Des transformateurs variables sont introduits pour régler ce problème : certains utilisent une modification de leur circuit magnétique, voire détournent une partie du flux magnétique, pour faire varier leur rapport de conversion<ref name=FJU1889/>.

C'est dans les années 1880 qu'apparaissent les premiers transformateurs possédant un bon rendement et pouvant trouver une vraie application. Leur usage permet la [[Guerre des courants|victoire du courant alternatif sur le courant continu]] dans les [[réseau électrique|réseaux électriques]]<ref>{{Article|lang=en|prénom1=John W.|nom1=Coltman|titre=The Transformer|périodique=Scientific American|mois=janvier|année=1988|date=|résumé=http://www.osti.gov/energycitations/product.biblio.jsp?osti_id=6851152|passage=86–95}}.</ref>.

En 1882, le premier système à circuit magnétique en fer {{incise|qu'ils dénomment « générateur secondaire »}} est exposé par [[Lucien Gaulard]] et [[John Dixon Gibbs]] à [[Londres]]. Après l'exposition, Gaulard et Gibbs vendent leur idée à la société américaine [[Westinghouse Electric Company|Westinghouse]]<ref name="allan">{{Article|lang=en|prénom1=D. J.|nom1=Allan|titre=Power Transformers – The Second Century|périodique=Power Engineering Journal|volume=5|numéro=1|année=janvier 1991|date=|url=http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=61984|consulté le=5 avril 2012|passage=5-14}}.</ref>. Ils présentent une nouvelle fois leur invention à [[Turin]] en 1884, où elle sera utilisée pour le système d'éclairage<ref name="FJU1889">{{Ouvrage|prénom1=Friedrich J.|nom1=Uppenborn|titre=History of the Transformer|passage=35-41|lieu=Londres|éditeur=E. & F. N. Spon|année=1889|url=https://archive.org/details/historyoftransfo00upperich}}.</ref>.
Toutefois le rendement de leur appareil reste bas<ref name=FJU1889/> et les bobines d'induction avec un circuit magnétique ouvert sont peu efficaces pour le transfert de puissance électrique.

=== Transformateur à circuit fermé ===
[[Fichier:Trafo1885.jpg|thumb|left|upright|Transformateur cuirassé, conçu par Uppenborn suivant les brevets de 1885 des ingénieurs Ganz<ref name=FJU1889/>.]]
[[Fichier:DBZ trafo.jpg|thumb|upright|Transformateur à colonne de 1885. Plus vieil exemplaire du transformateur moderne de l'usine Ganz.]]
[[Fichier:StanleyTransformer.png|thumb|upright|Transformateur de Stanley de 1886 avec un entrefer ajustable<ref name="Stanley_adj_gap_ind_coil">{{Lien web |langue=en |auteur=William Stanley, Jr. |titre=Induction Coil |url=https://commons.princeton.edu/josephhenry/wp-content/uploads/sites/71/2019/08/1886-Stanley-Patent-US349611.pdf |format=pdf |éditeur=U.S. Patent 349 311, 21 septembre 1886 |consulté le=13 juillet 2009}}.</ref>.]]

À l'automne 1884, [[Károly Zipernowsky]], [[Ottó Bláthy]] et [[Miksa Déri]], trois ingénieurs associés à la société [[Compagnies Ganz|Ganz]], sont venus à la conclusion que les circuits magnétiques ouverts ne sont pas la solution pour les usages pratiques et pour réguler la tension<ref name="Hughes (1993)"/>.
Dans leur brevet de 1885, ils décrivent deux nouveaux types de transformateurs à circuit magnétique fermé. Dans le premier cas, les bobines de cuivre sont autour du circuit magnétique, on parle de transformateur à colonnes ; dans le second, c'est le circuit magnétique qui est autour des bobines, transformateur cuirassé<ref name=FJU1889/>. Ces conceptions sont toujours en application de nos jours pour la construction des transformateurs<ref name="Del Vecchio (2002)">{{Ouvrage|prénom1=Robert M.|nom1=Del Vecchio|et al.=oui|titre=Transformer Design Principles: With Applications to Core-Form Power Transformers|lieu=Boca Raton|éditeur=CRC Press|année=2002|pages=10-11, Fig. 1.8|isbn=90-5699-703-3|url=https://books.google.ca/books/about/Transformer_design_principles.html?id=Lzjs0LNHhVYC&redir_esc=y}}.</ref>{{,}}<ref name="Természet Világa">{{Lien web |prénom1=Simonyi |nom1=Károly |titre=The Faraday Law With a Magnetic Ohm's Law |url=https://www.termvil.hu/archiv/kulonsz/k011/46.html |éditeur=Természet Világa |consulté le=5 avril 2012}}.</ref>{{,}}<ref name="Lucas (2000)">{{Lien web |prénom1=J.R. |nom1=Lucas |titre=Historical Development of the Transformer |url=https://www.researchgate.net/publication/238088967_Historical_Development_of_the_Transformer |éditeur=IEE Sri Lanka Centre |date=Avril 2002 |consulté le=17/11/2023}}.</ref>{{,}}<ref name="Knowlton (1949)">{{Ouvrage|langue=en|prénom1=Archer E.|nom1=Knowlton|responsabilité1=éd.|titre=Standard Handbook for Electrical Engineers|éditeur=McGraw-Hill|année=1949|numéro d'édition=8|pages totales=562}}</ref>.

Toujours en automne 1884, la société Ganz réalise le premier transformateur à haut rendement et le livre le {{date|16 septembre 1884}}<ref name="Halacsy (1961)">{{Article|prénom1=A. A.|nom1=Halacsy|prénom2=G. H.|nom2=Von Fuchs|titre=Transformer Invented 75 Years Ago|périodique=Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. Part III: Power Apparatus and Systems|volume=80|numéro=3|pages=121–125|date=1961-04|issn=0097-2460|doi=10.1109/AIEEPAS.1961.4500994}}.</ref>. Il possède les caractéristiques suivantes : {{unité|1400|watts}}, {{unité|40|Hz}}, {{nobr|120:72 V}}, {{nobr|11.6:19.4 A}}, soit un rapport 1,67:1, monophasé et cuirassé<ref name="Halacsy (1961)"/>.

Dans les deux conceptions proposées, le flux magnétique circule du primaire au secondaire quasiment intégralement dans le circuit magnétique. Seule une très petite partie passe par l'air, c'est ce qu'on appelle le [[flux de fuite]].

Les nouveaux transformateurs sont {{nombre|3.4|fois}} plus efficaces que celui à circuits magnétiques ouverts de Gaulard et Gibbs<ref name=Jeszenszky>{{Lien web|nom1=Jeszenszky|prénom1=Sándor|titre=Electrostatics and Electrodynamics at Pest University in the Mid-19th Century|url=http://ppp.unipv.it/Collana/Pages/Libri/Saggi/Volta%20and%20the%20History%20of%20Electricity/V%26H%20Sect2/V%26H%20175-182.pdf|éditeur=University of Pavia|consulté le=3 mars 2012}}.</ref>. Leur brevet contient deux autres innovations majeures : l'une concerne la connexion en parallèle des charges, en lieu et place des connexions série, l'autre imagine la possibilité de construire des transformateurs avec de nombreux tours de bobines permettant d'avoir une tension de transport de l'électricité différente de celle d'utilisation. Typiquement, une valeur de {{unité|1400}} à {{unité|2000|V}} est prévue pour le transport et {{unité|100|V}} pour l'usage<ref name="Ideal (2008)">{{Lien web|titre=Hungarian Inventors and Their Inventions|url=http://www.institutoideal.org/conteudo_eng.php?&sys=biblioteca_eng&arquivo=1&artigo=94&ano=2008|éditeur=Institute for Developing Alternative Energy in Latin America|consulté le=5 avril 2012|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120322223457/http://www.institutoideal.org/conteudo_eng.php?&sys=biblioteca_eng&arquivo=1&artigo=94&ano=2008|archivedate=22 mars 2012|brisé le=}}.</ref>{{,}}<ref name=BUTE-OMIKK-BlathyOtto>{{Lien web|titre=Bláthy, Ottó Titusz|url=http://www.omikk.bme.hu/archivum/angol/htm/blathy_o.htm|éditeur=Budapest University of Technology and Economics, National Technical Information Centre and Library|consulté le=5 avril 2012}}.</ref>.

