Quel est le but d'un transformateur?

La plupart des gens ont probablement entendu parler des transformateurs et savent qu'ils font partie des mystérieux réseau électrique qui fournit de l'électricité aux maisons, aux entreprises et à tout autre endroit où le « jus » est nécessaire. Mais la personne typique rechigne à apprendre les subtilités de la fourniture d'énergie électrique, peut-être parce que l'ensemble du processus semble enveloppé de danger. Les enfants apprennent dès leur plus jeune âge que l'électricité peut être très dangereuse, et tout le monde se rend compte que tout les fils de la compagnie d'électricité sont maintenus hors de portée (ou parfois enterrés dans le sol) pour une bonne raison.

Mais le réseau électrique est en fait un triomphe de l'ingénierie humaine, sans laquelle la civilisation serait méconnaissable de celle que vous habitez aujourd'hui. Le transformateur est un élément clé dans le contrôle et la livraison de l'électricité à partir du point où il est produit dans les centrales électriques jusqu'à ce qu'il pénètre dans une maison, un immeuble de bureaux ou une autre extrémité destination.

Pensez à un barrage retenant des millions de gallons d'eau pour former un lac artificiel. Parce que la rivière alimentant ce lac n'apporte pas toujours la même quantité d'eau dans la région, ses eaux ayant tendance à monter dans le le printemps après la fonte des neiges dans de nombreuses régions et le reflux en été pendant les périodes plus sèches, tout barrage efficace et sûr doit être équipé de dispositifs qui permettent un contrôle plus fin de l'eau que de simplement l'empêcher de s'écouler jusqu'à ce que le niveau monte tellement que l'eau se déverse simplement par-dessus. Les barrages comprennent donc toutes sortes de vannes et d'autres mécanismes qui dictent la quantité d'eau qui sera passer en aval du barrage, indépendamment de la pression de l'eau en amont côté.

C'est à peu près comment fonctionne un transformateur, sauf que le matériau qui circule n'est pas de l'eau mais du courant électrique. Les transformateurs servent à manipuler le niveau de tension circulant à travers n'importe quel point d'un réseau électrique (décrit en détail ci-dessous) d'une manière qui équilibre l'efficacité de la transmission avec la sécurité de base. Il est clair qu'il est financièrement et pratiquement avantageux tant pour les consommateurs que pour les propriétaires de la centrale électrique et réseau pour éviter les pertes de puissance entre la sortie de l'électricité de la centrale et son arrivée dans les maisons ou d'autres destinations. D'un autre côté, si la quantité de tension traversant un fil électrique à haute tension typique n'était pas diminuée avant d'entrer dans votre maison, il en résulterait un chaos et une catastrophe.

La tension est une mesure de la différence de potentiel électrique. La nomenclature peut prêter à confusion car de nombreux étudiants ont entendu le terme « énergie potentielle », ce qui permet de confondre facilement tension et énergie. En fait, la tension est l'énergie potentielle électrique par unité de charge, ou joules par coulomb (J/C). Le coulomb est l'unité standard de charge électrique en physique. Un seul électron est attribué -1,609 × 10^-19 coulombs, tandis qu'un proton porte une charge de même amplitude mais de direction opposée (c'est-à-dire une charge positive).

Le mot clé ici, vraiment, est "différence". La raison pour laquelle les électrons circulent d'un endroit à un autre est la différence de tension entre les deux points de référence. La tension représente la quantité de travail qui serait nécessaire par unité de prix déplacer la charge contre un champ électrique du premier point au second. Pour avoir une idée de l'échelle, sachez que les fils de transmission longue distance portent généralement de 155 000 à 765 000 volts, alors que la tension entrant dans une maison est généralement de 240 volts.