L'usage en parallèle de ces nouveaux transformateurs dans le [[Réseau de distribution électrique|réseau de distribution]] rend possible la fourniture d'électricité sur un plan technique et économique<ref name="Bláthy_HPO">{{Lien web|titre=Bláthy, Ottó Titusz (1860 - 1939)|url=http://www.hpo.hu/English/feltalalok/blathy.html|éditeur=Hungarian Patent Office|consulté le= 5 avril 2012}}.</ref>{{,}}<ref>{{Lien web |prénom1=K. |nom1=Zipernowsky |auteur2=M. Déry |auteur3=O. T. Bláthy |titre=Induction Coil |url=http://www.freepatentsonline.com/0352105.pdf |éditeur=U.S. Patent 352 105, issued Nov. 2, 1886 |consulté le=8 juillet 2009}}.</ref>. Bláthy suggère l'usage d'un circuit magnétique fermé, Zipernowsky l'usage de connexions en parallèle, Déri fait les expériences<ref name="Smil">{{Ouvrage|prénom1=Vaclav|nom1=Smil|titre=Creating the Twentieth Century : Technical Innovations of 1867—1914 and Their Lasting Impact|lieu=Oxford|éditeur=[[Oxford University Press]]|année=2005|passage=71|isbn=|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=w3Mh7qQRM-IC&pg=PA71&dq=ZBD+transformer}}.</ref>.

Ils popularisent également l'usage du mot « transformateur »<ref name="Bláthy_HPO"/>{{,}}<ref>{{Lien web|url=http://www.kfki.hu/~aznagy/lecture/lecture.htm|nom1=Nagy|prénom1=Árpád Zoltán|titre=Lecture to Mark the 100th Anniversary of the Discovery of the Electron in 1897 (preliminary text)| lieu=Budapest|année=1996|consulté le=12 avril 2012}}.</ref>, même si le terme est déjà en usage en 1882<ref>{{Ouvrage|titre=Oxford English Dictionary|éditeur=[[Oxford University Press]]|année=1989|numéro d'édition=2|isbn=}}</ref>{{,}}<ref>{{Ouvrage|prénom1=Édouard|nom1=Hospitalier|prénom2=Julius|nom2=Maier|titre=The Modern Applications of Electricity|lieu=New York|éditeur=[[D. Appleton & Company|D. Appleton & Co.]]|année=1882|passage=103|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=qt8JAAAAIAAJ}}.</ref>.

En 1886, la société Ganz fournit l'équipement du premier [[poste électrique]] en courant alternatif connecté en parallèle, la fourniture d'électricité est assurée par un générateur électrique à vapeur de [[Rome]]-[[Cerchi]]<ref>{{Lien web|url=http://www.iec.ch/cgi-bin/tl_to_htm.pl?section=technology&item=144|titre=Ottó Bláthy, Miksa Déri, Károly Zipernowsky|éditeur=IEC Techline|consulté le=5 avril 2012|archiveurl=https://web.archive.org/web/20101206042832/http://www.iec.ch/cgi-bin/tl_to_htm.pl?section=technology&item=144|archivedate=6 décembre 2010|brisé le=}}.</ref>.

Même si [[George Westinghouse]] a acquis les brevets de Gaulard et Gibbs en 1885, c'est la société [[General Electric|Edison Electric Light Company]] qui obtient la licence pour la construction des transformateurs « Ganz » aux [[États-Unis]]. Westinghouse se trouve donc obligé d'utiliser une conception différente pour fabriquer ses transformateurs. Il confie la conception de ces nouveaux modèles à [[William Stanley Junior|William Stanley]]<ref name="Skrabec">{{Ouvrage|langue=en|prénom1=Quentin R.|nom1=Skrabec|titre=George Westinghouse|sous-titre=Gentle Genius|éditeur=Algora Publishing|année=2007|pages totales=259|passage=102|isbn=978-0-87586-508-9|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=C3GYdiFM41oC&pg=PA102}}.</ref>. Le premier brevet sur les transformateurs déposé par Stanley présente une construction avec un circuit magnétique en [[fer doux]] avec un [[entrefer]] ajustable permettant de réguler la tension au secondaire<ref name="Stanley_adj_gap_ind_coil"/>. Cette technologie est tout d'abord vendue aux États-Unis en 1886<ref name="Coltman (2002)">{{Article|prénom1=John W.|nom1=Coltman|titre=The Transformer Historical Overview|périodique=Industry Applications Magazine, IEEE|volume=8|numéro=1|pages=8-15|mois=janvier-février|année=2002|date=|doi=10.1109/2943.974352|url=http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=974352|consulté le=12 avril 2012}}.</ref>{{,}}<ref>{{lien web |nom1=International Electrotechnical Commission |lien auteur1=Commission électrotechnique internationale |titre=Otto Blathy, Miksa Déri, Károly Zipernowsky |url=https://web.archive.org/web/20110211060607/http://www.iec.ch/about/history/techline/swf/ |site=IEC History (recherche par : Techline → Technologies → Quick search → Transformer), |consulté le=2 août 2016}}.</ref>. Westinghouse veut améliorer le concept afin de le rendre plus simple à produire et donc moins cher<ref name="Coltman (2002)"/>.

Cela amène à l'émergence d'un nouveau modèle dans lequel le [[noyau magnétique]] est constitué de fines tôles séparées entre elles par des feuilles de papier ou d'autres matériaux isolants. Les bobines sont ensuite glissées autour des colonnes avant de refermer le circuit avec les tôles horizontales. Ce nouveau modèle est déposé au bureau des brevets en décembre 1886 par Stanley et définitivement breveté en juillet 1887<ref name="Smil"/>{{,}}<ref>{{Lien web |prénom1=George, Jr. |nom1=Westinghouse |lien auteur1=George Westinghouse |titre=Electrical Converter |url=https://patents.google.com/patent/US366362A/en?oq=US366362 |éditeur=U.S. Patent 366 362, issued July 12, 1887}}.</ref>.
[[Fichier:Cast resine transformer.jpg|thumb|upright|Transformateur de distribution sec.|alt=Un noyau magnétique bleu et trois bobines autour de celui-ci. Le tout est apparent.]]
Le transformateur isolé et refroidi à l'huile est inventé aux environs de 1912. Cela permet de construire des transformateurs de puissances plus élevées. Son principal défaut est son inflammabilité. L'usage des [[Polychlorobiphényle|PCB]] permet de contourner cet inconvénient  leur toxicité a toutefois conduit à leur interdiction en 1987. Les transformateurs de type sec utilisant une isolation à base de [[résine (constituant)|résine]] sont inventés en 1965<ref>{{lien web |langue=de |titre=Vorlesung Elektrische Energieversorgung I |url=https://www.repo.uni-hannover.de/bitstream/handle/123456789/9971/Oswald_2005_Skript_Elektrische_Energieversorgung.pdf?sequence=10&isAllowed=y |format=pdf |site=université de Hanovre |consulté le=6 mars 2016 |passage=4}}.</ref>{{,}}<ref>{{Ouvrage|titre=Décret n°87-59 du 2 février 1987 relatif à la mise sur le marché, à l'utilisation et à l'élimination des polychlorobiphényles et polychloroterphényles|date=2 février 1987|lire en ligne=https://www.legifrance.gouv.fr/loda/id/JORFTEXT000000705522|consulté le=2023-11-17}}.</ref>.

=== Autres précurseurs ===
En 1889, le russe [[Mikhaïl Dolivo-Dobrovolski]] construit le premier transformateur triphasé chez [[Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft|AEG]], une société allemande<ref>{{Ouvrage|langue=de|prénom1=Gerhard|nom1=Neidhöfer|titre=Michael von Dolivo-Dobrowolsky and Three-Phase : The Beginnings of Modern Drive Technology and Power Supply|lieu=Berlin|éditeur=VDE-Verl.|année=2008|numéro d'édition=2|isbn=978-3-8007-3115-2|lire en ligne=http://d-nb.info/990964361}}.</ref>.

En 1891, [[Nikola Tesla]] crée la [[Bobine Tesla|bobine]] qui porte désormais son nom. Il s'agit d'une bobine sans noyau magnétique qui fonctionne en [[résonance]] à [[haute fréquence]] et produit de très hautes tensions<ref name="PBS">{{Lien web|nom1=Uth|prénom1=Robert|titre=Tesla Coil|date=12 décembre 2000|série=Tesla: Master of Lightning|éditeur=PBS.org|url=https://www.pbs.org/tesla/ins/lab_tescoil.html|consulté le=12 avril 2012}}.</ref>{{,}}<ref>{{Lien web |prénom1=Nikola |nom1=Tesla |lien auteur1=Nikola Tesla |titre=System of Electrical Lighting |url=https://patents.google.com/patent/US454622A/en?oq=us454622 |éditeur=U.S. Patent 454 622, issued June 23, 1891}}.</ref>.

== Fonctionnement du transformateur monophasé ==
=== Transformateur parfait ou idéal ===
==== Équations de base ====
[[Fichier:Transformer3d col3 fr.svg|upright|thumb|Transformateur monophasé idéal.]]
C'est un transformateur virtuel sans aucune perte<ref name="s109"/>. Il est utilisé pour modéliser les transformateurs réels. Ces derniers sont considérés comme une association d'un transformateur parfait et de diverses impédances<ref name="s115">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=115}}.</ref>.

Dans le cas où toutes les pertes et les fuites de flux sont négligées, le rapport du nombre de [[spire de courant|spires]] secondaires <math> {N_2} </math> sur le nombre de spires primaires <math> {N_1} </math> détermine totalement le rapport de transformation du transformateur, noté <math> {m} </math>.
* '''Exemple''' : pour un transformateur dont le primaire comporte '''{{unité|460|spires}}''' alimenté par une tension sinusoïdale de '''{{unité|230|V}}''' de [[Valeur efficace|tension efficace]], le secondaire qui comporte '''{{unité|24|spires}}''' présentera à ses bornes une tension sinusoïdale dont la valeur efficace sera égale à '''{{unité|12|V}}'''.

: <math> {m} = \frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1}</math><ref name="s109">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=109}}.</ref>.

Comme on néglige les pertes, la puissance est transmise intégralement, c'est pourquoi l'intensité du courant dans le secondaire est dans le rapport inverse soit près de {{nombre|19|fois}} plus importante que celle circulant dans le primaire.

De l'égalité des [[puissance apparente|puissances apparentes]] : <math> S_1 =S_2 \,</math>, soit :
: <math> U_1I_1 = U_2I_2 \,</math>, on en déduit : <math> \frac{U_2}{U_1} = \frac{I_1}{I_2}</math><ref name="s112">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=112}}.</ref>.

La puissance apparente maximale d'un transformateur est exprimée en [[Voltampère|VA]].

{{boîte déroulante|titre=Explication grâce au flux magnétique |contenu=
Soit une bobine comportant N spires, à laquelle on applique une tension sinusoïdale de valeur <math>u(t) = u_\mathrm{max} \cdot \sin(\omega t) = \sqrt{2} U \cdot \sin(\omega t) </math>
avec <math> \omega = 2\pi f</math>, avec f la fréquence f à ses bornes et U la tension [[valeur efficace|efficace]]. Notons de plus le flux alternatif induit par cette bobine <math>\phi</math>. On note <math>u_q</math> la tension induite. L'[[équations de Maxwell#Équation de Maxwell-Faraday|équation de Maxwell-Faraday]] donne :

: <math> u_q= N \frac{d \phi}{dt}</math>

En remplaçant <math>u_q</math> par la valeur de la tension sinusoïdale et en intégrant, on obtient :

: <math>\phi = \frac{\sqrt{2}U}{\omega N} \cos(\omega t)</math>

Et donc :

: <math>U=\sqrt{2} \cdot f \cdot N \cdot \pi \cdot \phi_\mathrm{max} \approx 4{,}44 \cdot f \cdot N \cdot \phi_\mathrm{max}</math><ref>{{harvsp|Wildi|2003|p=470}}.</ref>{{,}}<ref name="s104">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=104-108}}.</ref>.

Dans le cas d'un transformateur idéal, par définition il n'a aucune perte et son noyau est infiniment perméable. Autrement dit, le flux magnétique est le même dans les deux bobines. On a donc :

: <math>\phi_\mathrm{max} = \frac{U_1}{\sqrt{2} \cdot f \cdot N_1 \cdot \pi} = \frac{U_2}{\sqrt{2} \cdot f \cdot N_2 \cdot \pi}</math>

Soit en simplifiant :
: <math>\frac{U_1}{N_1} = \frac{U_2}{N_2}</math><ref name="s109"/>
}}

==== Adaptation d'impédance ====
Les rapports des tensions et des courants étant modifiés entre le primaire et le secondaire, une [[Impédance (électricité)|impédance]] placée au primaire ne sera pas perçue avec sa valeur initiale au secondaire.

On a l'équation<ref name="s142">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=142}}.</ref> :
: <math>{Z_1 \over Z_2}=\left({N_1 \over N_2}\right)^2</math>

où :
* <math>Z_1</math> : impédance vue du primaire ;
* <math>Z_2</math> : impédance du secondaire ;
* <math>N_1</math> : nombre de spires du primaire ;
* <math>N_2</math> : nombre de spires du secondaire.

==== Symbole ====
[[Fichier:Transformer Iron Core.svg|thumb|upright=0.5|Symbole d'un transformateur.|alt=symbole d'un transformateur.]]
Le symbole du transformateur à noyau de fer correspond à deux bobines séparées par deux lignes verticales qui symbolisent le circuit magnétique. Il représente assez simplement sa construction physique ainsi que son rôle de couplage.

=== Les pertes de puissance d'un transformateur ===
==== Schéma équivalent d'un transformateur réel ====
{{article détaillé|Circuits magnétiquement couplés}}
Pour modéliser un transformateur réel en régime stationnaire il existe divers modèles qui répondent à divers cahiers des charges. Le plus souvent, ces modèles tentent de rendre compte des pertes et des chutes de tension en charge. On ajoute alors au transformateur idéal des dipôles linéaires permettant de modéliser les pertes<ref>{{Ouvrage|langue=de|prénom1=Ekbert|nom1=Hering|titre=Grundwissen des Ingenieurs4|lieu=Leipzig|éditeur=Fachbuchverlag|année=2007|pages totales=1216|passage=780|isbn=978-3-446-22814-6}}.</ref> mais aussi les chutes de tension lors d'un fonctionnement en régime sinusoïdal à la fréquence d'utilisation<ref name="s134">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=134}}.</ref>.
[[Fichier:Schema equivalent transformateur.svg|thumb|upright|Schéma électrique équivalent d'un transformateur réel.]]

Les notations du schéma ci-contre sont les suivantes :
* U{{ind|1}} : tension au primaire, parfois aussi noté U{{ind|p}} ;
* U{{ind|2}} : tension au secondaire, parfois aussi noté U{{ind|s}} ;
* L{{ind|f1}} : [[inductance de fuite]] au primaire, parfois aussi notée U{{ind|σ1}} ou U{{ind|σp}} ;
* L{{ind|f2}} : inductance de fuite au secondaire, parfois aussi notée U{{ind|σ2}} ou U{{ind|σs}} ;
* R{{ind|1}} : résistance des bobinages au primaire, parfois aussi notée R{{ind|p}} ;
* R{{ind|2}} : résistance des bobinages au secondaire, parfois aussi notée R{{ind|s}} ;
* L{{ind|μ}} : inductance de magnétisation ou magnétisante.
* R{{ind|Fe}} : résistance modélisant les pertes fer.