Dans les années 1880, les fournisseurs de services électriques utilisaient le courant continu (CC). Cela était lourd de responsabilités, y compris le fait que le courant continu ne pouvait pas être utilisé pour l'éclairage et était très dangereux, nécessitant d'épaisses couches d'isolation. Pendant ce temps, un inventeur nommé William Stanley a produit la bobine d'induction, un dispositif capable de créer du courant alternatif (AC). Au moment où Stanley a proposé cette invention, les physiciens connaissaient le phénomène du courant alternatif et les avantages qu'il aurait en termes d'alimentation, mais personne n'avait été en mesure de proposer un moyen de fournir du courant alternatif sur un grand escalader. La bobine d'induction de Stanley servirait de modèle pour toutes les futures variantes de l'appareil.

Stanley a failli devenir avocat avant de décider de travailler comme électricien. Il a commencé à New York avant de déménager à Pittsburgh, où il a commencé à travailler sur son transformateur. Il a construit le premier système municipal d'alimentation en courant alternatif en 1886 dans la ville de Great Barrington, dans le Massachusetts. Après le tournant du siècle, sa compagnie d'électricité a été achetée par General Electric.

Un transformateur peut à la fois augmenter (augmenter) ou diminuer (réduire) la tension circulant dans les fils d'alimentation. Ceci est vaguement analogue à la manière dont le système circulatoire peut augmenter ou diminuer l'apport de sang à certaines parties du corps en fonction de la demande. Une fois que le sang (le « pouvoir ») quitte le cœur (la « centrale électrique ») pour atteindre une série de points de branchement, il peut finir par voyager vers le bas du corps au lieu du haut du corps, puis à la jambe droite au lieu de la gauche, puis au mollet au lieu de la cuisse, etc. Ceci est régi par la dilatation ou la constriction des vaisseaux sanguins dans les organes et tissus cibles. Lorsque l'électricité est produite dans une centrale électrique, les transformateurs augmentent la tension de quelques milliers à des centaines de milliers à des fins de transmission longue distance. Lorsque ces fils atteignent des points appelés sous-stations électriques, les transformateurs réduisent la tension à moins de 10 000 volts. Vous avez probablement vu ces sous-stations et leurs transformateurs de niveau intermédiaire lors de vos déplacements; les transformateurs sont généralement logés dans des boîtes et ressemblent un peu à des réfrigérateurs plantés au bord de la route.

Lorsque l'électricité quitte ces stations, ce qu'elle peut généralement faire dans un certain nombre de directions différentes, elle rencontre d'autres transformateurs plus proches de son point d'extrémité dans les subdivisions, les quartiers et les individus maisons. Ces transformateurs réduisent la tension de moins de 10 000 volts à environ 240 volts, soit plus de 1 000 fois moins que les niveaux maximum typiques observés dans les fils haute tension longue distance.

Les transformateurs ne sont, bien sûr, qu'un élément du réseau électrique dit, du nom du système de fils, interrupteurs et autres dispositifs qui produisent, envoient et contrôlent l'électricité depuis son lieu de production jusqu'à son lieu d'origine finalement utilisé.

La première étape de la création d'énergie électrique consiste à faire tourner l'arbre d'un générateur. Depuis 2018, le plus souvent, cela se fait à l'aide de vapeur libérée lors de la combustion d'un combustible fossile, comme le charbon, le pétrole ou le gaz naturel. Les centrales nucléaires et autres générateurs d'énergie "propre" tels que les centrales hydroélectriques et les parcs éoliens peuvent également exploiter ou produire l'énergie nécessaire pour entraîner le générateur. Quoi qu'il en soit, l'électricité produite dans ces centrales est appelée puissance triphasée. En effet, ces générateurs à courant alternatif créent de l'électricité qui oscille entre un minimum et un maximum définis. niveau de tension, et chacune des trois phases est décalée de 120 degrés par rapport à celles devant et derrière elle dans temps. (Imaginez marcher dans les deux sens dans une rue de 12 mètres pendant que deux autres personnes font de même, ce qui fait 24 mètres aller-retour, sauf que l'une des deux autres personnes est toujours à 8 mètres devant vous et l'autre à 8 mètres derrière toi. À certains moments, vous marcherez à deux dans un sens, tandis qu'à d'autres moments, vous marcherez à deux dans l'autre sens, en variant la somme de vos mouvements, mais de manière prévisible. C'est grosso modo comment fonctionne le courant alternatif triphasé.)