Ce modèle, s'il prend en compte les pertes, néglige les non-linéarités et les [[Capacité parasite|capacités parasites]].
{{boîte déroulante|titre=Mise en commun de l'impédance principale<ref>{{Ouvrage|prénom1=Bernard|nom1=Multon|titre=Modèles électriques du transformateur électromagnétique|éditeur=ENS Cachan|année=1997|format=pdf|isbn=|lire en ligne=http://w3.bretagne.ens-cachan.fr/mecatronique/DocPedagogiques/ModelesTransformateur_Multon3EI-97.pdf|consulté le=17 février 2014}}.</ref>|contenu=
[[Fichier:Circuits couplés 1.png|thumb|Schéma d'un transformateur.]]

Un transformateur est constitué principalement de deux bobines, liées par un circuit magnétique. On peut le modéliser en notant deux inductances propres L{{ind|1}} et L{{ind|2}}, ainsi qu'une inductance mutuelle, notée M, ou parfois L{{ind|12}}. Sur le schéma les tensions sont notées e{{ind|1}} et e{{ind|2}}, par la suite on les notera U{{ind|1}}et U{{ind|2}} comme dans la partie précédente. Les courants I{{ind|1}} et I{{ind|2}} sont rentrants. On note enfin <math>\phi_1</math> le flux au primaire et <math>\phi_2</math> celui au secondaire. Les résistances sont négligées ici afin de rendre plus lisible les calculs.
Au départ on écrira que le flux au primaire vaut :
:<math>\phi_1 = L_1 \cdot I_1 + M \cdot I_2</math>
Au secondaire :
:<math>\phi_2 = L_2 \cdot I_2 + M \cdot I_1</math>
En dérivant on obtient le système suivant :

<math>
\begin{cases}U_1=L_1{dI_1 \over dt}+M{dI_2 \over dt}
\\
U_2=L_2{dI_2 \over dt}+M{dI_1 \over dt}
\end{cases}
</math>.

[[Fichier:Schema equivalent transformateur2.svg|thumb|upright=2.0|Schéma électrique équivalent d'un transformateur électrique non-idéal où les résistances sont négligées.]]
On introduit alors le schéma équivalent ci-contre, qui permet de différencier les paramètres liées au flux de fuite et ceux liés à l'inductance mutuelle.
Les équations associées à ce schéma sont :

<math>
\begin{cases}U_1 =L_{f1} \cdot \frac{dI_1}{dt} + L_{\mu} \cdot (\frac{dI_1}{dt} + m \frac{dI_2}{dt}) = (L_{f1} + L_{\mu})\frac{dI_1}{dt} + m \cdot L_{\mu}\frac{dI_2}{dt}
\\
U_2 = m \cdot U_{\mu} = m \cdot L_{\mu} (\frac{dI_1}{dt} + m \frac{dI_2}{dt}) = m \cdot L_{\mu} \frac{dI_1}{dt} + m^2 \cdot L_{\mu} \frac{dI_2}{dt}
\end{cases}
</math>.

En identifiant les paramètres du second schéma avec ceux du premier on trouve :
:<math>m = \frac{L_2}{M}</math>
:<math>L_{\mu} = \frac{M^2}{L_2} = \frac{M}{m}</math>
:<math>L_{f1} = L_1 - \frac{M^2}{L_2}= L_1 - L_{\mu}</math>
}}

==== Les pertes « fer » ====
[[Fichier:Laminated core eddy currents 2.svg|thumb|upright|Le [[Tôles feuilletées|feuilletage]] permet de réduire les pertes par courants de Foucault.]]
Les pertes dans le circuit magnétique, également appelées « pertes fer », dépendent de la fréquence et de la tension d'alimentation. À fréquence constante, on peut les considérer comme proportionnelles au carré de la tension d'alimentation.

Ces pertes ont deux origines physiques :
* '''les pertes par [[courants de Foucault]]''', l'induction crée des courants au sein du noyau de fer, qui échauffe ce dernier par [[effet Joule]]. Elles sont minimisées par l'utilisation de tôles magnétiques vernies, donc isolées électriquement les unes des autres pour constituer le circuit magnétique, ce en opposition à un circuit massif. Elles sont proportionnelles au carré de la fréquence<ref name="W-422-423">{{Harvsp|Wildi|2003|p=422-423}}.</ref>{{,}}<ref name="s117">{{harvsp|Spring|id=s|p=117}}.</ref> ;
* '''les pertes par [[Hystérésis magnétique|hystérésis]]''', le changement de direction permanent du flux oblige le fer à se réorienter lui aussi en permanence, cela ne se fait pas sans frottement ce qui crée ces pertes. Elles sont minimisées par l'utilisation d'un [[matériau ferromagnétique doux]]. En effet, elles sont proportionnelles à l'aire du cycle d'hystérésis, celui-ci doit donc être le plus étroit possible, d'où les matériaux doux. Ces pertes sont de plus proportionnelles à la fréquence<ref>{{Ouvrage|prénom1=Vincent|nom1=Renvoizé|titre=Physique PSI-PSI*|lieu=Paris|éditeur=[[Pearson (maison d'édition)|Pearson]]|année=2010|passage=526|isbn=|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=pFMiKNvo1-8C&pg=PA527|consulté le=23 juin 2011}}.</ref>{{,}}<ref name="s116">{{harvsp|Spring|id=s|p=116}}.</ref>.
Les courbes des fabricants de tôles magnétiques donnent, pour des fréquences déterminées, les pertes globales pour différentes valeurs de l'induction.

==== Les pertes « cuivre » ====
Les pertes par [[effet Joule]] dans les enroulements sont appelées également « pertes cuivre », elles dépendent de la résistance de ces enroulements et de l'intensité du courant qui les traverse. Elles sont proportionnelles au carré de l'intensité<ref name="s123">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=123}}.</ref> :

: <math> P_J = \sum_i R_i I_i^2</math>

avec<ref name="s123"/> :
* <math> R_i \,</math> la résistance de l'enroulement ''i'' ;
* <math> I_i \,</math> l'intensité du courant qui le traverse.
Des pertes par courant de Foucault existent également dans les bobines. Elles sont dues au champ de fuite, mais sont en général faibles et ne sont prises en compte que dans des modèles très détaillés<ref name="h119">{{Harvsp|Heathcote|id=jp|2007|p=119}}.</ref>.

==== Fuite de flux ====
Le circuit magnétique est considéré dans le modèle du transformateur idéal comme sans perte, ce qui serait le cas si la résistance magnétique du fer était nulle. Or ce n'est pas le cas, le flux circule donc partiellement à l'extérieur du noyau, ce flux appelé {{citation|de fuite}}, par opposition au flux {{citation|principal}}, est modélisable par une inductance en série avec la résistance de chaque enroulement. En notant <math>R_m</math> la [[réluctance]] magnétique du noyau de fer et N le nombre de spires on obtient la formule suivante<ref name="s124">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=124}}.</ref> :

: <math>L_\mathrm{fuite}=\frac{N^2}{R_m}</math>

Afin de limiter le nombre de composants dans la modélisation. On ramène ensuite en général les bobines de fuites d'un même côté du transformateur (primaire ou secondaire) en utilisant la formule de l'adaptation d'impédance.

{{boîte déroulante|titre=Détails sur les flux de fuites, coefficient de Blondel et de couplage<ref>{{lien web|langue=fr|url=http://stsserd.free.fr/Cours_sts1/Analogique/Cours%20transformateur%20STS.pdf|titre=Cours transformateur STS|consulté le=18 février 2014}}.</ref>|contenu=
Si on note <math>\phi_1</math> le flux traversant la bobine primaire et <math>\phi_{12}</math> le flux parvenant au secondaire. Pour définir le flux de fuite, on peut dire que c'est le flux produit par le primaire auquel on soustrait le flux arrivant dans le secondaire :
:<math>L_{f1}\cdot I_1 = N_1 \cdot \phi_{f1} = N_1 (\phi_1 - \phi_{12})</math>
Pour rappel, par définition d'une inductance :
:<math>N_1 \cdot \phi_{1} = L_1 \cdot I_1</math>
On définit l'inductance mutuelle M tel que pour le secondaire on ait :
:<math>\Phi{12} = M \cdot I_1 = N_2 \cdot \phi_{12}</math>
En combinant les deux équations on obtient :
:<math>L_{f1} \cdot I_1 = L_1 \cdot I_1 - \frac{N_1 \cdot M}{N_2} \cdot I_1</math>
Donc :
:<math>L_{f1} = L_1 - \frac{M}{m}</math>

Si on recommence le même raisonnement en alimentant par le secondaire, on obtient :
:<math>L_{f2} = L_2 - m \cdot M</math>
D'où :
:<math> M = \sqrt{(L_1 - L_{f1})(L_2 - L_{f2})}</math>
Dans le cas idéal les inductances de fuite sont nulles, : <math> M = \sqrt{L_1 \cdot L_2}</math>. On définit le coefficient de dispersion de Blondel, aussi appelé coefficient de fuite, s pour noter l'écart avec ce cas :
:<math>\sigma = \frac{L_f}{L_1} = 1 - \frac{M^2}{L_1 L_2}</math>

Si on ramène toutes les pertes aux primaires. On obtient :
:<math> L_{ftotale,1} = L_1 - \frac{M^2}{L_2}</math>
On remarque que
:<math> L_{ftotale,1} = L_1 \cdot \sigma</math>

On définit de plus le coefficient de couplage k :
:<math>k = \frac{M}{\sqrt{L_1 L_2}}</math>

Si on reprend la première équation de la tension au secondaire, en considérant le transformateur à vide, donc I{{ind|2}} nul :
:<math>U_1 = L_1 \frac{dI_1}{dt}</math> et <math>U_2 = M \frac{dI_1}{dt}</math>
D'où
:<math>U_2 = \frac{M U_1}{L_1}</math>
Soit par définition de m :
:<math>m = \frac{M}{L_1} = \frac{k \sqrt{L_1 L_2}}{L_1} = k \sqrt{\frac{L_2}{L_1}}</math>
}}

==== Mesure des pertes ====
===== Essais en court-circuit =====
Pour mesurer les pertes par effet Joule, il faut que le courant soit élevé et les pertes magnétiques très faibles, donc que les enroulements soient soumis à une faible tension. La mise en court-circuit du transformateur avec une alimentation en tension réduite permet de réaliser ces deux conditions. Les pertes du transformateur sont alors quasiment égales aux pertes par effet Joule<ref name="elm">{{Ouvrage|langue=de|prénom1=Klaus|nom1=Fuest|prénom2=Peter|nom2=Döring|titre=Elektrische Maschinen und Antriebe|éditeur=vieweg|année=|isbn=|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=6o4oiot2kNwC&printsec=frontcover|consulté le=21 juin 2011}}.</ref>. Dans la pratique, une fois le transformateur court-circuité, il ne serait pas possible de mesurer le courant en imposant la tension nominale entre les bornes du primaire : le courant serait beaucoup trop élevé entraînant de fortes [[transformateur de puissance#Contraintes mécaniques|contraintes mécaniques]] et de [[transformateur de puissance#Température|hautes températures]]. Pour éviter cela, on mesure les pertes cuivres en réglant le courant au courant nominal, la tension résultante appelée {{citation|tension de court-circuit}} est alors plus faible que la tension nominale. On l'exprime en pourcentage de la tension nominale. Une tension de court-circuit faible a pour conséquence une faible chute de tension, mais un fort [[courant de court-circuit]], un compromis doit donc être trouvé entre ces deux paramètres<ref name="s150">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=150}}.</ref>.

{{boîte déroulante|titre=Détermination des paramètres lors de la mesure |contenu=
On note {{citation|cc}} les valeurs en court-circuit. R la [[résistance électrique|résistance]] des enroulements. Z leur [[impédance (électricité)|impédance]], X l'[[inductance]], P la [[puissance active]], U la [[tension électrique|tension]] et I le [[intensité électrique|courant]].

: <math>P_{cc}=I_{cc}^2 \cdot R</math>

: <math>Z=\frac{U_{cc}}{I_{cc}}</math>

: <math>X=\sqrt{\left(\frac{U_{cc}}{I_{cc}}\right)^2-R^2}</math>
}}

===== Essais à vide =====
Pour mesurer les pertes fers et les fuites magnétiques, il faut un état pour lequel les pertes par effet Joule soient faibles, c'est-à-dire un faible courant, et où les pertes magnétiques soient élevées, c'est-à-dire une tension élevée. Le fonctionnement à vide, sans récepteur relié au secondaire, correspond à ce cas. La puissance consommée au primaire du transformateur est alors quasiment égale aux pertes magnétiques<ref name="elm"/>{{,}}<ref name="s147">{{harvsp|Spring|id=s|p=147}}.</ref>.

{{boîte déroulante|titre=Détermination des paramètres lors de la mesure |contenu=
On note <math>R_{Fe}</math> la [[résistance électrique|résistance]] équivalente aux pertes fer, <math>X_\mu</math> l'[[inductance]] principale, <math>P_0</math> la [[puissance active]] à vide, <math>U_1</math> la [[tension électrique|tension]] au primaire, <math>I_{Fe}</math> la composante réelle du [[intensité électrique|courant]] et <math>I_\mu</math> sa composante imaginaire<ref name="s148">{{harvsp|Spring|id=s|p=148}}.</ref>.

: <math>I_{Fe}=\frac{P_0}{U_1}</math>

: <math>R_{Fe}=\frac{U_1}{I_{Fe}}</math>

: <math>X_\mu=\frac{U_1}{I_\mu}</math>
}}

== Constitution ==
[[Fichier:Enroulements transfo tri.jpg|thumb|upright|Enroulements d'un transformateur triphasé.]]
Il est constitué de deux parties essentielles, le circuit magnétique et les enroulements.

=== Le circuit magnétique ===
{{Article détaillé|Fer doux}}
Le [[circuit magnétique]] d'un transformateur est soumis à un champ magnétique variable au cours du temps. Pour les transformateurs reliés au secteur de distribution, cette fréquence est de 50 ou {{unité|60|[[hertz]]}}. Le circuit magnétique est toujours feuilleté pour réduire les pertes par [[courants de Foucault]], qui dépendent de l'amplitude du signal et de sa fréquence. Pour les transformateurs les plus courants, les tôles empilées ont la forme de E et de I, permettant ainsi de placer le bobinage à l'intérieur des « fenêtres » du circuit magnétique ainsi constitué.

Toutes ces tôles en fer au silicium existent en épaisseur de {{unité/2|0.2|à=0.5|mm}} ; elles sont, soit non isolées (pour petite puissance), soit isolées par une très fine couche de vernis. Leur qualité est précisée par leurs pertes en W/kg à une induction donnée de {{unité|1|tesla}}. Il existe des tôles de {{unité|0.6|W/kg}} jusqu'à {{unité|2.6|W/kg}} de façon courante.

<center>
{|
|valign="top"|[[Fichier:Tôles de transformateur monophasé.png|thumb|Schémas des tôles d'un transformateur monophasé.]]
|[[Fichier:Carcasse transformateur monophasé.png|thumb|Schéma de la carcasse d'un transformateur monophasé bas de gamme.]]
|}
</center>

À noter que dans les culasses qui joignent les colonnes, le flux est perpendiculaire au sens de laminage. Le matériau magnétique n'est pas utilisé au mieux, l'orientation moléculaire étant défavorable au passage du flux. Il existe donc des circuits en anneau torique, constitués par l'enroulement d'une bande de tôle magnétique offrant toujours le même sens d'orientation au flux. Ces circuits magnétiques se nomment des [[tore]]s. Le bobinage des tores de façon industrielle et économique nécessite l'utilisation de machines à bobiner adaptées.

Pour les fortes puissances, les circuits magnétiques sont constitués avec des tôles droites ou biseautées. Ces tôles sont empilées de façon à former un noyau de section carrée, rectangulaire ou en [[croix de saint André|croix dite de saint André]].