Avant que l'électricité ne quitte la centrale, elle rencontre pour la première fois un transformateur. C'est le seul point auquel les transformateurs d'un réseau électrique augmentent considérablement la tension plutôt que de la réduire. Cette étape est nécessaire car l'électricité pénètre ensuite dans les grandes lignes de transmission par ensemble de trois, une pour chaque phase d'alimentation, et certaines d'entre elles peuvent avoir à parcourir jusqu'à 300 milles environ.

À un moment donné, l'électricité rencontre une sous-station électrique, où les transformateurs réduisent la tension à un niveau adapté aux lignes électriques les plus discrètes que vous voyez dans les quartiers ou le long des zones rurales autoroutes. C'est là que la phase de distribution (par opposition à la transmission) de la livraison d'électricité se produit, car les lignes quittent généralement l'alimentation sous-stations dans un certain nombre de directions, tout comme un certain nombre d'artères bifurquant d'un vaisseau sanguin majeur à peu près au même jonction.

Depuis le poste électrique, l'électricité passe dans les quartiers et quitte les lignes électriques locales (qui sont généralement sur des « poteaux téléphoniques ») pour entrer dans les habitations individuelles. Des transformateurs plus petits (dont beaucoup ressemblent à de petites poubelles en métal) réduisent la tension à environ 240 volts afin qu'elle puisse entrer dans les maisons sans grand risque de provoquer un incendie ou un autre incident grave.

Les transformateurs doivent non seulement faire le travail de manipulation de la tension, mais ils doivent également être résistants aux dommages, que ce soit par des actes de la nature tels que des tempêtes de vent ou des attaques délibérées d'origine humaine. Il n'est pas possible de garder le réseau électrique hors de portée des éléments ou des mécréants humains, mais le même, le réseau électrique est absolument vital pour la vie moderne. Cette combinaison de vulnérabilité et de nécessité a conduit le département américain de la Sécurité intérieure à prendre un intérêt pour les plus gros transformateurs du réseau électrique américain, appelés gros transformateurs de puissance, ou LPT. La fonction de ces transformateurs massifs, qui se trouvent dans les centrales électriques et peuvent peser de 100 à 400 tonnes et coûter des millions de dollars, est essentiel au maintien de la vie quotidienne, car la panne d'un seul peut entraîner des pannes de courant sur un large surface. Ce sont les transformateurs qui augmentent considérablement la tension avant que l'électricité ne pénètre dans les fils haute tension longue distance.

En 2012, l'âge moyen d'un LPT aux États-Unis était d'environ 40 ans. Certains des transformateurs à très haute tension (EHV) haut de gamme d'aujourd'hui sont évalués à 345 000 volts, et la demande de transformateurs augmente à la fois dans le aux États-Unis et dans le monde, obligeant le gouvernement américain à rechercher des moyens à la fois de remplacer les LPT existants au besoin et d'en développer de nouveaux à un prix relativement bas Coût.

Un transformateur est essentiellement un grand aimant carré avec un trou au milieu. L'électricité entre d'un côté via des fils enroulés un certain nombre de fois autour du transformateur et sort de l'autre côté via des fils enroulés un nombre différent de fois autour du transformateur. L'entrée d'électricité induit un champ magnétique dans le transformateur, qui à son tour induit un champ électrique dans les autres fils, qui évacuent ensuite l'énergie du transformateur.

Au niveau de la physique, un transformateur fonctionne en tirant parti de la loi de Faraday, qui stipule que le rapport de tension de deux bobines est égal au rapport du nombre de spires dans les bobines respectives. Ainsi, si une tension réduite est requise au niveau d'un transformateur, la deuxième bobine (sortante) contient moins de spires que la bobine primaire (entrée).