Pour les fréquences moyennes ({{unité/2|400|à=5000|Hz}}) la tôle au silicium à grains orientés en épaisseur de {{unité|10/100|mm}} est utilisée sous forme de circuits en « C ».

Pour les fréquences moyennes ({{unité|≤ 5|kHz}}) l'emploi des ferrites s'impose (exemple de domaine d'application : alimentations à découpage).

Pour les hautes fréquences ({{unité|≤ 1|MHz}}) les ferrites sont utilisés comme circuit magnétique ; dans les cas où l'utilisation d'un matériau magnétique devient impossible en raison des pertes liées à la fréquence, le couplage primaire/&nbsp;secondaire est réalisé dans l'air<ref>La [[perméabilité magnétique]] <math>\mu_r</math> de l'air est voisine de 1.</ref>. (exemple de domaine d'application : émetteurs/&nbsp;récepteurs radio).

=== Les enroulements ===
[[Fichier:Transformer-hightolow smaller.jpg|thumb|upright|Les enroulements sont en général concentriques pour minimiser les fuites de flux. Un isolant est inséré entre le circuit primaire et le secondaire.]]

Le conducteur électrique utilisé dépend des applications, mais le [[cuivre]] est le matériau de choix pour toutes les applications à fortes puissances. Les fils électriques de chaque tour doivent être isolés les uns des autres afin que le courant circule dans chaque tour. Pour des petites puissances, il suffit d'utiliser des conducteurs [[amagnétique]]s émaillés pour assurer cette isolation ; dans les applications à plus fortes puissances mais surtout à cause d'une tension d'utilisation élevée, on entoure les conducteurs de papier diélectrique imprégné d'huile minérale. Pour des fréquences moyennes et hautes, on utilise des conducteurs multibrins pour limiter l'[[effet de peau]] ainsi que les pertes par [[courants de Foucault]] ; tandis que pour les fortes puissances, on cherche à minimiser ces pertes induites dans les conducteurs par l'emploi de fils méplats de faible épaisseur, voire de véritables bandes de cuivre ou d'aluminium.

Les enroulements du primaire ou du secondaire peuvent avoir des connexions externes, appelées prises, à des points intermédiaires de l'enroulement afin de permettre une sélection de rapport de tension<ref>Par exemple {{unité|110|V}}/{{unité|220|V}} au primaire et {{unité|6|V}}/{{unité|12|V}} au secondaire.</ref>. Les prises peuvent être connectées à un changeur automatique de prises en charge pour le contrôle de la tension du circuit de distribution.

Les transformateurs à fréquences audio, utilisés pour la distribution de l'audio à des haut-parleurs, ont des prises afin de permettre l'ajustement de l'impédance de chacun des haut-parleurs. Un transformateur à [[prise médiane]] est souvent utilisé dans les amplificateurs de puissance audio. Les transformateurs de modulation dans les transmetteurs à [[modulation d'amplitude]] sont très similaires.

=== L'isolation ===
Les enroulements étant soumis à des tensions électriques il faut les isoler pour assurer leur bon fonctionnement et la sécurité des utilisateurs.

Les fils ronds ou les méplats sont recouverts d'une couche de vernis cuit constituant un émail. Les méplats existent aussi isolés par un enrubannage d'isolant mince, voire de ruban de fil de verre tressé, le tout imprégné dans la résine pour le verre tressé.

La tension entre couche présentant un risque de claquage est contrée par la mise en place d'un isolant sous forme de ruban mince et ceci systématiquement entre enroulements. L'ensemble du bobinage, voire le transformateur tout entier, est immergé dans un vernis, par gravité ou sous vide et pression, pour être ensuite passé dans une étuve afin d'être recuit.

Pour toute isolation une température maximale à ne pas dépasser est définie. Au-delà la durée de vie du matériau diminue rapidement.

== Les différents types de transformateurs ==
Ces distinctions sont souvent liées aux très nombreuses applications possibles des transformateurs.

=== Transformateur de puissance ===
[[Fichier:Leistungstransformator neu.jpg|thumb|upright|Transformateur de puissance dans un poste électrique.]]
{{Article détaillé|Transformateur de puissance}}
Les transformateurs de distribution dont la tension d'au moins une des phases dépasse {{unité|1000|[[Volt|V]]}} sont considérés comme des transformateurs de puissance. Leur rôle est essentiel dans le réseau électrique pour permettre de transporter l'électricité sur de longues distances. De par leur haut niveau de tension, ils répondent à des contraintes spécifiques notamment au niveau de l'isolation. Leur fiabilité et leur durée de vie doivent être particulièrement élevées.
{{clr}}

=== Autotransformateur ===
[[Fichier:Auto transformer.png|thumb|upright|Symbole d'un autotransformateur.<br>1 : indique le primaire<br>2 : le secondaire.]]
{{Article détaillé|Autotransformateur}}

Dans ce type de transformateur particulier ''il n'y a pas d'isolation électrique'' entre le primaire et le secondaire, car le secondaire est une partie de l'enroulement primaire. Le courant alimentant le transformateur parcourt le primaire en totalité et une dérivation à un point donné de celui-ci détermine la sortie du secondaire. La conséquence est qu'une partie du bobinage est traversée par le seul courant du primaire alors que l'autre partie est traversée par le courant du primaire moins celui du secondaire ; la section du bobinage doit être adaptée à ces courants atypiques pour un transformateur.

Le rapport entre la tension d'entrée et la tension de sortie est identique à celui d'un transformateur à enroulements primaire et secondaire, isolés entre eux<ref name="W-422-423"/>.

En France, un autotransformateur est systématiquement utilisé pour le raccordement entre les réseaux {{unité|225|kV}} et {{unité|400|kV}}<ref>Description du réseau {{unité|225|kV}} [[Électricité de France|EDF]] et des transformateurs utilisés à travers la coordination de l'isolement : {{pdf}} [http://norm.edf.fr/pdf/hn89117.pdf Coordination des isolements du réseau {{unité|225|kV}} EDF], sur le site norm.edf.fr.</ref>.

=== Transformateur variable - « variac » - alternostat ===
[[Fichier:Variable Transformer 01.jpg|thumb|upright|Autotransformateur à rapport variable.]]
Un « variac »<ref>« Variac » est une marque déposée de {{Lien|langue=en|General Radio}} de 1934 à 2002. Le terme est passé dans le langage courant en électrotechnique.</ref>, ou autotransformateur variable est constitué d'un noyau d'acier toroïdal, d'une bobine de cuivre en une seule couche et d'un [[Collecteur tournant|balai carbone]]. En faisant varier la position du balai sur la bobine on fait varier de manière proportionnelle le rapport de l'autotransformateur.
Il présente l'intérêt, par rapport à un [[rhéostat]], de produire beaucoup moins de [[effet Joule|pertes Joule]] et sa tension au secondaire dépend beaucoup moins de la charge. La présence d'un fusible entre le secondaire et la charge est indispensable pour éviter, dans le cas où la tension au secondaire et l'impédance de la charge sont faibles, de brûler les spires. On a en effet, dans ce cas, quasiment un court-circuit réparti sur très peu de spires<ref>{{harvsp|Wildi|2003|p=478}}.</ref>.

=== Transformateur d'isolement ===
Un transformateur crée une [[isolation galvanique]] entre son primaire et son secondaire, cette propriété est utilisée tout spécialement dans les transformateurs d'isolement<ref name="trisolement">{{Lien web|langue=en|url=http://www.powertransformer.us/isolationtransformers.htm|titre=Isolation transformer|site=powertransformer.us|consulté le=24 avril 2012}}.</ref>. Ils servent à assurer la sécurité d'une installation en protégeant des [[électrocution]]s par exemple<ref name="trisolement"/>. La séparation galvanique permet aussi d'éliminer une partie du bruit électrique, ce qui est utile pour certains appareils électroniques sensibles<ref name="trisolement"/>. Comme tout transformateur, un transformateur d'isolement ne laisse pas passer le courant continu<ref name="trisolement"/>.

Ces transformateurs ont presque le même nombre de spires au primaire et au secondaire :
* celui du secondaire est souvent très légèrement supérieur au nombre de spires du primaire afin de compenser la faible chute de tension en fonctionnement ;
* en théorie, les sections de fil au primaire et au secondaire sont identiques car l'intensité des courants est la même, mais en pratique l'enroulement intérieur, proche du noyau, a une section supérieure. Sa position diminue en effet sa capacité à évacuer la chaleur produite.

Ils sont, par exemple, largement utilisés dans les blocs opératoires : chaque salle du bloc est équipée de son propre transformateur d'isolement, pour éviter qu'un défaut dans un bloc n'affecte les autres<ref name="trisolement"/>.

Un autre intérêt est de pouvoir changer de [[Schéma de liaison à la terre|régime de neutre]] (cas d'utilisation de matériel informatique et/ou d'équipements électroniques sensibles dans une installation [[Schéma de liaison à la terre|IT]])<ref name="trisolement"/>.

=== Transformateur d'impédance ===
Le transformateur est ''toujours'' un transformateur d'impédance, mais les électroniciens donnent ce nom aux transformateurs qui ne sont pas utilisés dans des circuits d'alimentation.

Le ''transformateur d'impédance'' est principalement destiné à [[adaptation d'impédances|adapter]] l'[[Impédance (électricité)|impédance]] de sortie d'un amplificateur à sa charge. Ce genre de transformateur était en particulier employé :
* Dans la restitution sonore, pour adapter la sortie d'un amplificateur audio à lampes (haute impédance), avec les haut-parleurs destinés à la restitution du son et caractérisés par une impédance basse.
* En électronique audio professionnelle, on utilise toujours des transformateurs pour les entrées et sorties d'appareils haut de gamme, ou bien dans la fabrication de « [[Di-box]] » ou [[boîte de direct]]. Le transformateur est alors utilisé, non seulement pour adapter l'impédance et le niveau de sortie des appareils (synthétiseurs, basses électriques…) aux entrées micro de la console de mixage mais en outre pour [[wikt:symétriser|symétriser]] la sortie des appareils connectés.
* En technique des [[haute fréquence|hautes fréquences]], on utilise également des transformateurs dont le [[circuit magnétique]] est en [[ferrite (acier)|ferrite]] ou sans circuit magnétique (aussi appelé ''transformateur sans noyau'') pour adapter les impédances de sortie d'un amplificateur, d'une ligne de transmission et d'une antenne. En effet, pour un transfert optimal de puissance de l'amplificateur vers l'antenne, il faut que le [[rapport d'ondes stationnaires]] (ROS) soit {{nobr|égal à 1}}.

De tels montages présentent en outre l'avantage de rendre les appareils connectés beaucoup plus résistants aux perturbations électromagnétiques par une augmentation significative du [[Taux de réjection du mode commun|CMRR]] (''Common Mode Rejection Ratio'') ou taux de réjection du mode commun.

=== Transformateur de mesure ===
{{Article détaillé|Transformateur de mesure|Transformateur de tension|Transformateur de courant}}
[[Fichier:Leistungsschalter-110KV.jpg|thumb|upright=0.5|Transformateur de mesure de tension nominale {{unité|110|kV}}.]]
Selon la définition de la [[Commission électrotechnique internationale]], un '''transformateur de mesure''' est un transformateur destiné à alimenter des appareils de mesure, des compteurs, des relais et autres appareils analogues<ref>CEI 60044-2, clause 2.1.1, version 2003.</ref>. Ils sont utilisés pour permettre la mesure de la tension ou du courant quand ceux-ci sont trop élevés pour être mesurés directement. Ils doivent transformer la tension ou le courant de manière proportionnelle et sans déphasage<ref name="s181">{{harvsp|Spring|id=s|2006|p=181}}.</ref>.

=== Transformateur déphaseur ===
{{Article détaillé|Transformateur déphaseur}}
[[Fichier:Qb-3ph.svg|thumb|left|upright|Schéma électrique d'un transformateur déphaseur.]]

Les transformateurs déphaseurs permettent de créer un déphasage entre leurs tensions d'entrée et de sortie. Cela a pour objectif de soulager un réseau surchargé. Le réseau de transport d'électricité est maillé ; l'électricité emprunte naturellement et préférentiellement les lignes de moindre résistance électrique. Cela explique que certaines lignes peuvent être saturées alors que d'autres lignes desservant la même zone peuvent être sous-utilisées<ref name="boutre">{{Lien web|url=http://clients.rte-france.com/htm/fr/reseau/telecharge/RNT_TD_Boutre.pdf|titre=Documentation non-technique sur l'installation d'un transformateur déphaseur à la station de Boutre par RTE|consulté le=17 décembre 2012}}.</ref>.

En « forçant » le passage de l'électricité sur une ligne électrique plutôt que sur une autre, le transformateur déphaseur permet d'optimiser les lignes les moins empruntées et donc de soulager les lignes saturées. Grâce à cette meilleure répartition des transits sur les lignes, le réseau de transport d'électricité peut être exploité au maximum de ses capacités techniques<ref name="boutre"/>.

Sur le plan technique, un transformateur déphaseur est constitué d'un transformateur connecté en triangle et en parallèle aux systèmes d'entrée et d'un transformateur connecté en série. Les deux ont des noyaux magnétiques séparés et des cuves séparées<ref>{{harvsp|Heathcote|2007|p=690|id=jp}}.</ref>.

Un changeur de prises permet de régler le déphasage souhaité<ref>{{harvsp|Heathcote|2007|p=694|id=jp}}.</ref>.

=== Transformateur d'essai ===
{{Article détaillé|Transformateur d'essai}}
Les transformateurs d'essai ou de test sont des transformateurs pouvant atteindre de très hautes tensions pour des charges limitées. Ils sont utilisés pour tester du matériel électrique.

== Transformateur haute fréquence ==
=== Circuit magnétique des transformateurs HF ===
Les pertes par courants de Foucault au sein du circuit magnétique sont directement proportionnelles au carré de la fréquence mais inversement proportionnelles à la résistivité du matériau qui le constitue. Afin de limiter ces pertes, le circuit magnétique des transformateurs HF est réalisé à l'aide de matériaux ferromagnétiques isolants :
* les [[ferrite (céramique ferromagnétique)|ferrites]] doux : [[Oxyde mixte|oxydes mixtes]] de fer et de cuivre ou de zinc ;
* les matériaux nanocristallins.

=== Transformateur d'impulsions ===
Ce type de transformateur est utilisé pour la commande des thyristors, triacs et des transistors. Il présente, par rapport à l'[[Photocoupleur|opto-coupleur]], les avantages suivants : fonctionnement possible à fréquence élevée, simplification du montage, possibilité de fournir un courant important, bonne tenue en tension.

== Transformateur triphasé ==
Dans les [[réseau électrique|réseaux électriques]] [[triphasé]]s, on pourrait parfaitement envisager d'utiliser 3 transformateurs, un par phase. Dans la pratique, l'utilisation de transformateurs triphasés (un seul appareil regroupe les 3 phases) est généralisée : cette solution permet la conception de transformateurs bien moins coûteux, avec en particulier des économies au niveau du circuit magnétique. Les transformateurs monophasés ne sont en fait guère utilisés, sauf pour de très grosses puissances apparentes (typiquement supérieures à {{unité|500|MVA}}), où le transport d'un gros transformateur triphasé est problématique et incite à l'utilisation de 3 unités physiquement indépendantes. Il existe différents types de connexions d'enroulement utilisées pour connecter un transformateur triphasé. Les connexions les plus couramment utilisées sont étoile-étoile, delta-delta, étoile-delta, delta-étoile<ref>[https://www.electricaldeck.com/2020/10/three-phase-transformer-winding-connections.html Three-Phase Transformer Winding Connections] - {{en}} www.electricaldeck.com</ref>.

== Transformateur diphasé-triphasé ==
{{Article détaillé|Biphasé#Diphasé{{!}}Biphasé – Diphasé}}

=== Transformateurs de Scott ===
[[Fichier:TransfoScott.png|upright=1.5|thumb|Diagramme des transformateurs de Scott.]]
Le montage de Scott permet de transformer des tensions triphasées en [[Biphasé#Diphasé|diphasées]] et vice versa. Le montage de Scott se réalise grâce à deux transformateurs monophasés de puissance moitié de celle de l'utilisation. Le premier transformateur a les bornes de son primaire connectées à deux phases du triphasé. Le second transformateur est connecté entre la prise centrale du premier transformateur et la phase restante du triphasé (voir schéma). Le rapport de bobinage du premier transformateur est égal à 1 alors que pour le second il est égal à <math>\frac{\sqrt{3}}{{2}}</math> soit environ {{unité|0.866}}. Les tensions au secondaire sont égales en norme et déphasés de 90°<ref name="harel">Charles Harel, ''Machines électriques et essais de Machines'', Société française des électriciens – [[École supérieure d'électricité]], Paris, 1960, {{p.}}152-153.</ref>{{,}}<ref name="h729"/>.

Autrefois très utilisés, les systèmes biphasés ont progressivement laissés leur place aux systèmes triphasés<ref name="harel"/>{{,}}<ref name="h729">{{Harvsp|Heathcote|id=jp|2007|p=729}}.</ref>. Le transformateur de Scott est toutefois toujours utilisé en électronique mais aussi en production, distribution et transmission d'électricité si le diphasé est encore présent.

Dans le cas de récepteurs monophasés de forte puissance (four électrique monophasé), le montage Scott permet de réaliser l'équilibrage sur le réseau triphasé.

{{boîte déroulante|align=left|titre=Démonstration de la transformation triphasé → diphasé |contenu=
En ce qui concerne <math>V_1</math>, le premier transformateur est branché entre la borne a et c du triphasé, donc :

: <math>V_{tr1}=U_{AC}=\sqrt{3}Ve^{-j\frac{\pi}{6}}</math>

Comme le rapport des spires du premier transformateur est égal à <math>1</math>,

: <math>V_1=V_{tr1}=\sqrt{3}Ve^{-j\frac{\pi}{6}}</math>

En ce qui concerne <math>V_2</math>, le second transformateur est branché entre la moitié du bobinage du premier transformateur et la borne b, donc :

: <math>V_{tr2}=\frac{U_{AC}}{2}-U_{BC}=\frac{\sqrt{3}}{2}Ve^{-j\frac{\pi}{6}}-\sqrt{3}Ve^{-j\frac{\pi}{2}}</math>

: <math>V_{tr2}=\frac{3}{2}Ve^{j\frac{\pi}{3}}</math>

Comme le rapport des spires du second transformateur est égal à <math>\frac{\sqrt{3}}{2}</math>,

: <math>V_2=V_{tr2}*\frac{2}{\sqrt{3}}=\sqrt{3}Ve^{j\frac{\pi}{3}}</math>

On obtient deux tensions de même norme et déphasées de 90°<!---et non biphasées, biphasées = déphasées de 180°--->.
}}

=== Transformateurs de Leblanc ===
Tout comme le montage de Scott, le montage de Leblanc transforme un système triphasé en système diphasé. Les deux montages sont électriquement équivalents. Le montage de Leblanc utilise un circuit magnétique triphasé<ref name="harel"/>. Son primaire est connecté en triangle, ce qui a pour effet de supprimer la {{3e|harmonique}}<ref name="h733">{{Harvsp|Heathcote|id=jp|2007|p=733}}.</ref>.

Bien que connu depuis la fin du {{s-|XIX}}, le montage de Leblanc connut moins de succès que celui de Scott<ref name="h733"/>.

Dans un montage Leblanc, si les intensités diphasées sont équilibrées il en est de même des intensités triphasées.

Le théorème de Leblanc énonce qu'une bobine alimentée par une tension alternative et créant de ce fait un champ magnétique pulsant le long de son axe, crée deux champs magnétiques de même module, tournant en sens inverses. Ce théorème constitue la base théorique du fonctionnement des moteurs asynchrones monophasés.

== Notes et références ==
{{Traduction/Référence|en|Transformer|486850478}}
{{Références}}

== Bibliographie ==
* {{Ouvrage|langue=en|prénom1=Martin|nom1=Heathcote|titre=J & P Transformer Book|éditeur=Newnes|année=1998|pages totales=945|isbn=0-7506-1158-8|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=qjR6kTmZvmQC&printsec=frontcover|id=jp}}.
* {{Ouvrage|langue=de|prénom1=Andreas|nom1=Kuechler|titre=Hochspannungstechnik, Grundlagen, Technologie, Anwendungen|lieu=Berlin|éditeur=Springer|année=2005|pages totales=543|isbn=3-540-21411-9|id=k}}.
* {{Ouvrage|langue=de|prénom1=Eckhard|nom1=Spring|titre=Elektrische Maschninen|lieu=Berlin, Heidelberg, New York|éditeur=Springer|année=2006|passage=103-227|isbn=3-540-28241-6|id=s}}.
* {{Ouvrage|langue=de|langue originale=hu|prénom1=K.|nom1=Karsai|prénom2=D.|nom2=Kerényi|prénom3=L.|nom3=Kiss|titre=Large power transformers|lieu=Amsterdam|éditeur=[[Elsevier]]|année=1987|pages totales=614|isbn=0-444-99511-0|id=ka}}.
* {{Ouvrage|prénom1=Théodore|nom1=Wildi|titre=Electrotechnique|éditeur=DeBoeck|année=2003|isbn=|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=SBKToRtUXtkC&pg=PA470&dq=transformateur|consulté le=24 avril 2012}}.
* Mikhail Kostenko et Ludvik Piotrovski, ''Machines électriques'', {{nobr|tomes {{I}} et {{II}}}}, Éditions de Moscou (Mir), 1969, (réédité en 1979), 1348{{nb p.}}

== Annexes ==
{{Autres projets
  | commons = Category:Transformers
  | wikiversity = Transformateur monophasé
  | wikiversity titre = Transformateur monophasé
}}

=== Articles connexes ===
* [[Transformateur de puissance]]
* [[Circuit magnétique]], [[circuits magnétiquement couplés]], [[inductance de fuite]], [[inductance mutuelle]]
* [[Polychlorobiphényle]]
* [[Formule de Steinmetz]]
* [[Tôles feuilletées]]
* [[Réseau électrique intelligent]] ou Smart grid

=== Liens externes ===
* {{Lien web |langue=fr-FR |titre=A quoi sert le transformateur électrique ? Fonction du transformateur - TSV |url=http://www.tsv-transfo.com/fr/fonction-transformateur-electrique/ |site=Transformateurs Solutions Vénissieux |consulté le=2021-02-03}}
*{{pdf}} [http://archive.wikiwix.com/cache/?url=http%3A%2F%2Fwww.poweron.ch%2Fupload%2Fcms%2Fuser%2F7LECON16.pdf Lucien Gaulard et le transformateur électrique], site poweron.ch
* [http://www.sitelec.org/cours/bonnet/transformateur.htm Transformateur], [http://www.sitelec.org/cours/abati/trsfimpuls.htm Transformateur d'impulsions] et [http://www.sitelec.org/cours/abati/ti.htm Le transformateur d'intensité], sur le site sitelec.org
* [http://archive.wikiwix.com/cache/?url=http%3A%2F%2Fbeams.ulb.ac.be%2Fbeams%2Fteaching%2Felec-h-300%2Fnotes%2FCHAP3-ELEC-H-300.pdf Inductances et transformateurs], site beams.ulb.ac.be
* {{pdf}} [http://mach.elec.free.fr/transfo/cours_transformateurs.pdf Cours et exercices sur les transformateurs monophasés et triphasés], site mach.elec.free.fr
* [http://histoires-de-sciences.over-blog.fr/2013/11/distribution-de-l-%C3%A9nergie-%C3%A9lectrique-par-courant-continu-ou-alternatif.html Distribution de l'énergie électrique par courant continu ou alternatif ?]

{{Palette|Électrotechnique}}
{{Portail|électricité et électronique|énergie}}

[[Catégorie:Transformateur électrique|*]]